聚DL-乳酸（英語(yǔ)：Polylactic acid，PLA），又稱聚丙交酯，屬于脂肪族聚酯家族，是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，具有優(yōu)良的生物降解性、生物相容性以及可加工性，廣泛應(yīng)用于包裝材料、汽車(chē)和飛機(jī)內(nèi)飾件、醫(yī)用材料等領(lǐng)域。聚乳酸的SPI標(biāo)識(shí)由美國(guó)塑料工業(yè)協(xié)會(huì)（Society of Plastics Industry，SPI）規(guī)定，數(shù)字標(biāo)識(shí)碼為"7"。
乳酸縮聚最早文獻(xiàn)記錄是1845年佩洛茲發(fā)表的。1932年，華萊士·卡羅瑟斯進(jìn)行了丙交酯聚合得到聚乳酸，該方法在1954年由杜邦獲得發(fā)明專(zhuān)利。20世紀(jì)70年代，聚乳酸作為生物醫(yī)用材料進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，嘉吉公司（Cargi）公司在L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合獲得有機(jī)高分子化合物量L-型立構(gòu)規(guī)整聚乳酸，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。聚乳酸分子式為（C3H4O2）n，為白色或淡黃色透明顆粒，熱穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)176℃，密度為1.25至1.28g/cm3，透光率為90%~95%，彈性模量為3000~4000MPa，拉伸強(qiáng)度為50~70MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為20~30J/m，斷裂伸長(zhǎng)率為4%~10%。
聚DL-乳酸是從玉蜀黍?qū)?/a>、馬鈴薯等發(fā)酵得到的乳酸制備而來(lái)，有立體和結(jié)晶兩種結(jié)構(gòu)，主要合成方法有直接縮聚和開(kāi)環(huán)聚合。典型聚乳酸產(chǎn)品有雙向拉伸聚乳酸薄膜、發(fā)泡聚乳酸。
發(fā)展歷史
乳酸縮聚最早文獻(xiàn)記錄是1845年佩洛茲發(fā)表的。1932年，華萊士·卡羅瑟斯進(jìn)行了丙交酯聚合得到聚乳酸，該方法在1954年由杜邦獲得發(fā)明專(zhuān)利。但到20世紀(jì)70年代，聚乳酸及其共聚物才作為生物醫(yī)用材料進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，嘉吉公司在L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合獲得有機(jī)高分子化合物量L-型立構(gòu)規(guī)整聚乳酸，基于此突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
主要性能
聚乳酸分子式為（C3H4O2）n，是一種不飽和聚酯，為白色或淡黃色透明顆粒，密度為1.25至1.28g/cm3，具有良好的光澤度和透明性，透光率為90%~95%。在火焰中熔融燃燒，火焰以紅色為主，邊緣呈藍(lán)色，燃燒平穩(wěn)火焰無(wú)跳動(dòng)，無(wú)黑煙，燃燒時(shí)有淡淡的香甜味；離開(kāi)火焰繼續(xù)燃燒，有黑色珠狀物滴下，殘留物呈黑色塊狀，很脆，用手易碾碎為粉末狀；對(duì)氣味和芳香類(lèi)物質(zhì)具有良好的阻隔性能。
力學(xué)性能
聚乳酸擁有較好的力學(xué)性能，彈性模量為3000~4000MPa，拉伸強(qiáng)度為40~60MPa，這是由于分子主鏈上缺乏CH2（—CH2—）這種柔性鏈段，在外加應(yīng)力作用下不容易產(chǎn)生變形，斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度相對(duì)而言較低；缺口沖擊強(qiáng)度為20~60J/m，斷裂伸長(zhǎng)率為4%~10%；有優(yōu)異的耐皺和耐卷曲性能。
熱性能
聚乳酸的臨界溫度隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增加而增大，熔點(diǎn)同樣與其相對(duì)分子質(zhì)量和光學(xué)純度有關(guān)，熔點(diǎn)為176℃。商品化聚乳酸的臨界溫度為55~60℃，熔點(diǎn)為176℃。當(dāng)溫度超過(guò)臨界溫度，低結(jié)品度聚乳酸的力學(xué)強(qiáng)度迅速下降，從硬而脆的塑料轉(zhuǎn)變?yōu)檐浂醯南鹉z態(tài)。常溫下聚乳酸受外力作用時(shí)易發(fā)生脆性斷裂。由于結(jié)晶速率慢，大多聚乳酸制品結(jié)晶度低，耐熱性不好，熱變形溫度在60℃左右。
化學(xué)性能
聚乳酸可溶于三氯甲烷、二氯甲烷、甲苯、四氫呋喃等常見(jiàn)極性溶劑，因此可以采用凝膠滲透色譜（GPC）測(cè)試聚乳酸的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布，受溶劑極性的影響，聚乳酸會(huì)形成線團(tuán)，使凝膠滲透色譜測(cè)試結(jié)果偏小，一般采用二氯甲烷作為聚乳酸分子量及分布的測(cè)試流動(dòng)相。常溫下聚乳酸性能穩(wěn)定，在溫度高于55℃的富氧條件或弱堿性條件下，微生物作用下聚乳酸自動(dòng)降解，最終生成二氧化碳和水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
加工性能
聚乳酸具有較好的加工性能，可以采用傳統(tǒng)的擠出、注塑、吹塑等加工方法。加工過(guò)程對(duì)水分含量及加工溫度尤其敏感。擠出加工時(shí)，一般要求水分含量要小于0.05%。聚乳酸屬于假塑性流體，加工過(guò)程中隨著溫度的升高，聚乳酸的黏度迅速下降，熔體強(qiáng)度下降。對(duì)于需要高熔體強(qiáng)度的加工如發(fā)泡、吹等成型過(guò)程需要注意。
主要結(jié)構(gòu)
立體結(jié)構(gòu)
DL-乳酸分子中有一個(gè)不對(duì)稱的碳原子，具有旋光性，因此聚乳酸也分為右旋聚乳酸（PDLA）、左旋聚乳酸（PLLA）、外消旋聚乳酸（PDLLA）、非旋光性聚乳酸（Meso-PLA）。提高立構(gòu)規(guī)整度可以增強(qiáng)聚乳酸產(chǎn)品的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)其降解時(shí)間。
結(jié)晶結(jié)構(gòu)
聚乳酸的酯基之間只有一個(gè)甲基碳原子，分子鏈呈螺旋結(jié)構(gòu)，分子鏈的活動(dòng)性非常低。因此，除了在薄膜和纖維成型加工中通過(guò)拉伸取向提高二次成核概率從而促進(jìn)聚乳酸結(jié)晶以外，單純的擠出成型、注塑成型和熱成型中，聚乳酸幾乎不結(jié)品。非晶玻璃態(tài)或結(jié)晶度較低的聚乳酸在使用過(guò)程中如受到高溫、拉伸或擠壓等周?chē)h(huán)境的影響，發(fā)生冷結(jié)晶現(xiàn)象。
合成方法
聚DL-乳酸是從玉蜀黍?qū)?/a>、馬鈴薯等發(fā)酵得到的乳酸制備而來(lái)，主要合成方法有直接縮聚和開(kāi)環(huán)聚合。
直接縮聚
直接縮聚法就是把乳酸單體進(jìn)行直接縮合聚合，也稱一步聚合法，主要包括熔融聚合法、溶液聚合法、熔融-固相聚合法。在脫水劑的存在下，乳酸分子中的羥基和羧基受熱脫水，直接縮聚合成低聚物。加入催化劑，繼續(xù)升溫，低相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸聚合成更高相對(duì)分子量的聚乳酸。
熔融聚合法
乳酸小分子在催化劑的作用下，經(jīng)縮聚反應(yīng)直接合成聚乳酸的方法稱為熔融聚合法。該方法成本低、成品率高、不需要分離物質(zhì)就能得到較純的產(chǎn)物，但是所得產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量不高，相對(duì)分子質(zhì)量多分散度較大。
溶液聚合法
溶液聚合法是指在反應(yīng)體系中加入有機(jī)溶劑，該溶劑能夠溶解聚乳酸，但不參與聚合反應(yīng)，并且溶劑可以與反應(yīng)體產(chǎn)生的水形成共沸物，通過(guò)共沸回流將水從反應(yīng)體系中除去，確保反應(yīng)可以順利進(jìn)行，可以制備較高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸。但是該方法需要消耗大量的有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大危害，也增加了制備成本。
熔融-固相聚合法
熔融-固相聚合法是指先將DL-乳酸通過(guò)熔融縮聚制備低分子的預(yù)聚物，控制后續(xù)反應(yīng)溫度高于其臨界溫度且低于熔點(diǎn)，將得到的預(yù)聚物進(jìn)一步反應(yīng)制備具有較高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸。該方法制備的聚乳酸相對(duì)分子質(zhì)量較高，但是反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值低。
開(kāi)環(huán)聚合
先將乳酸小分子反應(yīng)合成環(huán)狀二聚體丙交酯，再將丙交酯開(kāi)環(huán)縮聚成聚丙交酯。通過(guò)先生成環(huán)狀二聚體可以避免縮合聚合方法中水的產(chǎn)生，容易得到有機(jī)高分子化合物聚乳酸，同時(shí)開(kāi)環(huán)聚合方法反應(yīng)條件容易實(shí)現(xiàn)，是工業(yè)上合成高相對(duì)分子質(zhì)量PLA的主要方法。根據(jù)開(kāi)環(huán)聚合機(jī)理不同，一般將其分為配位開(kāi)環(huán)聚合、陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合和陰離子開(kāi)環(huán)聚合。
配位開(kāi)環(huán)聚合
配位開(kāi)環(huán)聚合是工業(yè)上合成聚乳酸最主要的方法，催化劑主要是金屬烷氧基化合物，包括辛酸亞錫、異辛酸亞錫、三異丙基鋁以及稀土烷氧基化合物等。催化機(jī)理是丙交酯上的羰基氧與催化劑中的金屬發(fā)生配位，單體的酰氧鍵進(jìn)入到配位鍵上進(jìn)行鏈增長(zhǎng)，從而形成長(zhǎng)鏈聚合物。配位開(kāi)環(huán)聚合一般顯示活性聚合特性可以制備高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸，且反應(yīng)過(guò)程可控。
陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合
陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合機(jī)理是催化劑陽(yáng)離子首先與單體中的氧原子作用形成氧鎓離子。然后，烷氧鍵發(fā)生斷裂，經(jīng)單分子開(kāi)環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生酰基正離子，進(jìn)而引發(fā)鏈增長(zhǎng)，最終制得聚乳酸。陽(yáng)離子聚合引發(fā)劑主要有路易斯酸，如氯化鋁、氯化亞錫等；質(zhì)子酸，如對(duì)苯磺酸、三氟乙酸、鹽酸等。陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合對(duì)反應(yīng)體系的要求較高，容易發(fā)生副反應(yīng)，制備的聚乳酸相對(duì)分子質(zhì)量不高。
陰離子開(kāi)環(huán)聚合
陰離子開(kāi)環(huán)聚合體系包括引發(fā)劑、催化劑，其催化機(jī)理是聚乳酸的羰基碳，在烷氧基陰離子親核的攻擊下發(fā)生酰氧鍵斷裂，形成烷氧基增長(zhǎng)活性中心，該活性中心再進(jìn)攻單體進(jìn)行鏈增長(zhǎng)，從而得到聚乳酸。陰離子開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)活性高、速度快，可以制備高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸。同時(shí)有機(jī)非金屬開(kāi)環(huán)聚合催化劑的開(kāi)發(fā)，可以制備不含金屬的聚乳酸產(chǎn)品，解決其在醫(yī)學(xué)及微電子領(lǐng)域應(yīng)用中的問(wèn)題。
改性
盡管純聚乳酸有著高透明度、高光澤度等優(yōu)點(diǎn)，但是其硬而脆、結(jié)晶速率、熔體強(qiáng)度低且不耐熱等缺點(diǎn)影響了應(yīng)用。此外，由于聚乳酸主鏈主要由疏水鏈段構(gòu)成，親水性較差，限制了其作為生物材料的應(yīng)用，同時(shí)半結(jié)晶的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其降解時(shí)間較長(zhǎng)且難以控制。
為了解決聚乳酸疏水性、降解周期長(zhǎng)等缺陷，可以通過(guò)共聚的方法對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性。例如引入親水性和生物相容性較好的聚乙二醇（PEG）制備PEG-b-PLA嵌段共聚物，既增加了材料的親水性，還賦予其一定的抗蛋白性能。此外，可以通過(guò)在聚乳酸中加入成核劑、增塑劑或者將聚乳酸與其他聚合物共混，改善PLA的結(jié)晶性能、力學(xué)性能和加工性能。成核劑可以提高聚乳酸的結(jié)晶速率、熱變形溫度、成型加工性能，并縮短成型周期，是改善PLA耐熱性能的一種重要方法。對(duì)聚乳酸進(jìn)行增塑改性，可以提高聚乳酸的柔軟性、鏈段運(yùn)動(dòng)能力、斷裂伸長(zhǎng)率，但降低了彈性模量和拉伸強(qiáng)度。檸酸酯、丙三醇、甘油酯、DL-乳酸低聚物、聚乙二醇、聚丙三醇（PPG）等已應(yīng)用于增塑PLA。
為了保持聚乳酸可降解的特點(diǎn)，對(duì)其增韌改性劑也提出了一定的要求，如無(wú)毒、可降解彈性體，或無(wú)毒、可降解，同時(shí)具有較低臨界溫度。
優(yōu)點(diǎn)
環(huán)保材料
聚乳酸是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料經(jīng)由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌種發(fā)酵制成高純度的乳酸，再通過(guò)化學(xué)合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境，這對(duì)保護(hù)環(huán)境非常有利，且完全生物降解的特性符合世界各國(guó)，特別是歐盟、美國(guó)及日本對(duì)于環(huán)保的高要求，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料。
物理性能
聚乳酸的機(jī)械性能和物理性能良好，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，同時(shí)也擁有良好的光澤性和透明度。
熱穩(wěn)定性
聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，加工溫度為170~230℃，有好的抗溶劑性，可用多種方式進(jìn)行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸、注射吹塑。
可降解性
聚乳酸的相容性與可降解性良好，可生產(chǎn)一次性輸液用具、免拆型手術(shù)縫合線等，低分子聚乳酸作藥物緩釋包裝劑，還可應(yīng)用于組織修復(fù)材料、人造皮膚等領(lǐng)域。
生物相容性
由聚乳酸制成的產(chǎn)品除了能生物降解外，其生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性都較好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外線性，因此聚乳酸的用途十分廣泛。
抗拉強(qiáng)度
聚乳酸具有良好的抗拉強(qiáng)度及延展度，可加工性強(qiáng)，適用于各種加工方式，如熔化擠出成型、射出成型、吹膜成型、發(fā)泡成型及真空成型。在3D打印中，聚乳酸良好的流變性能和可加工性。
透氣性
由于病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，存在安全及衛(wèi)生疑慮，聚乳酸薄膜作為唯一具備優(yōu)良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料，還具有良好的透氣性、透氧性及透二氧化碳性能，同時(shí)具有隔離氣味的特性。因此，在3D打印制備生物醫(yī)用材料中具有廣闊的市場(chǎng)前景。
焚化安全
聚乳酸其燃燒熱值與焚化紙類(lèi)相同，是焚化傳統(tǒng)塑料（如聚乙烯）的一半，而且焚化聚乳酸絕對(duì)不會(huì)釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。人體也含有以單體形態(tài)存在的DL-乳酸，這就表示了這種分解性產(chǎn)品具有的安全性。
應(yīng)用領(lǐng)域
聚乳酸的應(yīng)用領(lǐng)域有纖維織物、工程塑料、農(nóng)用地膜、包裝材料、汽車(chē)和飛機(jī)內(nèi)飾件、醫(yī)用材料、沒(méi)藥樹(shù)產(chǎn)品等，典型聚乳酸產(chǎn)品有雙向拉伸聚乳酸薄膜、發(fā)泡聚乳酸等。
樹(shù)脂領(lǐng)域
擠出級(jí)樹(shù)脂
擠出級(jí)樹(shù)脂是聚乳酸的主要的市場(chǎng)應(yīng)用，主要用于大型超市里新鮮蔬果包裝，該類(lèi)包裝已成為歐洲市場(chǎng)鏈中的重要一員；其次用于一些宣揚(yáng)安全、節(jié)能、環(huán)保的電子產(chǎn)品包裝上。在這些用途中PLA高透明度、高光澤度、高鋼性等優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得淋漓盡致，已經(jīng)是PLA應(yīng)用的主導(dǎo)方向。另外，擠出級(jí)樹(shù)脂在園藝上的應(yīng)用也開(kāi)始獲得重視，在斜坡綠化、沙塵暴治理等領(lǐng)域已有所應(yīng)用。
聚乳酸的擠出加工卻并非易事，僅適合在一些先進(jìn)的PET擠出成型機(jī)上進(jìn)行加工，且擠出片材的厚度一般只在0.2-1.0mm范圍。加工過(guò)程對(duì)水份含量及加工溫度尤其敏感，擠出加工時(shí)，一般要求其水份含量要小于50ppm，這對(duì)設(shè)備的干燥系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)又提出了新的要求。加工過(guò)程中，如果沒(méi)有適宜的結(jié)晶設(shè)備，邊料的回收也是一大難題，這也正是市場(chǎng)上有大量聚乳酸邊角料在流通的原因。
注塑級(jí)樹(shù)脂
在聚乳酸的注塑的市場(chǎng)應(yīng)用中，較為廣泛的是改性后的樹(shù)脂。盡管純聚乳酸有著高透明度、高光澤度等優(yōu)點(diǎn)，但是其硬而脆、加工難度大且不耐熱等缺點(diǎn)影響了它在注塑方面的應(yīng)用。而整體上，相對(duì)高昂的成本是阻礙聚乳酸在注塑市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的最大原因。雖然純樹(shù)脂通過(guò)填充改性可以降低一些成本，但是在保證其性能的前提下，這一措施的作用也有限，如果需要在全生物降解這一前提之下改善聚乳酸性能上的缺陷，比如耐熱性能，成本則更高。
其他牌號(hào)樹(shù)脂
雙向拉伸膜是應(yīng)用最成功的聚乳酸產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)雙向拉伸并熱定型的聚乳酸膜的耐熱溫度可提高到90℃，彌補(bǔ)了聚乳酸不耐高溫的缺陷。通過(guò)對(duì)雙向拉伸取向及定型工藝的調(diào)整，還可以控制聚乳酸膜（BOPLA膜）的熱封溫度在70~160℃。這一優(yōu)勢(shì)是普通BOPET所不具備的。BOPLA膜的透光率達(dá)到94%，霧度極低，表面光澤度好，可用于鮮花包裝、信封透明窗口膜、糖果包裝等。
醫(yī)療領(lǐng)域
材料和骨缺損修復(fù)
聚乳酸及其共聚物作為人體內(nèi)使用的高分子材料需求日益增加，用其制成的骨釘、骨固定板等在各類(lèi)骨折的治療中得到了廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)可以在骨折痊愈后不需要再進(jìn)行手術(shù)取出，從而大大減輕患者的痛苦。在一些臨床對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，聚乳酸及其共聚物與金屬材料在骨折的治療結(jié)果上并無(wú)差別。因此只要選擇合適，某些部位特別是關(guān)節(jié)周?chē)墓钦劬廴樗?類(lèi)材料是金屬材料最好的替代品。
手術(shù)縫合線
聚乳酸及其共聚物作為外科手術(shù)縫合線，在傷口愈合后能自動(dòng)降解并吸收，術(shù)后無(wú)需拆除縫合線，特別與非吸收性縫合線相比，聚乳酸縫合線刺激小、不易產(chǎn)生炎癥反應(yīng)、局部不出現(xiàn)硬結(jié)，因此聚乳酸縫合線一經(jīng)問(wèn)世，立即受到醫(yī)生們的青睞，廣泛應(yīng)用于各種手術(shù)。聚乳酸縫合線具有較強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度，隨著傷口的愈合，體內(nèi)的手術(shù)線自動(dòng)緩慢降解。
眼科材料
增生性玻璃體視網(wǎng)膜病變是視網(wǎng)膜脫離手術(shù)失敗的主要原因之一。糖皮質(zhì)激素和抗代謝藥物有抗增殖作用，但由于藥物在玻璃體內(nèi)半衰期短，需反復(fù)注射方能維持有效濃度。而將聚乳酸及其共聚物作為眼科材料制成長(zhǎng)效緩釋系統(tǒng)（DDS），就可能成為治療增生性玻璃體視網(wǎng)膜病變的較好方法。
汽車(chē)領(lǐng)域
日本結(jié)合聚乳酸樹(shù)脂改性技術(shù)、纖維制造技術(shù)和染色加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)了以高性能聚乳酸纖維為主要成分的車(chē)用腳墊和備用輪胎箱蓋。備用輪胎箱蓋在豐田汽車(chē)2003年推出的全面改進(jìn)小型車(chē)“Raum"上使用。在繼腳墊和備用輪胎箱蓋開(kāi)發(fā)以后，日本又開(kāi)發(fā)了適用于車(chē)門(mén)、輪圈、車(chē)座、天棚材料的其他汽車(chē)部件的聚乳酸產(chǎn)品。
一次性用品
發(fā)泡聚乳酸
利用物理發(fā)泡劑（CO2、正丁烷等）在一定的溫度和壓力下與聚乳酸充分混合達(dá)到平衡飽和，隨后，發(fā)泡氣體與聚乳酸熔體的混合物經(jīng)歷熱力學(xué)狀態(tài)和突變，飽和的氣體分子從熔體中逸出，得到具有一定孔尺寸和密度的泡體結(jié)構(gòu)，從而形成發(fā)泡聚乳酸。發(fā)泡聚乳酸可以解決白色污染問(wèn)題，廣泛應(yīng)用在一次性餐具、緩沖包裝、園藝用品及玩具行業(yè)中，同時(shí)，還具有低碳、安全、符合循環(huán)發(fā)展的特性。
參考資料 >
聚乳酸.科普中國(guó).2025-08-17
聚乳酸.中國(guó)大百科全書(shū).2024-12-20