聚乳酸(PLA)是一種生物基與生物可降解高分子材料，由淀粉發(fā)酵生成乳酸，然后通過聚合得到聚乳酸，使用后能完全降解為CO?和H?O。PLA具有無毒、降解產物可參與人體新陳代謝等優(yōu)點，在醫(yī)用領域得到廣泛使用。PLA的另一個優(yōu)點是生產過程能耗低、碳排放低?？梢姡琍LA的生產和使用既可以緩解嚴重的百色污染，又可以節(jié)省石油資源。

PLA是一種新型高分子材料，其化學結構式如圖2-1所示

圖2-1

PLA的生產的工藝流程是:從植物中提取淀粉，淀粉經酶分解得葡萄糖，乳酸菌發(fā)酵產生乳酸，化學合成得到PLA。PLA類廢品的回收綠色環(huán)保，經微生物、水、酸或堿的作用，可徹底分解成CO?和H?O，不會對環(huán)境造成污染。

PLA的結構單元是乳酸，乳酸單體于1780年首次被發(fā)現(xiàn)存在于牛奶中，又稱為a-羥基酸或 2-羥基丙酸，是一種具有手性碳的有機酸，通常表現(xiàn)為無色具有吸濕性的液體，根據(jù)光學活性可分為左旋乳酸(L-乳酸)和右旋乳酸(D-乳酸)，其結構式如圖2-2所示，L-乳酸、D-乳酸可形成消旋乳酸(DL乳酸)。其中D-乳酸存在于人體肌肉組織內，L-乳酸是哺乳動物的代謝產物。

圖2-2

聚乳酸的合成及方法

由于在自然界中并不存在天然的PLA，因此只能通過人工合成來獲得PLA。目前常用的合成PLA的方法主要有乳酸直接縮聚法、丙交酯開環(huán)聚合法、反應擠出聚合法、直接固相聚合法、溶液聚合法等。下面對乳酸直接縮聚法和丙交酯開環(huán)聚合法展開介紹。

直接縮聚法

乳酸的脫水縮合是最早用于制備PLA的簡單且行之有效的方法。乳酸分子中同時含有羧基與羥基，羧基與羥基都具有很高的反應活性，通過加熱，乳酸分子之間發(fā)生脫水縮合反應，可直接制備得到PLA。直接縮聚法具有原料來源廣、價格低廉、操作簡單、試劑用量少等特點，但所制得的聚合物相對分子質量偏低，不足以滿足成膜或紡絲的市場需求，應用價值不大，必須進一步提高聚合物的相對分子質量，才能開拓更加廣闊的市場，使其具有更加廣泛的用途?；谏鲜龊铣蒔LA的缺點，人們提出兩種方法對其進行改進；①熔融-固相縮聚法，以高純度乳酸單體作為反應原料，通過熔融聚合法制備出低相對分子質量的PLA，然后運用固相聚合方法，使相對分子質量較低的PLA的端基進一步發(fā)生反應使其擴鏈，從而大大提高了最終產物的相對分子質量;②擴鏈法，以乳酸單體為原料、先直接縮合合成相對分子質量較低的PLA，再在氨氣保護下加熱至熔融(溫度在200℃左右)并加入異氰酸酯擴鏈，相對分子質量可提高3~4倍。

丙交酯開環(huán)聚合法

使用乳酸直接脫水縮合制備PLA的方法時，由于在反應過程中，反應體系的黏度會逐漸增大，使反應產生的水很難分離，阻礙了反應向正方向進行，而導致反應得到的PLA相對分子質量偏低，不足以滿足市場需求。因此需采用更加可行的方法來提高PLA的相對分子質量，丙交酯開環(huán)聚合法可制得高相對分子質量的PLA。丙交酯開環(huán)聚合制備PLA的方法分為兩步:①乳酸在催化劑的作用下，脫水縮聚成二聚體--丙交酯;②丙交酯直接本體熔融聚合得到PLA。該方法在第一步中將體系中的水全部除去，第二步反應為本體反應，不產生任何阻礙反應進行的雜質，因此可得到高相對分子質量的PLA。丙交酯的光學異構結構如圖2-3所示。在一定條件下，無論是乳酸縮合還是丙交酯開環(huán)都可得到全規(guī)、間規(guī)、雜規(guī)及無規(guī)的 PLA。丙交酯開環(huán)聚合的機理可分為:陰離子型開環(huán)聚合、陽離子型開環(huán)聚合和配位型開環(huán)聚合。

圖2-3

綜上所述，雖然PLA的合成方法多種多樣，但要想得到相對分子質量大于10萬的高相對分子質量 PLA，丙交酯開環(huán)聚合是最行之有效且應用最為廣泛的合成方法。