聚乳酸及其改性的研究和应用进展
1 聚乳酸的研究进展
绿色化学为开发新的乳酸衍生物拓展了思路，生物聚合物(如聚乳酸)
就是绿色化学的应用领域之一。
目前环保行业的明星是利用乳酸生产的新型聚酯材料— — 聚乳酸
(PLA)，它也称为聚丙交酯(polylactide)，属于聚酯家族。聚乳酸是以乳
酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生，主要以
玉米、木薯等为原料。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降
解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。聚乳酸中
间体丙交酯具有3种立体异构体，因此由丙交酯开环聚合所得到的聚乳
酸有多种链结构，如聚L一乳酸(PLLA)、聚D一乳酸(PDLA)和聚D，L
一乳酸(PDLLA)等，链结构决定了聚乳酸的性能。Purac公司和Sulzer
Chemtech公司联合开发一种新型低成本、高效的聚合工艺以生产高质
量聚乳酸。这种新型工艺基于先进的聚合和液化技术并利用由Purac提
供的特种丙交酯以高效生产各种各样的PLA产品。Purac提供丙交酯单
体作为聚合进料并利用先进聚合技术与Sulzer合作以生产PLA。这项
工艺可大幅度降低工艺和产品的开发时间，从而促进PLA产品快速可
靠地进入市场。这项新工艺仅要求较少的投资，并具有放大化生产的巨
大潜力。Purac介绍说，由丙交酯合成PLA相当简单，而且不会产生任
何副产品。丙交酯是一种环状二聚物，由两种不同构型的乳酸单体组成。
使乳酸生成环状二聚体(丙交酯)，再开环缩聚成PLA。在此过程中，丙
交酯必须经过提纯，否则难以获得分子量较高的聚合物。
Pyramid Bioplastics公司在德国东北部威廉·皮克城应用Uhde
Inventa Fischer公司(德国纤维机械制造商)的技术在建设年产6万t的
装置。计划于2012年建成，预计2010年全世界塑料消费量预计将达
为2．5亿t，西欧消费量为4900万t(占19．5％ ，其中29．5 用于
包装材料)，预计1445万t包装材料中5 (约70万t)会被以聚乳酸为主
的生物塑料所替代。
聚乳酸是一种可再生的碳水化合物资源，因其具有广阔市场前景而
得以迅速发展，然而由于聚乳酸材料本身性质的缺陷(如性能脆、拉伸
强度低以及热稳定性差等)和一些技术问题，使其发展和应用受到了极
大的限制。PLA产业化的重大突破在于克服PLA 的热力学缺陷，它在
温度高于50℃时就发生热变形，严重影响产品的存储、运输和使用。
改善这一缺点并保持其透明性将更能使人们接受，并大大拓宽其应用市
场。
2 聚乳酸的改性
对聚乳酸改性的方法主要包括共混、共聚和复合等。改性后聚乳酸
的降解性能、耐热性能及机械性能等可得到一定改善，且不影响其生物
相容性，从而更好地满足在环保或医学领域的应用要求。可用普通高聚
物的加工方法(如挤出、注塑等)，熔融共混PLA与PDLA，以形成聚乳
酸立构复合物(SC—PLA)。这种立构复合物对PLA 的结晶起异相成核
作用，能有效促进PLA结晶。使结晶速度加快，结晶度提高，聚乳酸
材料呈现良好的机械性能、热性能和较低的收缩性能，热变形温度有所
提高。Yukiko F等人 研究了SC结构对于PLA熔融纺丝工艺的影响。
将PLA 和PDLA 以95：5共混，在熔融拉丝过程中，牵引力的作用使
得共混分子链取向结晶。将拉丝产物在高于PLA均聚物熔点的温度下
进行退火处理，迅速形成SC—PLA晶体，产物的热变形温度为100～
120℃ ，比纯PLA提高了50~60℃ ，而且力学性能也得到了很大的提
高。SC结晶结构对于PLA的热性能具有很明显的作用。首先，熔融缩
聚合成较低分子质量的PDLA和PLLA；然后将这两种构型的聚乳酸等
量比熔融共混，以形成立体配合物；最后，使熔融态的立体配合物降温
进行固相聚合反应，非晶态的聚乳酸链延长为高分子质量的有规嵌段外
消旋聚乳酸_8]。聚合物呈半结晶状态，比包装级PLA 的熔融温度高
50~80 oC，形成一个215～230℃ 单一的熔融温度，证明了SC晶体
的形成，明显地提高了熔点_9]。这种SC—PLA生物高分子材料可用于
熔融纺丝和双向拉伸薄膜。而当PLLA 和PDLA 非等比共混时，则可
以部分形成不完全的立体复合物微晶。这种立体复合物的微晶可以作为
成核剂大大促进随后的PLLA的结晶，如在加入0．5 ～5 的PDLA时，
形成的立体复合物微晶增强了聚合物链自发结晶的能力，诱导长链PLA
进行结晶，使PLLA的结晶速度明显加快，缩短结晶时间，效果优于滑
石粉成核剂。
通过PDLA与滑石粉或亚麻纤维复合的方法可以得到具有150℃ 热
变形温度的耐热PLA 复合材料，其动态拉伸模量测试结果表明：普通
PLA在温度为5O℃ 时， 由于动态模量低于临界值108Pa，而无法进
行测试。而加入5 滑石粉的PDLA，热变形温度达到139℃ ， 因为该
材料在橡胶态时还呈现较高的硬度。
还可以通过交联的方法对PLA进行改性，聚乳酸交联的一般过程是
在交联剂或者辐射作用下，通过加入其他单体与聚乳酸发生交联反应，
从而形成化学键。通过交联反应会生成网状聚合物，聚乳酸的性能如强
度会得到相应改善。交联剂通常是多官能团物质，如多官能度的酸酐或
者多异氰酸酯。根据不同的情况，交联方式及交联程度都会有所不同。
Purac不断研究乳酸及其衍生物的各种新应用，特别是提高其在工艺上
的应用价值。目的是对现有的产品或具有特殊性能的乳酸衍生物，发掘
其更广泛的应用，以适应医疗护理、黏合剂、涂料、水净化和农用化学
品等方面。这些应用性能的实现意味着绿色化学生物质原料使用的增
加，实现了可再生资源的有效利用。
3 聚乳酸的应用进展
聚乳酸作为一种新型生物工程材料，用途非常广泛，主要用于可生
物降解的纤维、塑料和医用材料等。
3．1 可降解纤维
聚乳酸作为可降解的纤维，可以采用多种方式进行加工，加工过程
的分子定向会大大增加力学强度，如日本合成的聚乳酸纤维，具有很好
的耐热性，可以和通常的聚酯纤维一样制成短丝、单丝、长丝和非织造
布等多种制品，广泛应用于服装及非服装领域，加工条件及设备与目前
聚酯纤维的相同。目前国外已经采用聚乳酸纤维和棉纱织成混纺纱，用
于制作牙刷和毛巾等多种产品。用完后可降解，对环境没有污染，属环
保型产品。
3．2 医用材料
由于聚乳酸具有无毒、合适的生物降解性、良好的生物兼容性以及
对某些具体的细胞有一定相互作用的能力，使其在在医学方面的应用优
势尤为突出，也是目前应用得最为成功的领域。聚乳酸及其共聚物用作
外科手术缝合线，在伤口愈合后能自动分解并被人体吸收，无需再次手
术和拆出缝合线。聚乳酸还用作手术纱布，国外已进入临床应用阶段。
手术用聚乳酸骨钉，病愈后，就降解在人体内。因为降解产生的是二氧
化碳和水，所以不会对人体产生不良后果。这种骨钉炎症发生率低，强
度高、手术后基本不出现感染等情况。将聚乳酸塑料制成人工脏器的骨
架研究也在进行，例如有专家正在聚乳酸塑料肝骨架的整个表面上培养
肝细胞，制造人造肝脏。用这种方法制造的人造肝脏移到体内，作为骨
架部分的聚乳酸塑料在体内不久就会被分解吸收，最后留下了与骨架同
样形状的肝脏。这是有效利用聚乳酸塑料生物降解性质的典范。此外，
聚乳酸还用于药物释控体系和眼科植入材料等。
3．3 生物可降解的食品包装容器及器具
食品包装被认为是PLA 最大的应用市场，PLA软质薄膜可以制备
各种食品包装膜。PLA薄
膜对水蒸气、氧气和二氧化碳的透过性很高，但对香味成分右旋柠檬油
精却具有极高的阻隔性。此外，PLA薄膜对丁酸乙酯的阻隔性也很高。
因此，PLA可以作为咖啡、茶叶、芳香剂等香味逃逸物品的包装材料。
近年来，不可降解的塑料造成的污染已成为人们日益关注的环保问题，
而这些污染的主要来源是来自于一次性使用的包材及器具。由于聚乳酸
具有很多优越性能，因而获得广泛应用，这为有效地解决白色污染问题
提供了可行的办法。
3．4 农用地膜
PLA韧性好，适合加工成高附加值薄膜，用于代替目前易破碎的农
用地膜。此外还用于缓释农药、肥料等，不仅无毒、长效，还可在使用
后自动降解，而且不污染环境。
3．5 纺织制品
PLA在纺织领域的应用研究开发是最近10年左右开始的。聚乳酸
可用纺黏法或熔喷法直接制成非织造布，也可先纺制成短纤维，再经干
法或湿法成网制得非织造布。聚乳酸非织造布用于农业、园艺方面，可
用作种子培植、育秧、防霜及除草用布等；在医疗卫生方面，可用作手
术衣、手术覆盖布、口罩等；在生活用品方面，可用作衣料、擦揩布、
厨房用滤水、滤渣袋或其他包装材料。
PLA的发展趋势旺盛，未来的PLA工业充满了机遇与挑战。加大开
发力度，提高聚乳酸的性能，拓展其应用领域，将是今后聚乳酸工业得
以发展的关键所在。然而，各种对PLA 的改性研究，应考虑使用简单
易行的方法进行，并考虑废弃物回收，从而降低共聚物合成成本，为将
来的实际应用奠定基础。随着人类环保意识不断增强，聚乳酸一定会有
广阔的应用前景。