生物降解性聚酯作为塑料家族的新品种,因其环保特性而快速发展,目前已进入实用推广阶段。这类聚酯在自然界广泛存在的微生物或动植物体内酶的作用下,可最终分解为二氧化碳和水,回归自然,且降解中间产物对环境无害。其主链结构以脂肪族结构单元经酯键连接为特征,可通过微生物发酵法和化学合成法制备。
与天然大分子如淀粉、纤维素相比,生物降解性聚酯具有更好的力学性能、易加工性及耐水性等特点。通过调节化学结构,还可实现可控降解。目前研究最多的生物降解性聚酯包括:聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚(3-羟基烷酸酯)(PHA)、聚乳酸(PLA)和聚ε-己内酯(PCL)等。
聚乳酸(PLA)是近年来崛起的一种新型降解塑料,以玉米淀粉为主要原料。其强度、压缩应力、缓冲性、耐药性、防潮、耐油脂和密闭性均优于现有的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料,且对人体无毒无害,被产业界认定为最有发展前途的新型环保包装材料。PLA适用于吹塑、热塑等各种加工方法,应用广泛。在常温下性能稳定,但温度高于55°C或在富氧及微生物作用下会自动分解。因此,废弃后能被自然界微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水,不会污染环境,有望替代传统塑料制品。
PLA的生产以乳酸为原料。传统乳酸发酵多用淀粉质原料,美、法、日等国家已开发利用农副产品为原料发酵生产乳酸。由于人体内只有代谢L-乳酸的酶,过量摄入D-乳酸会引起代谢紊乱甚至酸中毒,因此包装用PLA主要以L-乳酸为原料。国外最先进工艺以玉米等谷类为碳源,采用细菌发酵法生产L-乳酸。而国内多采用米根霉发酵法,以淀粉为碳源,用碳酸钙中和,再用硫酸中和,产生大量硫酸钙沉淀,工艺复杂且产品纯度低。南京绿天源公司采用厌氧菌发酵,加氢氧化铵控制pH,结合膜分离技术与清液单罐细菌连续发酵耦合工艺,以玉米为碳源,转化率≥95%,提取收率≥90%,工艺简单,成本约7500元/吨。美国LLC公司工艺为:玉米淀粉水解为葡萄糖,乳酸杆菌厌氧发酵,液碱中和,电渗析提纯,得到纯度99.5%的L-乳酸。
由乳酸制PLA的工艺包括:(1)直接缩聚法,在真空下使用溶剂脱水缩聚;(2)非溶剂法,使乳酸生成环状二聚体丙交酯,再开环缩聚成PLA。
聚羟基烷酸(PHA)是细菌在适当条件下体内积累的高分子聚合物,可通过基因工程菌合成。依单体组成不同,PHA质地从硬到软,具有与聚乙烯、聚丙烯相似的理化性质和机械特性,可完全替代化学合成塑料。PHA在自然条件下可被完全降解为CO₂和H₂O,消除“白色污染”。此外,PHA具有良好的生物相容性,在人体内不会引起排斥反应,且可降解,因此可用于制造各种医用材料。