聚乳酸在塑料制造中起到什么作用？

1、聚乳酸

聚乳酸(PLa)是一種具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料。PLa這種線型熱塑性生物可降解脂肪族聚酯是以玉米、小麥、木薯等一些植物中提取的淀粉為最初原料,經(jīng)過(guò)酶分解得到葡萄糖,再經(jīng)過(guò)乳酸菌發(fā)酵后變成乳酸,然后經(jīng)過(guò)化學(xué)合成得到高純度聚乳酸。聚乳酸制品廢棄后在土壤或水中,30天內(nèi)會(huì)在微生物、水、酸和堿的作用下徹底分解成CO2和H2O,隨后在太陽(yáng)光合作用下,又成為淀粉的起始原料,不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染,因而是一種完全自然循環(huán)型的可生物降解材料。

1.1 聚乳酸的制備

目前聚乳酸的生產(chǎn)和制備主要有兩條路線:(1)間接法即丙交酯開(kāi)環(huán)聚合法(ROP法);(2)直接聚合法(PC法)。兩類(lèi)方法皆以乳酸為原料。丙交酯開(kāi)環(huán)聚合法是先將乳酸縮聚為低聚物,低聚物在高溫、高真空等條件下發(fā)生分子內(nèi)酯交換反應(yīng),解聚為乳酸的環(huán)狀二聚體2丙交酯,丙交酯再開(kāi)環(huán)聚合得到聚乳酸,此方法中要求高純度的丙交酯。直接法使用高效脫水劑使乳酸或其低聚物分子間脫水,以本體或溶液聚合的方式制備聚乳酸。

1.2 聚乳酸的基本性質(zhì)

由于乳酸具有旋光性,因此對(duì)應(yīng)的聚乳酸有三種:PDLa、PLLa、PDLLa(消旋)。常用易得的是PDLLa和PLLa,分別由乳酸或丙交酯的消旋體、左旋體制得。

聚乳酸(PLa)是一種真正的生物塑料,其無(wú)毒、無(wú)刺激性,具有良好的生物相容性,可生物分解吸收,強(qiáng)度高,不污染環(huán)境,可塑性好,易于加工成型。由于聚乳酸優(yōu)良的生物相容性,其降解產(chǎn)物能參與人體代謝,已被美國(guó)食品醫(yī)藥局(FDa)批準(zhǔn),可用作醫(yī)用手術(shù)縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等。

同時(shí)聚乳酸存在的缺點(diǎn)是:(1)聚乳酸中有大量的酯鍵,親水性差,降低了它與其它物質(zhì)的生物相容性;(2)聚合所得產(chǎn)物的相對(duì)分子量分布過(guò)寬,聚乳酸本身為線型聚合物,這都使聚乳酸材料的強(qiáng)度往往不能滿足要求,脆性高,熱變形溫度低(0146MPa負(fù)荷下為54℃),抗沖擊性差;(3)降解周期難以控制;(4)價(jià)格太貴,乳酸價(jià)格以及聚合工藝決定了PLa的成本較高。這都促使人們對(duì)聚乳酸的改性展開(kāi)深入的研究。

2、聚乳酸的改性

正由于聚乳酸的上述缺點(diǎn),使得目前通過(guò)對(duì)聚乳酸進(jìn)行增塑、共聚、共混和復(fù)合等改性方法來(lái)改進(jìn)聚乳酸的力學(xué)性能,改善其親水性,并使其降解性能不受影響,從而能更好地滿足生物醫(yī)用以及環(huán)保的應(yīng)用。

2.1 增塑改性

目前,廣泛研究用生物相容性增塑劑例如檸檬酸酯醚、葡萄糖單醚、部分脂肪酸醚、低聚物聚乙二醇(PEG)、低聚物聚乳酸(OLa)、丙三醇來(lái)提高聚乳酸的柔韌性和抗沖擊性能。對(duì)增塑后的聚乳酸進(jìn)行熱分析和機(jī)械性能表征研究其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、彈性摸量、斷裂伸長(zhǎng)率等的變化,從而來(lái)確定增塑劑的效能。大量研究結(jié)果顯示:其中較有效的增塑劑是OLa和低分子量的PEG(PEG400),加入20%(wt)的PEG400和OLa可使得聚乳酸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由原來(lái)的58℃分別降低至12℃和18℃。

2.2 共聚改性

共聚改性是目前研究最多的用來(lái)提高聚乳酸柔性和彈性的方法,其主旨是在聚乳酸的主鏈中引入另一種分子鏈,使得PLLa大分子鏈的規(guī)整度和結(jié)晶度降低。目前聚乳酸的共聚改性主要可以分為以下幾個(gè)方面:

2.2.1丙交酯與乙交酯共聚聚乙交酯(PGa)是最簡(jiǎn)單的線型脂肪族聚酯,早在1970年,PGa縫合線就已以“Dexon”商品化,但PGa親水性好,降解太快,目前用單體乳酸或交酯與羥基乙酸或乙交酯共聚得到無(wú)定型橡膠狀韌性材料,其中通過(guò)調(diào)節(jié)LLaPGa的比例可控制材料的降解速度,作為手術(shù)縫合線已得到臨床應(yīng)用,其中L2丙交酯與乙交酯Ga的共聚物已商品化。

2.2.2聚乳酸與聚乙二醇(PEG)的嵌段共聚物聚乙二醇(PEG)是最簡(jiǎn)單的低聚醚大分子,具有優(yōu)良的生物相容性和血液相容性、親水性和柔軟性。朱康杰等以辛酸亞錫作為催化劑的條件下,通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合合成了PLa2PEG2PLa的三嵌段共聚物。這類(lèi)嵌段共聚物具有親水的PEG鏈段和疏水的PLa鏈段,通過(guò)改變共聚物組成,可大幅度調(diào)節(jié)材料的親疏水性能和降解融蝕速率[7]。華南理工大學(xué)的葛建華等[8]將可生物降解高分子聚乳酸與具有親水性鏈段的聚乙二醇共聚制得嵌段共聚物,在一定反應(yīng)條件下,使得材料的接觸角由46°降為10°～23°,顯著改善了聚乳酸材料的親水性。

2.2.3丙交酯與己內(nèi)酯(CL)共聚合聚(ε2己內(nèi)酯)(PCL)是一種具有良好的生物相容性和降解性的生物醫(yī)用高分子,其降解速度比聚乳酸慢,因此制備LaPCL嵌段共聚物來(lái)達(dá)到控制降解速度,LaPCL嵌段共聚物近年來(lái)由于優(yōu)異的生物降解和生物相容性受到廣泛的關(guān)注,主要用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Jeon等制備了聚L2丙交酯和聚(ε2己內(nèi)酯)多嵌段共聚物,進(jìn)一步改善了其加工和降解等性能。

2.2.4丙交酯與醚段和環(huán)狀酯醚共聚合聚醚高分子有著優(yōu)良的血液相容性,但其水溶性太大從而限制了其應(yīng)用。聚丙二醇與環(huán)氧乙烷的加聚物(PEO2PPO2PEO)(聚醚)Pluronic已被美國(guó)食品和醫(yī)藥管理部門(mén)批準(zhǔn)可用于食品添加劑和藥物成分,Xiong等將PLa成功地接枝到Pluronic共聚物的兩端從而得到了含有短PLa鏈段的兩性分子P(La2b2EO2b2PO2b2EO2b2La)嵌段共聚物,研究結(jié)果表明這種嵌段共聚物保留了原有Pluronic體系的熱響應(yīng)性,并由于PLa鏈段的引入有效地降低了臨界膠束濃度,以親水性藥物為模型,觀察到可持續(xù)釋放,極有望用于藥物控釋。另外,丙交酯與環(huán)狀酯醚如對(duì)2二氧六環(huán)酮的共聚后可改善其親水性,該共聚物是一種具有優(yōu)良的柔韌性和彈性的手術(shù)縫合線材料。

2.2.5L2丙交酯與淀粉共聚Chen等合成了淀粉接枝聚L2乳酸共聚物,這種接枝共聚物可直接用于淀粉2聚(ε2己內(nèi)酯)和淀粉2聚乳酸共混物的熱塑性塑料和兩相相容劑。涂克華等研究發(fā)現(xiàn)淀粉2聚乳酸接枝共聚物可有效地增加淀粉與聚乳酸的相容性,從而提高共混體系的耐水性和力學(xué)性能。

2.2.6其它He等將含雙鍵的天然代謝物質(zhì)蘋(píng)果酸(羥基丁酸,馬來(lái)酸)引入聚乳酸大分子的主鏈或側(cè)鏈中,得到既具降解性、力學(xué)性能,又具反應(yīng)性的功能材料,可作靶向控釋載體以及組織和細(xì)胞工程的支架材料。

重慶大學(xué)羅彥鳳等合成了基于馬來(lái)酸酐改性聚乳酸(MPLa)的丁二胺新型改性聚乳酸(BMPLa),改善了聚乳酸的親水性,完全克服了聚乳酸和馬來(lái)酸酐改性聚乳酸降解過(guò)程中的酸性,并為進(jìn)一步引入多肽和膠原等生物活性分子提供活性基團(tuán)。丁二胺改性聚乳酸可望具有優(yōu)良的細(xì)胞親和性,在組織工程中具有重要的應(yīng)用潛力。

Wu等合成了新型兩性分子殼聚糖聚丙交酯接枝共聚物,可在水性介質(zhì)中形成以憎水性聚丙交酯鏈段為內(nèi)核、親水性殼聚糖鏈段為外殼的核殼膠束結(jié)構(gòu)。有望用于憎水性藥物的誘捕和控制釋放。Luo等合成了低分子量聚N2乙烯吡咯烷酮(PVP)與聚D,L2丙交酯的新型兩性二嵌段共聚物,這種二嵌段共聚物在水性溶液中能自組裝成為膠束,有望用于腸道外注射用藥物的藥物載體。

Breitenbach等將聚乳酸和乙二醇的共聚物(PLG)嫁接到親水性聚乙烯醇(PVa)上得到了生物可降解梳形聚酯PVa2g2PLG,通過(guò)調(diào)節(jié)PLG鏈長(zhǎng)、組成以及PVa分子量等參數(shù)能有效控制降解速度,避免憎水性聚合物使親水性大分子藥物變性,可用于親水性大分子藥物蛋白質(zhì)、縮氨酸和低(聚)核苷酸的腸道外藥物傳輸體系。

Lo等合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的聚DL丙交酯與聚N2異丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸共聚物的接枝共聚物[PLa2g2P(NIPam2co2Maa)],其具有溫度敏感性和pH敏感性,可用于抗癌類(lèi)藥物在細(xì)胞內(nèi)傳輸?shù)乃幬镙d體。

2.3 共混改性

最普通和重要的可生物降解聚合物都是脂肪族的聚脂如聚乳酸(PLa)、聚(ε2己內(nèi)酯)(PCL)、聚氧化乙烯(PEO)、聚羥基脂肪酸丁酯(PHB)、聚乙醇酸(PGa)。然而,任何一種都有些短處從而限制了其應(yīng)用。共混改性是另一類(lèi)可以改善材料的機(jī)械性能和加工性能,并且降低PLa成本的有效途徑。共混物樣品的制備方法目前廣泛采用以下幾種方式:熔融共混法、溶液澆鑄成膜法、溶解P沉降法、用水作發(fā)泡劑,單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)制備發(fā)泡材料。

聚乳酸與另一類(lèi)生物可降解高分子如由微生物合成的聚羥基脂肪酸酯(PHa)、化學(xué)合成的聚(ε2己內(nèi)酯)(PCL)、聚氧化乙烯(PEO)、聚N2乙烯基吡咯烷酮(PVP)、可溶性磷酸鈣玻璃微粒、葡聚糖以及天然高分子淀粉組成完全可生物降解共混體系,致力于從根本上解決塑料消費(fèi)后造成的環(huán)境污染問(wèn)題。另一類(lèi),聚乳酸與非生物降解高分子如聚氨酯、聚苯乙烯[、聚異戊二醇接枝聚乙酸乙烯酯共聚物橡膠、對(duì)乙烯基苯酚(PVPh)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMa)[30]、聚丙烯酸甲酯(PMa)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)組成部分生物降解共混體系,這類(lèi)體系不能從根本上解決環(huán)境污染問(wèn)題。

2.4 復(fù)合改性

將聚乳酸與其它材料復(fù)合旨在解決聚乳酸的脆性問(wèn)題,達(dá)到增強(qiáng)的目的,使其能滿足于作為骨折內(nèi)固定材料的用途。目前可以分為以下幾種復(fù)合體系:

2.4.1聚乳酸與纖維復(fù)合將聚乳酸基體與聚乳酸纖維通過(guò)纖維集束模壓成型得到聚乳酸自增強(qiáng)材料;用碳纖維增強(qiáng)PLLa復(fù)合材料,其初始彎曲強(qiáng)度高達(dá)412MPa,模量達(dá)124GPa,具有相當(dāng)?shù)某休d能力;Oksman等用天然亞麻纖維增強(qiáng)PLa,與傳統(tǒng)用聚丙烯P亞麻復(fù)合材料相比,其制備方法類(lèi)似,但復(fù)合物強(qiáng)度大大優(yōu)于PPP亞麻復(fù)合材料;石宗利等先制得可任意調(diào)控降解速率且具有良好力學(xué)性能、相容性能和毒理學(xué)性能的聚磷酸鈣(CalciumPolyphosphateCPP)纖維,然后以該纖維為增強(qiáng)材料研制出CPPPPLLa軟骨組織工程三維連通微孔支架復(fù)合材料。上海交通大學(xué)孫康等研制了改性甲殼素纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料,其中?；男钥捎行Ц纳萍讱に匮苌锏娜芙庑院腿廴谛?復(fù)合材料界面結(jié)合好,降低了PLa的降解速度,并使其具有更好的強(qiáng)度保持性,可更好地滿足骨折內(nèi)固定材料的應(yīng)用。

2.4.2聚乳酸與羥基磷灰石復(fù)合羥基磷灰石(HaP)是人體骨骼的基本成分,與膠原蛋白和細(xì)胞緊密結(jié)合,連接軟硬組織,并引導(dǎo)骨的生長(zhǎng),但制成的多孔

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