姜李中
（萧山区质量计量监测中心，浙江 杭州 311200）
由于当前中国社会经济快速发展，人们的生活水平日益提升，但工业生产和生活中引起的环境污染日益严重。因此，可再生资源、环境友好型原材料逐渐受到人们重视。在环境友好型建筑材料中，聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）高分子等环保建筑材料逐渐被重视起来。聚乳酸纤维具有制造费用低、来源广泛、无污染等优点，又名聚丙交酯和玉米纤维，是指先利用谷物、麦子、土豆等植物淀粉生产原料形成乳酸，再经过聚合物纺丝技术加工获得的化纤。由于这种化纤具有优异的生物化学降解性能、生态兼容性和吸收性，其面料也具备较好的悬垂式性能、吸湿透气性、耐晒性以及高光泽回弹性、低成型加工率等优势。目前，国外对聚乳酸纤维的研究和发展比较完善，如美国杜邦公司、日本的东丽等。由于国内外对聚乳酸的研发还处于起步阶段，深入研究聚乳酸纤维及其发展和应用很有必要。
在未来的数十年内，原油的匮乏越来越影响人们的日常生活，而基于石油的合成高分子材料也同样面临挑战。用可再生资源生产新材料成为中国高分子科学研究与工程技术发展的重要方向。美国早在20世纪90年代初就重视利用农作物资源开发新材料。1994年，美国国家农作物生长委员会（NCGA）开始资助从玉米淀粉发酵制取乳酸，然后合成PLA的研究。从1997年基于植物和农作物可再生资源的发展规划（Plant/Crop-Based Renewable Resources Vision）一直到获得美国能源部和NCGA的共同资助，能够利用更多的农产品制造原本以石油为原料制造的各类化学品，力求2030年该化学品的比例达10%、2050年达50%，这是美国能源部的发展战略，由此可以大大减少美国对石油的需求[1]。
由于合成材料废品污染环境，影响了人们的生活质量，采用可迅速降解的人工合成材料（环境友好材料）已成为人们最迫切的想法，PLA材料刚好能满足这种要求。
聚乳酸是一类集自然生物降解性、生态兼容性和自然生物可吸收性于一身的绿色热塑性聚酯，具备较好的热力学强度、弹性模量和热成型性能。因为其降解物质可进入人体内参与新陈代谢，被广泛应用于医学、药物、农产品等领域，被看作目前最具发展前景的可生物降解聚合物。聚乳酸在大自然中已不能生存，因此，必须采用人工合成的方式生产，主要原料乳酸也是利用小麦、木薯等淀粉原材料经乳酸菌后制备而成[2]。1780年，瑞士化学家Scheele首先在发酵的牛乳中成功析出乳酸，1881年后，美国开始乳酸的商品化制造。
聚乳酸玻璃纤维是一类新型的玻璃纤维，能够充分生物降解，具备优异的生态兼容性，可直接从粮食玉米中得到，也能从木薯、农作物垃圾中获得，是一类可继续开发的新型纤维，具备高度结晶性、多取向特性。聚乳酸纤维特有的优异特性，大大提高了其经济价值，相关制品具备良好的悬垂式稳定性、耐皱性和生物可降解性，基本不会对环境产生危害，适合生产各种高级服装产品，是一类新兴纺织面料，在中国纺织服装业中发展前景良好[3]。
形成PLA的单体乳酸中存在左旋（L）和右旋（D）两种旋光异配体，因此，乳酸的环状二聚体含有4个异配体：L-丙交酯、D-丙交酯、消旋（D，L）-丙交酯和非旋光性（meso）-丙交酯，而相应形成的聚乳酸则有左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）、外消旋聚乳酸（PDLLA）和meso-PLA等[4]。目前，PLA的生产大多采取直接缩聚法和开环聚合法。
3.1 直接缩聚法
直接缩聚法又分为水溶液缩聚法和熔融缩聚法。某学者采用了水溶液缩聚法生产了总分子量约为30万的PLA，在整个化学反应流程中得到的丙交酯和有机溶液经循环系统后仍持续参加化学反应，减少了聚乳酸的分解问题[5]。日本三菱化工有限公司等通过水溶液缩合的方式，完成了聚乳酸的产业化制备。Kimnra等公司通过二水合氯化锡和对甲苯磺酸的二元催化体系，经熔融缩聚法生产了总分子量高达50万的PLA。尽管直接缩聚法工艺简便，但因为系统中存在大量的化学元素，且乳酸的缩聚化学反应为可逆反应，所以很难获得高分子量PLA。
3.2 开环聚合法
开环聚合法常被用于大分子量、多立体规整性PLA的制备。1932年，Carothers公司首先提出了利用环状二聚体丙交酯开环聚合PLA的工艺，目前生产的PLA分子量已达70万~100万。
4.1 聚乳酸纤维的结构
聚乳酸玻璃纤维可通过溶液纺丝技术、熔体纺丝和静电纺丝等工艺技术制备，大多采用熔体纺丝技术。该纤维结构主要是圆柱体，其纵断面近似于零点五球形。当聚乳酸纤维在水、微生物和空气条件下处理时，横向断面的纵向表层上出现了许多无规律的斑纹和断断续续的线条，主要是因为聚乳酸纤维中大部分的非结晶组成部分在水、微生物和空气条件下得到了较高程度的溶解[6]。
4.2 聚乳酸纤维的性能特点
聚乳酸纤维资源丰富，且可循环使用。该纤维废弃后在自然环境中可被微生物分解为二氧化碳和水，降解处理后产品安全无毒，也不会对周围环境产生污染，然后在光合作用下，再利用小麦、玉米等粮食作物又重新变成小粉的起始原料—乳酸。这种循环产品既是制造聚乳酸的主要原料，又能借助光合作用减少大气中的二氧化碳。聚乳酸纤维是一类新型的生物降解物质，其使用也十分普遍。除此之外，由于聚乳酸可以在人体内进行酸或蛋白酶的溶解产生乳酸，而乳酸又作为细胞的主要代谢产物，可被机体中的酶进一步代谢而产生二氧化碳和水[7]。因此，聚乳酸纤维也具备较高的生物相容性。
聚乳酸是热塑性高分子物质，可塑性和物理加工特性均良好，同时具备优异的机械强度和柔韧性以及较高的加工温度等，能通过挤压、拉伸和吹塑等加工方式成形，因此，在现代塑料领域有着很广阔的使用前景。
在吸湿技术方面，聚乳酸因兼具自然玻璃纤维与人工合成玻璃纤维的性质，有优良的吸湿性能。有学者指出：由于棉化纤中的亲水基团大于聚乳酸化纤，但聚乳酸化纤中的亲水基团又大于聚酯纤维（PET）化纤，故聚乳酸化纤的吸湿性比PET化纤好，但较棉化纤弱[8]。
5.1 国外PLA纤维的发展状况及趋势
截至2013年，制造PLA的工厂有近20个，汇集于美国、德国、日本以及中国。美国NatureWorks集团目前仍是世界较大的PLA制造商，每年生产能力约为14万t。比利时Galactic集团和法国Total石化合资组建的Futerro企业，将通过loopla的发明专利科技直接将海洋生物聚乳酸废弃物转化成乳酸，进而完成由乳酸再变成乳酸的连续循环过程。该企业设在比利时埃斯卡纳夫勒的1500 t/日生物聚乳酸生产厂也在2010年开始运营，成为全球第一个海洋生物聚乳酸制造工厂。
另外，日本帝人也于2008年从丰田企业接受了年产1 000 t的聚乳酸厂（最初由岛津企业建造）。瑞士伍德集团和意大利Bio Plastics投资组建的Pyramid Technology企业打算在联邦德国建成年产6万t的聚乳酸制造厂，而Purac、Sulzer和Synbra企业则打算在欧盟建成年产5万t的聚乳酸制造厂。
PLA化纤早在20世纪50时代中期就已开始作为医用缝合线。目前，日本钟纺、尤尼契卡和可乐丽公司制造的PLA纤维产品分别是Lactron、Terramac和PLA starch，而美国杜邦公司、CargillDow、孟山都企公也在发展PLA化纤。
5.2 国内PLA纤维的发展现状
中国从2000年左右开始研究PLA生产工艺。聚乳酸纤维拥有与聚酯纤维相同的热结晶度和取向性，有优异的手感、悬垂的稳定性和回弹性、较好的卷曲性及稳定性，并有一定的自熄性，被广泛应用于服饰、家庭纺织品、农业用和生物医疗产品等方面。目前，中国的聚乳酸纤维产业总量已超过了1.5亿t/年。
2006年，杭州海正公司和中国科学院长春应化所联合建立了国内外第一条“两步法”中期试验生产线。目前，海正的聚乳酸生产能力为5 000 t/年，主要产品涵盖了树脂工艺、吹塑产品、无纺产品、挤压产品、注射产品以及薄膜产业等。2014年年底，海正诺尔的50 000 t聚乳酸产业链工程项目启动兴建，使聚乳酸产品的产量由5 000 t逐步增加至30 000~50 000 t。
河南省龙都生物科技有限公司20 000 t/年聚乳酸化纤工程，于2014年一期10 000 t聚乳酸化纤（长丝4 000 t/年，短纤6 000 t/年）工程建成投产。与此相关的年产50 000 t聚乳酸制备工程，由河南前沿新材料技术公司投入兴建。目前，正兴建一期的年产5 000 t丙交脂制备聚乳酸工程，已完成熔体直纺。
我国聚乳酸纤维产业发展目标如下：重点突破低成本L-乳酸发酵、高效分散、纯化和聚合等核心技术；
重点突破聚乳酸化纤熔体及直接纺生产制造技术、攻克聚乳酸化纤耐热和织物染色等核心技术；
主要攻克聚羟基丁酸戊酸共聚脂玻璃纤维（PHBV）/聚乳酸复合型玻璃纤维工业化生产与应用的技术，以提高聚乳酸玻璃纤维物理性能，并实现其在服饰、卫材等行业的大规模应用；
实现聚乳酸纤维的工业化，并在此基础上进一步开展聚乳酸纤维工业的节能减排，使其生产能力在2030年内达到20万t/年、节电20%、节水20%、降碳20%，再用近十几年的时间提高工业领域节能减排的标准，快速扩大工业规模，并争取在2040年内节电10%、节水20%、降碳30%，生产能力将超过100万t/年。
PLA纤维的触感优于以石油为原料的合成纤维，由其制成的织物有蚕丝般的质感和聚酯纤维织物的高抗皱性。PLA还具备卓越的耐紫外线性能、回弹力且耐磨，PLA可燃物质少，可燃烟气低、烟尘少，点燃后不会产生有毒气体。虽然如Lyocel一样易原纤化，在染色和后整理方面存在一些问题，但对非织造布来说却是一大优点，能赋予产品丝绒般的外观。
Cargill公司除了于1993年以EcoPLA的商标推广应用于挤压与注射成形的PLA聚合物之外，1997年，CargillDow公司成立时又推出了NatureWorksTMPLA作为PLA纤维的商标，一度被广泛采用。近期，CargillDow公司又注册了IngeoTMFiber作为PLA纤维的商标，Ingeo来自短语“ingredient from the earth”，意为来自地球的组分。除CargillDow公司外，还有不少企业也在开展PLA的研制和开发工作。加拿大的Tennese学院早在1993年就进行了PLA纺粘、熔喷非织造布的研究；
日本钟纺企业于1994年引进了LACTRONPLA纤维技术，并在1998年研制了将棉花、毛织物及其他天然纤维和LACTRON混纺的新型纺纱品种和非织造类产品；
法国的BBA公司注册了DeposaTM作为PLA熔喷和纺粘非织造产品的商标；
比利时的Galactic实验室也拥有PLA聚合物的生产技术，并对PLA的发展进行了评述，预测2008年，世界PLA产量可达39万t；
日本除钟纺、幸和外，还有多家公司如东洋纺、三岛等进行了PLA的研发；
近年来，东丽公司对PLA材料产业也有实质性的展开，已研发出PLA家用地毯。CargillDow公司在过去两年内加大了产品开发力度，与下游织物生产厂家密切合作，开发了不同规格的产品，如针织、机织和非织造等产品，在服装方面也进行了多元化设计，如户外运动服、休闲服和各种成衣，以满足市场的不同需求。参加PLA纤维后道开发的企业也在不断增加，包括一些知名企业，如DraperKniting、KaneboGohsen、PennNyla等，香港的FountainSet也于2003年与CargillDow公司签约，共同推进PLA在服装领域的应用。PLA非织造布可用于农业领域（园艺、种子培植、育秧、防霜等），在医学上可用于制作手术衣、口罩等，还可用于制作尿布、女性卫生巾等。
聚乳酸纤维具备合成纤维的所有优点，物理性能和力学性能都较高，而且是一类高结晶度、多取向型的纤维，同时具备较高的生物相容性、可降解性和可吸附性，对环境基本无污染，可广泛用于工业、农用、医药、食品加工等行业，对未来发展聚乳酸产业具有较高的商业价值和环保价值。但目前我国在聚乳酸产品开发领域还面临成本高昂、技术复杂的困难，因此，改善技术、降低成本才是聚乳酸领域的研发关键。综上所述，聚乳酸纤维作为目前的重点环保纤维之一，具有良好的开发前景。
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