什么是聚丙交酯（PLA）？

PLA或聚丙交酯（也称为聚乳酸，乳酸聚合物）是一种基于乳酸的通用商业可生物降解热塑性塑料。乳酸单体可以由100％可再生资源生产，例如玉米和甜菜。

聚丙交酯具有优异的性能，因此能够代替传统的石油基热塑性塑料。
它是当今使用的最有前途的生物聚合物之一，具有广泛的应用，例如医疗保健和医疗行业，包装，汽车应用等
。与其他生物聚合物相比，PLA具有以下优点：

1. 环保 –可再生资源，可生物降解，可回收和可堆肥
2. 生物相容性 -无毒
3. 可加工性 –与聚（羟基链烷酸酯）（PHA），聚（乙二醇）（PEG）和聚（γ-己内酯）（PCL）相比，它具有更好的热加工性

聚丙交酯在降解过程中分解为无毒产品，具有生物可降解性和生物相容性，从而减少了塑料废物的数量。

什么是乳酸以及PLA的制造方式？

乳酸（LA或2-羟基丙酸）是最广泛使用的羟基羧酸旋光酸。该手性分子以两种对映体形式存在-L-和D-乳酸。
聚丙交酯是基于从糖，甜菜糖，蔗糖等的发酵中获得的乳酸单体，所述糖是从可再生资源如甘蔗或玉米淀粉获得的。
PLA具有立体异构体，例如：

• 聚（L-丙交酯）（PLLA）
• 聚（D-丙交酯）（PDLA），和
• 聚（DL-丙交酯）（PDLLA）

聚乳酸是一种脂肪族聚酯，可以通过不同的途径获得：

• 直接缩聚反应
  通常会生成低分子量的聚合物，然后可以通过添加链偶联剂将其转化为较高分子量的聚合物。


• 开环聚合 
  PLA是通过首先形成丙交酯单体而生成的，然后通常使用金属醇盐作为催化剂，将形成的丙交酯通过ROP处理，从而生成高分子量聚酯– PLA。


• 将共沸脱水缩合
  有机溶剂引入反应混合物中以易于除去水，从而产生较高分子量的产物。

当前前两种方法是工业生产中最常用的技术。由于低时间消耗和高分子量的最终产物，ROP目前是工业PLA生产的首选工艺，尽管它仍必须使用高温和低压来实现，但ROP可能是生产PLA的最常用和可行的方法。最终产品。
然而，诸如使用微波辐射和超声声化学的聚合之类的新方法可以导致PLA的生产更快，更便宜。

聚乳酸的典型特性

PLA是一种生物基，可生物降解且具有生物相容性的聚合物，已被证明是石油基聚合物的有前途的替代品。

• 它的性能与目前广泛使用的聚合物（如PET，PVC等）相当。 
• 在要求更高的应用中，高性能等级是PS（聚苯乙烯），PP（聚丙烯）和ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）的极佳替代品。

但是，在过去的一年中，与以石油为基础的同行相比，PLA的高生产成本限制了其商业可行性。
如今，通过优化LA和PLA生产工艺以及增加PLA需求，可以降低其价格。
大多数商业化的L-PLA产品是具有高熔点ca的半结晶聚合物。180°C且其玻璃化转变温度在55 – 60°C的范围内，因为PLA最好具有一定的结晶含量，以提高最终产品的质量。

• PLA是具有良好外观的高强度高模量热塑性塑料
• 它具有很高的刚度和强度，在室温下可与聚苯乙烯（PS）相媲美
• 与其他塑料相比，其生产所需的能源更少，并且具有更好的热处理

复合材料，纳米复合材料和生物复合材料的 进一步发展正在扩大PLA的性能和潜在应用。
但是，聚合物仍然存在一些缺点：

• 玻璃化温度低（Tg〜55°C）
• 与其他热塑性塑料（如ABS）相比，其延展性差，冲击强度和脆性低限制了其使用
• 结晶速率低，加工结果主要在非晶产品中
• 与PET（芳香族聚酯）相比，PLA更容易受到化学和生物水解的影响
• 它是热不稳定的，并且气体阻隔性能差
• 它的柔韧性低，需要较长的模具周期
• 相对疏水
• 降解速度慢

PLA性能改善

可通过使用添加剂和开发聚合物共混物来改变或改善PLA的性能。以下是一些示例：增
塑：丙交酯单体是PLA的优良增塑剂，但它倾向于迁移到PLA表面。其他增塑剂（例如柠檬酸酯和低分子量PEG）仅显示出适度的韧性改善，但这伴随着断裂时的拉伸应力和拉伸模量的巨大损失。含量为30％的
矿物填料（如ppt CaCO 3）可显着提高PLA 的冲击韧性。还发现
抗冲改性剂可提高PLA的性能，但是添加抗冲改性剂会损害PLA的可堆肥性。
聚合物共混物： PLA / PCL共混物聚己内酯（PCL）也是一种可降解的聚酯，由于其低Tg表现出橡胶特性，断裂伸长率约为600％，这使其成为增韧聚丙交酯的理想选择。
PLA与PHA的共混物已显示出冲击韧性的显着改善，模量和强度略有下降，并且不影响PLA的生物基含量和可堆肥性。PLA纳米复合材料
的发展使用纳米级圆角代表了传统复合材料的更好替代方案。由于它们的高表面积，改进的基质附着力和长宽比，这些纳米填料（胶体二氧化硅，粘土薄片等）相对于传统的大颗粒或微粒（例如滑石粉，玻璃和碳纤维）具有巨大的优势。例如，PLA-粘土纳米复合材料显示出改善的机械，阻挡光学和热性能。

聚乳酸的流行应用

食品接触批准的包装聚合物

PLA是食品和药物管理局（FDA）批准的用于食品接触材料的聚合物。它可以用作食品包装聚合物，用于水果和蔬菜等保质期短的产品。
聚丙交酯的常见包装应用包括容器，水杯，圣代冰淇淋和色拉杯，外包装和泡罩包装

在医疗保健和医疗行业中具有极高生物相容性的塑料

由于其生物相容性和生物可降解性，医疗保健和医疗行业正在充分利用聚丙交酯来制造组织工程支架，输送系统材料，或覆盖膜和不同的生物可吸收医疗植入物。
由于其多功能性，已经对PLA进行了膜应用（例如伤口覆盖物），植入物和医疗设备（固定棒，板，销，螺钉，缝合线等）和皮肤病学治疗（例如面部脂肪萎缩和疤痕嫩化）的研究。

聚丙交酯在结构应用中的使用越来越多

生物基PLA和PLA基复合材料在高端汽车以及电气和电子应用中相对较新。这些复合材料显示出更好的拉伸强度和冲击特性，因此可用于汽车或安全帽的内部零件。
改进的材料性能使PLA可以用于地板垫，柱子罩，门饰板，前面板和天花板材料。PLA生物复合材料被建议用于混合动力概念车的备胎或半透明车顶。

但是，仍有某些功能限制了PLA在其他结构应用中的商业化。 

PLA制成的纤维和织物

由于其低吸湿性，低发烟能力以及良好的耐紫外线性， PLA还适用于纺织纤维应用，例如衬衫，地毯，床上用品，床垫，运动服等。
该聚合物还具有覆盖膜和可堆肥的花园垃圾袋，结构性保护泡沫，隔热材料等方面的潜力。

PLA牌号的加工方法和条件

通过传统的加工技术，例如注塑，薄膜挤出，吹塑，热成型，纤维纺丝等，可以像其他热塑性塑料一样轻松加工PLA，以生产模制件，薄膜或纤维。

通过注塑进行PLA加工的要求

使用大多数标准干燥系统可以成功地干燥PLA树脂。基于标准干燥剂的柱式干燥机的建议条件为：

• 建议在45°C至90°C的温度下预干燥2至4小时。
• 水分含量低于250 ppm将有助于在高温下保持熔体粘度随时间稳定。
• 典型的干燥剂干燥机再生温度超过PLA树脂的熔点。
• 为防止颗粒桥接，粘连或熔化的问题，应检查干燥系统，以确保在操作以及再生循环期间对温度的控制足够，因为在许多系统中阀门泄漏都很常见。

着色剂和增滑剂可以在PLA中以15-30重量％的母料形式添加，方法是与所需量的纯树脂干混，然后将其添加到注塑机中。着色剂的添加也已经使用液体注射技术成功完成。

聚乳酸注塑级与热流道系统兼容。注塑成型的典型条件是：

• 适配器温度：185-200°C
• 露点：（-）40-（-）35°C
• 模具温度：185-200°C
• 干燥温度：45-100°C
• 进料温度：165-185°C
• 熔体温度：154.4-243.3°C
• 模具温度：10-105°C
• 喷嘴温度：171.1-220°C
• 背压：0.345-1.724 MPa
• 注射压力：55.16-137.9 MPa
• 水分含量：0.01-0.025％
• 螺杆转速：20-200 rpm
• 干燥空气流量：14.16 l / pm

如果注射速度太低和/或模具温度太低，丙交酯会随时间推移而析出。
另一个需要注意的是，PLA的剪切变薄比PS，PE和PP等树脂要慢且程度要小。因此，特别是对于像水杯这样的薄壁产品而言，模具的填充是一个问题。我的实验可能会克服这个问题，并找到填充零件所需的正确熔体温度和注射速度。
通常，必须提高熔体温度，这可能会对零件在模具中的冷却时间产生不利影响。

聚乳酸纤维熔体纺丝级加工

聚丙交酯纤维熔体纺丝等级旨在使用常规的纤维纺丝和拉伸设备挤出成机械拉伸的短纤维。它们可以在皮芯结构中用作低熔点粘合剂聚合物。

• 建议使用L / D比例为24：1至30：1和3：1压缩比的通用螺钉。 
• 典型的熔体纺丝温度为220-240°C。 
• 为防止粘度下降和潜在的性能损失，建议的水分含量<0.005％（50 ppm）。 
• 典型的干燥条件是在40°C-50°C下8到12小时。

像PET一样，聚丙交酯纤维熔体纺丝牌号需要高丝速或拉丝以及受控的热定型以控制收缩率。
在线干燥功能对于加工PLA注射拉伸吹塑等级至关重要。

聚乳酸热封层加工

可与其他PLA树脂共挤出形成用于双轴取向PLA膜的密封剂层。

• 加工前的干燥至关重要。需要在线干燥。 
  • 建议水分含量小于0.025％（250 ppm），以防止粘度降低。 
  • 典型的干燥条件是在11°F（45°C）下4小时。
• PLA聚合物将在常规挤出机上加工。配置通用螺丝
  • L / D比从24：1到30：1 
  • 压缩比为2：1至3：1。
• 熔体温度：210°C
• 进料段：180°C
• 压缩段：190°C
• 计量部分：200°C
• 模具：190°C

通过进料区的螺杆冷却功能对于防止树脂粘附到螺杆根部很有必要。建议使用光滑的桶。该等级仅适合用作共挤工艺中的热封层。不建议将聚丙交酯加工为单层膜。

聚乳酸高温薄膜的加工要求

聚乳酸挤出级可以在最高150°C（300°F）的条件下转变成双轴取向膜。

• 使用大多数标准干燥系统可以成功地干燥PLA树脂。需要在线干燥： 
  • 建议在80°C（175°F）下预干燥4小时。 
  • 水分含量低于250 ppm（0.025％）有助于在高温下保持熔体粘度随时间稳定。
• PLA聚合物将在常规挤出机上加工。使用以下方法配置通用螺钉：
  • L / D比从24：1到30：1 
  • 压缩比为2.5：1至3：1。
• 熔体温度：200°C-220°C
• 进料段：180°C
• 压缩段：190°C
• 计量部分：200°C
• 模具：200°C

PLA树脂也将在常规浇铸拉幅机设备上加工。

聚乳酸纺粘加工

聚乳酸纺粘等级是在常规纺粘设备上进行的。 

• 建议使用L / D比例为24：1至30：1和3：1压缩比的通用螺钉。
• 典型的熔融纺丝温度为220-240℃。像PET一样，PLA纺粘级产品需要高丝速或拉丝以及受控的热定型以控制收缩。
• 在线干燥功能对于加工PLA注射拉伸吹塑等级至关重要。 
• 为防止粘度下降和潜在的性能损失，建议的水分含量<0.005％（50 ppm）。 
• 典型的干燥条件是在80°C下4小时。 

用于3D打印的PLA细丝

根据计算机设计，使用PLA灯丝进行3D打印是生产复杂生物医学设备的一种有前途的方法。这一过程利用特定于患者的解剖数据以及广泛的工业和建筑应用开启了新的发展。
人们发现，主要通过使用直接或间接3D打印和熔融沉积建模技术，PLA打印对于此类应用程序是可行的。