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神奇的聚乳酸纤维,21世纪极具前景的可生物降解材料

聚乳酸是一种可生物降解材料,是21世纪最有前景的纤维材料之一。聚乳酸(PLA)在自然界中并不存在,需要人工合成,原料乳酸由小麦、甜菜、木薯、玉米等农作物及有机肥料发酵制得。聚乳酸经过纺丝成型后可得到聚乳酸纤维,由于其原料以玉米居多,因此又被称为“玉米纤维”。

一、聚乳酸纤维的发展

乳酸最早是从酸奶里找到,后来科学家发现动物、人类的肌肉运动产生的酸就是乳酸。利用乳酸聚合制备成聚乳酸高分子材料,是美国杜邦公司Carothers(尼龙的发明人)首先在实验室发明制得的。

聚乳酸纤维的研发已有半个多世纪历史。美国Cyanamid公司于上世纪60年代研制出聚乳酸可吸收缝线。日本钟纺与岛津制作所于1989年合作开发出纯纺聚乳酸纤维(LactronTM)及其与天然纤维的混纺品种(Corn FiberTM),并在1998年长野冬运会上展出;日本尤尼吉卡公司于2000年开发出聚乳酸长丝与纺粘非织造布(TerramacTM)。美国Cargill Dow Polymers(CDP)公司(现NatureWorks)于2003年发布涵盖聚乳酸树脂、纤维、薄膜的系列产品(IngeoTM),并特许德国Trevira公司生产IngeoTM系列非织造布,用于汽车、家纺、卫生等领域。

我国也有多家单位开展了聚乳酸纤维的相关研发与产业化,例如马鞍山同杰良生物材料公司、恒天长江生物材料有限公司、安徽丰原集团、上海德福伦化纤有限公司等。

二、聚乳酸纤维的工艺与应用

目前主流的聚乳酸纤维均采用高光学纯度左旋聚乳酸(PLLA)为原料,利用其高结晶、高取向特性,通过不同的纺丝工艺(熔纺、湿法纺、干法纺、干湿纺、静电纺等)制备而成。其中,熔纺聚乳酸纤维(长丝、短纤)可用于服装、家纺等领域,生产设备和工艺接近于涤纶,具有良好的可纺性以及适中的性能。经过适当改性,聚乳酸纤维可获得较优的阻燃(自熄)和天然抑菌特性。但是,熔纺聚乳酸纤维在力学强度、高温尺寸稳定性、回弹及抗老化等方面仍有改进空间。

湿法纺、干法纺、干湿纺和静电纺聚乳酸纤维(膜)主要用于生物医用领域,代表性产品包括:高强可吸收缝线、药物载体、防粘连隔膜、人工皮肤、组织工程支架等。

随着医疗、卫材、过滤、装饰等领域对一次性非织造布的需求激增,聚乳酸非织造布也成为研发热点之一。

美国田纳西大学于上世纪90年代最先研究了聚乳酸纺粘和熔喷非织造布,日本钟纺随后开发出面向农业应用的聚乳酸纺粘非织造布,法国Fibreweb公司研发出聚乳酸纺粘、熔喷非织造布及多层复合结构(DeposaTM),其中,纺粘非织造布层主要提供力学支撑,熔喷非织造布层与纺粘非织造布层共同提供阻隔、吸附、过滤、保温等效能。

国内同济大学、上海同杰良生物材料有限公司、恒天长江生物材料有限公司等单位在非织造布用复合纤维以及非织造布产品开发方面,目前已成功开发了纺黏、水刺、热轧、热风等非织造布,应用于卫生巾、尿裤等一次性卫生用品,以及面膜、茶包、空气与水过滤材料等产品。

聚乳酸纤维以其天然来源、生物可降解环保性等优势,还在汽车内饰、香烟丝束等方面得到推广应用。

三、聚乳酸纤维的特点

聚乳酸纤维广受称道的优点之一为可生物降解或体内吸收。生物降解性能必须在标准堆肥条件下测定,降解产物为水和二氧化碳。常规聚乳酸纤维在正常使用或绝大多数自然环境中只发生缓慢水解甚至难以察觉,例如在自然土壤中掩埋1年也基本不发生降解,而在常温堆肥条件下1周左右即发生降解。

聚乳酸纤维在体内的降解吸收受其结晶度影响很大,模拟体外降解实验表明,高结晶度聚乳酸纤维经过5.3年仍基本保持形状和近80%的强度,可能需要40-50年才能降解完全。

四、聚乳酸纤维的创新拓展

作为研发生产了半个多世纪的化纤品种,聚乳酸纤维当前的实际用量仍不及涤纶的千分之一,成本因素固然居前,性能短板也不容忽视。通过改性扬长避短是发展聚乳酸纤维的必由之路。

我国是化纤生产和消费大国,近年来在改性聚乳酸纤维方面的研究处于领先地位。聚乳酸纤维既能与传统天然的“棉麻毛丝”混纺制成性能互补的机织、针织面料,也可与其他化学纤维如氨纶、PTT等混纺制成织物,体现了亲肤、透气、导湿等功效,已在内衣面料方面得到推广。

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