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生物可分解性高分子聚合物包材

十二月 4, 2009

PLA是Poly Lactic Acid的縮寫,為聚乳酸的英文名稱縮寫,學名為Poly Lactide。乳酸(Lactic acid)是1850年美國Sdude首次從酸奶中發現的,又叫α-羥基丙酸,分子式為CH3CHOHCOOH,它存在於酸牛奶和血液中。肌肉運動,也會產生乳酸。乳酸有三種結構形式,即兩種旋光異構型-L型、D型和一種無光學活性結構-DL型、即外消旋型結構。
由於人類文明的進步,與大量使用石化工業塑膠產品,在自然界中,遺棄了很多不能自然分解的塑膠製品,是人類在工業化之後,遇到的最嚴重的環境污染之一。過去的50年中,石油塑膠和各種高分子聚合物,在包裝上的應用增長是驚人的,現今全世界塑膠消耗量已經超過每年1.6億噸,價值1500億美元的各種塑膠相關材料。其中有35%使用於包裝材,這些包材廢料的處理,造成了環境的巨大衝擊。因此,對於塑料的回收機制與可分解塑膠的研究,也越來越重要。
聚乳酸(PLA)並非一種新的塑膠材料,早在1932年美國杜邦(DuPont)公司的科學家Wallace Caruthers,就已經能在真空中,將乳酸進行聚合化,產生低分子量的聚合物。但是,由於生產成本過高,直到1987年Cargill公司,開始投資研發新的聚乳酸製程,Cargill隨後於2001年與Dow化學公司,合資成立Nature-Works LLC公司,進行商業化量產名為“ECODEAR”的聚乳酸商品。
聚乳酸是以有機酸乳酸為原料,生産的聚酯材料,某些性能優於現有的石化塑膠:聚乙烯、聚丙烯 、聚苯乙烯等材料,被産業界定為新世紀最有發展前途的新型包裝材料,是環保包裝材料的一顆明星。未來將有希望取代聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料,用於塑膠製品,應用前景廣闊。它的原料主要是來自植物,而非倚賴有限的石油資源,因此,具有永續發展的特點。更值得指出的是,PLA可以在土壤中被微生物分解成二氧化碳carbon dioxide和水,沒有環境汙染。在未來十年內,PLA將逐漸取代性質相近之塑膠如PET、PS,成為最有前途的聚合分子原料。
PLA(聚乳酸)是一種生物可分解、可堆肥的材質。從植物纖維或澱粉中的葡萄糖分子,醱酵成乳酸,經聚合成為聚乳酸。常用的植物纖維來源以玉米、小麥為主。PLA是完全由植物中分離出的澱粉,經過發酵、去水及聚合等過程製造而成。PLA早期是開發在醫學上使用,手術縫合線及骨釘等。是一種新的多用途可分解的高分子聚合物,是由百分之百可再生資源:如玉米、甜菜或米等植物性澱粉成分所製成。
PLA在適合的天然環境下,幾個月內,即可完全分解為二氧化碳及水。經初步測試,PLA製成的托盤保溫及緩衝效果不及保麗龍,且強度不足,較易刮破。美國食品藥物 管理局公告食物接觸材質的目錄中,已包含聚乳酸聚合體,該材質在攝氏六十五度以下可盛裝食物。我國衛生署並未針對PLA訂定食品安全標準。
聚乳酸的優點主要有以下幾方面:
1.    生物可分解性良好。聚乳酸使用後,能被自然界中微生物完全分解,最終生成二氧化碳和水,不污染環境,對保護環境非常有利。
2.    加工性及物理性良好。聚乳酸適用於吹塑、熱塑等各種加工方法,加工方便,應用十分廣泛。可用於加工從工業到民用的各種塑膠製品、包 裝食品、速食飯盒、不織布、工業及民用布。進而加工成農用織物、保健織物、抹布、衛生用品、室外防紫外線織物、帳篷布、地墊面等等,市場前景十分看好。
3.    產品相容性良好。聚乳酸在醫藥領域應用也非常廣泛,如可生産一次性輸液用具、免拆型手術縫合線等,低分子聚乳酸作藥物緩釋包裝劑等。
聚乳酸生産是以乳酸為原料,傳統的乳酸發酵大多用澱粉質原料,目前美、法、日等國家已開發利用農副產品為原料發酵生産乳酸,進而生産聚乳酸。美國LLC公司生産聚乳酸技術為:玉米澱粉經水解為葡萄糖,再用乳酸桿菌厭氧發酵,發酵過程用液鹼中和生成乳酸,發酵液經淨化後,用電透析技術,製成純度達99.5%的L-乳酸。
由乳酸制PLA生産技術有:
1.    直接縮聚法,在真空下使用溶劑使脫水縮聚。
2.    非溶劑法,使乳酸生成環狀二聚體丙交酯,再開環縮聚成PLA。聚乳酸分子聚合反應。
美國一家研究所,成功研製把製造乳酪後的廢棄乳清液,轉化為葡萄糖糖漿,再用細菌發酵成含乳酸酵液,經電透析分離、加熱使水分蒸發,得到可制薄膜與塗層的聚乳酸,可作保鮮袋及代替有聚乙烯和防水蠟的包裝材料。
法國埃爾斯坦糖廠與一所大學研製出,利用甜菜為原料,先分解成單糖,發酵生産乳酸,再用化學方法將乳酸聚合為聚乳酸,也可利用工業制糖工序的下腳料品糖液來生産聚乳酸,生産成本大幅度下降。
日本鍾紡公司以玉米為原料,發酵生産聚乳酸,利用聚乳酸製成生物降解性發泡材料。其過程是在聚乳酸中混入一種特殊添加劑,對其分子結構進行控制,使之變為易發泡的微粒,再加入用碳水化合物製成有機化合物發泡劑,在成型機中成型、經高壓水蒸氣加熱成發泡材料。該材料的強度壓縮應力、緩衝性、耐藥 性等與聚苯乙烯塑膠相同,經焚燒後不會污染環境,還可當作肥料。
商業化生產的PLA,是以含大量澱粉的作物,如玉米,做原料。收割後的玉米被送到玉米廠中,將澱粉從玉米胚乳分離出來,經酵素水解變成葡萄糖。葡萄糖在中性的環境下,被發酵成乳酸。乳酸在溫和條件及無溶劑下移除水分,以生產出低分子量之預聚合物。這個預聚合物,再經催化減聚合作用後,形成環型中間二聚物,稱之為脫水乳酸。可經由控制脫水乳酸的純度,可生產出範圍較廣的分子量。脫水乳酸,再以蒸餾純化方式純化至聚合物等級。純化後的脫水乳酸,進行無溶劑之開環聚合後,再進而加工製成塑膠粒,以便成為聚乳酸原料粒。
PLA的原料主要為玉米等天然原料,不同於一般石化產品,故降低了對石油此有限資源的依賴,同時也間接降低了原油煉油等製程中所排放的氮氧化物及硫氧化物等污染氣體之排放。
PLA本身可在自然分解成為二氧化碳及水;降低了有別於石化產品製程中CO2排放量;以及固體廢棄物量。目前產品應用範圍有:熱成形如冷飲杯盤,雙軸延伸薄膜如糖果、花束包材、瓶子、衣物纖維、農業生態覆膜,以及家庭裝飾用布:如沙發、窗簾、寢具,填充物如枕頭、棉被、發泡物、高淨度溶劑;適合的加工方式有:真空成型、射出成型、吹瓶、透明膜、貼合膜、保鮮膜、紙淋膜等。
因地球溫室效應等問題,輿論對減少排放 二氧化碳和形成循環型社會高度關注。包括聚乳酸的生物分解樹脂,在1990年開始受到矚目。聚乳酸的原料是植物,能藉由光合作用吸收空氣中的二氧化碳而成長,而且能持續再生。使用過後即使燃燒,也不會增加二氧化碳的總量,這種觀念被稱為「碳中和」。京都協議書,也不把聚乳酸分解或燃燒產生的二氧化碳計入排放量中。日本生物分解塑膠研究會預估,2010年日本聚乳酸需求會達到9萬公噸。消費者減少使用石化產品,加上削減二氧化碳排放量是大勢所趨,聚乳酸的用途可望進一步擴大。
聚乳酸,具有最良好的抗拉強度以及延展度,適用於各種普通塑膠的加工方式,和其他生物可分解塑膠相比,聚乳酸薄膜擁有良好的光澤性和透明度,外觀和利用聚苯乙烯所製的薄膜相當。聚乳酸薄膜除了有生物可分解塑膠的基本的特性外,在使用過程中,產品表面可形成弱酸性環境,具有抑菌作用,此外,聚乳酸薄膜,具有良好的透氣性,同時還能隔 離氣味,而且聚乳酸來源於玉米,對人體無毒無害。因此,特別適合作為食品包裝等涉及人體健康的材料領域。目前聚乳酸已經可研製的薄膜,有雙向拉伸薄膜,流延薄膜和收縮薄膜;產品包括超市包裝袋、糖果包裝、印刷複合加工膜,帶視窗的信封用薄膜,卡片用膜、片等。超市常用的聚乳酸塑膠包裝袋,已經在歐洲的部分國家得到了應用推廣。
經過多年來的發展,聚乳酸在熱塑方面的應用,也已經日漸成熟,目前市面上出現的聚乳酸熱塑類產品豐富多樣。從使用次數分,可分為一次性產品、可多次重複使用產品 以及經久耐用甚至具有是高衝擊強度的耐用品,如一次性水杯、餐具、塑膠瓶、瓶蓋、多次使用的水杯、餐具、塑膠玩具、筆記本電腦等電器的外殼、汽車飾件等等。根據統計,市面上的熱塑類塑膠產品,60%以上,可以被聚乳酸產品所替代。雖然目前聚乳酸的生產成本,要高於普通塑膠,但隨著產業技術的發展以及生產規模的擴大,必將可以使生產成本下降,以適應市場需求。對人體無毒無害的聚乳酸,也必將取代破壞地球環保生態,以及潛在含有致癌物質的石化聚合分子塑膠產品。

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