玉米除了吃，還能幹什麼？——聚乳酸淺談

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瀟湘笛/文

玉米是我國的主要糧食作物之一，在人們的印象中，玉米主要用來食用、做飼料和榨油。然而，玉米還有一個重要用途卻鮮為人知，那就是用來製造一種生物降解塑料——聚乳酸，由食物「變身」為工業用品。

聚乳酸（Polylatic

acid),簡稱PLA，也稱為聚丙交酯。是以玉米、小麥、木薯等富含澱粉的農作物為原料，經過現代生物技術合成乳酸，再經過特殊的聚合反應過程生成的高分子材料，屬於熱塑性直鏈脂肪族聚酯。通常所講的玉米塑料就是由玉米製得的聚乳酸，玉米纖維就是玉米製得的聚乳酸纖維。

聚乳酸是生物降解塑料的一種，其他還有聚羥基烷酸酯（PHA）、聚丁二酸酯(PBS)、聚己內酯（PCL）、聚乙烯醇（PVA）、二氧化碳聚合物等。但聚乳酸是首個大規模工業化的生物基和生物降解塑料，有著廣闊的發展潛力。

聚乳酸的發展歷史

乳酸又稱2-羥基丙酸，於1780年由瑞典科學家Scheele在酸奶中首次發現。1845年，Pelouze

使乳酸在高溫下反應，首次得到乳酸的線性二聚體——乳醯乳酸。1932年,杜邦公司Carothers等首次發現在高溫和真空條件下聚乳酸可以很快地聚合，得到高聚合度的聚乳酸。到20世紀60年代，科研人員開始研究聚乳酸在生物醫學方面的應用，如手術縫合線、外科移植材料等。1986年Battelle公司和杜邦公司分別研究聚乳酸在日用塑料製品的應用技術。1989年日本鍾紡和島津聯合開發了聚乳酸纖維。1991年美國卡吉爾（Cargill）公司以玉米為原料然後在真空條件下採用溶劑脫水技發酵生產乳酸，然後生產高分子量的聚乳酸。1997年，美國陶氏化學與Cargill合作成立的CargillDowPolymers（簡稱CDP公司，後更名為NatureWorks公司），開始商品化生產聚乳酸，並於2001年建設了世界最大的聚乳酸生產工廠，原料主要是玉米澱粉。如今，世界許多國家均大力支持聚乳酸的研究和開發，力爭搶佔生物產業和市場的先機。

聚乳酸的特點

傳統的塑料是以石油加工產物為原料生產而得，石油資源儲量有限，且製得的產品難以分解，廢棄後容易造成環境污染。相比傳統的塑料，聚乳酸具有以下優點：

（1）聚乳酸原料來源十分豐富，玉米、木薯、高粱等都可以生產聚乳酸，而這些農作物均可人工大面積種植，此外秸稈、稻草等農作物或植物根莖葉也可以作為原料。

（2）聚乳酸還具有良好的生物相容性和生物可降解性。聚乳酸具有生物活性，降解產物可被生物體吸收，是理想的生物醫用材料。聚乳酸埋在土壤中在大自然微生物的作用下6-12個月就可以發生降解，變成乳酸最終成為二氧化碳和水，可謂真正的環境友好材料。

（3）聚乳酸也具有優異的抗菌性能，是唯一具有優良抑菌及抗霉特性的生物降解塑料。焚燒時不會釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體，安全性強。

（4）聚乳酸塑料還有良好的機械性能，透明性，透氣透氧性，可直接採用通用塑料設備進行擠出、注射、拉伸、紡絲、吹塑等加工成型，如製成的纖維物理性能接近錦綸和滌綸，透氣性和手感卻好於滌綸。

（5）聚乳酸的生產能耗只相當於傳統石化產品的20%~50%，產生的二氧化碳氣體則只為50%。

但是，聚乳酸也存在一些缺陷，如含大量酯基親水性差，基體分子量低與分子量分布過寬導致部分物理性能較差，如熱變形溫度低、韌性與抗衝擊性能低，降解周期不可控制、價格昂貴等，這些都限制了聚乳酸的應用，需要在生產過程中進行一定的改性予以改善。

聚乳酸生產方式

生產聚乳酸得先製得乳酸，通常有三個來源：含糖的生物質材料提取澱粉再糖化發酵，家庭垃圾中的糖類發酵，以農作物或植物根莖葉等廢棄生物質材料為原料提取纖維素再糖化和發酵。

有了乳酸則主要以兩種方法生產聚乳酸。一是乳酸直接縮聚法。在脫水劑的作用下，乳酸分子之間的羥基和羧基自發進行縮合脫水反應，直接生成聚乳酸。此方法生產成本低廉，生產流程簡單，生產成本較低。但反應中副產物難以除去抑制了反應的進行，難以得到高分子量的聚合物。

二是丙交酯開環聚合法，也稱二步法。使乳酸分子先聚合成丙交酯，再進一步縮聚成聚乳酸，是目前工業上大規模生產高分子量聚乳酸最普遍的方法。此方法需進行丙交酯的純化，工藝流程相對複雜、成本較高、路線較長，可得到分子量達106~107級的聚乳酸。

典型的二步法生產聚乳酸工藝流程示意圖

此外，還有熔融聚合法、乳酸固相聚合法以及乳酸與其他材料共聚等方法，不一一贅述。

聚乳酸的應用

自聚乳酸被人類開發以來，最初是用於製作纖維，用在醫療器械上，如製作手術縫合線，後來逐漸用於製造日用品以及工業用品。如今聚乳酸已被廣泛用於農用地膜、塑料型材、薄膜、包裝材料、食品容器、一次性消費品、服裝、紡織品、衛生用品、醫療器械等。其中應用最廣也最有潛力的就是包裝材料。2005

年 11

月全球零售巨頭沃爾瑪將所有產品包裝改換成聚乳酸（PLA）塑料製品。此外，麥當勞、可口可樂、達能等跨國企業也已開始使用聚乳酸製成的消耗品或包裝材料。國內受產品成本制約聚乳酸製品還沒有大規模推廣使用。

經過改性或共混的聚乳酸複合材料，具有更為優異的物理性能，是較為理想的新型環保合成材料，也被用於製造電腦部件、手機零部件、光碟及家電零部件、汽車零部件等。如日本NEC、富士通等公司製造了以聚乳酸為主材料的電腦外殼。日本東麗和豐田公司合作生產了聚乳酸汽車備用胎外套和地墊。近期上海有一個互聯網汽車項目其電動車車身就是聚乳酸材料製成。隨著3D列印技術發展，聚乳酸作為一種兼具性能及環保要求的3D列印材料倍受關注，被用於3D列印醫療器械產品、玩具乃至汽車零部件。隨著研究深入，聚乳酸將來還有望在更多領域取代現有的材料，得到更廣泛的應用。

聚乳酸餐具

聚乳酸發展展望

聚乳酸生產主要集中在美國、中國、德國和日本等國家。世界最大的聚乳酸公司就是美國的NatrueWorks，2001年建廠，是目前全球聚乳酸年產量唯一達到15萬噸的企業，還籌劃在東南亞建7萬噸的分廠。德國的Inventa-Fischer公司、荷蘭的Synbra公司等也擁有千噸級的生產線。日本的UNTTKA公司、帝人、三井化學等公司也生產聚乳酸，不過產能多比較小。一些化工巨頭也計划進入這個新興市場，如道達爾和Corbion計劃在泰國新建一家年產能為7.5萬噸的聚乳酸工廠。

我國聚乳酸工業起步較晚，不過發展速度十分迅速。目前國內最大的聚乳酸企業是浙江正海，已形成年產1.5萬噸的生產能力，2015年底開始動工建設年產5萬噸聚乳酸產業鏈項目。上海同傑良、南通九鼎、光華偉業具有年產千噸級以上的生產能力。江蘇允友成5萬噸的聚乳酸項目已投產。恆天長江、同傑良、中糧集團、富士康、飄安集團等企業都在建或計劃建設年產萬噸級的聚乳酸項目，產業規模很快將會迎來大幅擴容。

據國際諮詢機構預測，未來全球聚乳酸市場將以年均18%的複合增長率增長，預計2020年，全球聚乳酸需求量將達到百萬噸以上，市場規模將形成千億級的產業。隨著石油資源的日益消耗以及傳統塑料導致的「白色污染」對環境造成的危害加深，以「綠色環保」為特色的聚乳酸正迎來極好的發展機遇。可以預見，將來會有越來越多的聚乳酸製品走進我們的日常生活，助力地球的可持續發展，造福子孫後代。