第1章可生物降解聚合物和聚乳酸概述1

1.1可生物降解聚合物概述1

1.2可生物降解聚合物和聚乳酸的市場潛力7

1.3聚乳酸的一般性質及應用18

1.3.1家用聚乳酸18

1.3.2生物醫用聚乳酸及其共聚物24

1.4結論28

參考文獻29



第2章聚乳酸的合成與生產31

2.1簡介31

2.2乳酸的生產31

2.3丙交酯和聚乳酸的生產38

2.3.1丙交酯生產技術回顧38

2.3.2丙交酯的聚合43

2.3.3丙交酯共聚物44

2.3.4質量控制45

2.3.5聚乳酸中殘留丙交酯的測定（NatureWorks L.L.C.，2010b）46

2.3.6聚乳酸中D-乳酸含量的測定（NatureWorks L.L.C.，2010a）47

2.4聚乳酸聚合反應的催化劑48

2.4.1直接縮聚路線48

2.4.2開環聚合路線50

2.5結論53

參考文獻54

延伸閱讀56



第3章聚乳酸的熱性能57

3.1簡介57

3.2聚乳酸的熱轉變和結晶58

3.2.1結晶溫度對晶型的影響65

3.2.2成核劑對聚乳酸結晶的影響68

3.3熱分解69

3.4聚乳酸的熱容、熱導率和壓力-體積-溫度關繫74

3.5結論78

參考文獻78



第4章聚乳酸的化學性質82

4.1簡介82

4.2聚乳酸的立構化學83

4.3聚乳酸分析技術88

4.3.1核磁共振波譜88

4.3.2紅外光譜學90

4.4聚乳酸的溶解度和阻隔性能94

4.4.1聚乳酸的溶解度94

4.4.2聚乳酸的滲透性97

4.5結論100

參考文獻100



第5章聚乳酸的力學性能103

5.1簡介103

5.2聚乳酸的結晶度和分子量對力學性能的影響104

5.3改性劑/增塑劑對聚乳酸的影響106

5.4聚乳酸共混物110

5.5聚乳酸與可降解或部分可降解聚合物的共混物113

5.5.1聚乳酸和聚羥基脂肪酸酯的混合物116

5.5.2聚乳酸與不可降解聚合物的混合物119

5.6結論121

參考文獻122



第6章聚乳酸的流變性能125

6.1簡介125

6.2聚乳酸的流變性能125

6.3分子量的影響128

6.4支化的影響130

6.5拉伸黏度131

6.6聚乳酸的溶液黏度132

6.7聚合物共混物的流變性能133

6.7.1聚乳酸/聚己二酸對苯二甲酸丁二酯共混物133

6.7.2與層狀硅酸鹽納米復合材料的共混物134

6.7.3聚乳酸/聚苯乙烯共混物136

6.8結論139

參考文獻139



第7章聚乳酸的降解與穩定性141

7.1簡介141

7.2影響聚乳酸降解的因素142

7.3聚乳酸的水解和酶促降解145

7.4聚乳酸的環境降解151

7.5聚乳酸的熱降解159

7.6聚乳酸的阻燃性165

7.7結論168

參考文獻168



第8章聚乳酸的添加劑和加工助劑171

8.1聚乳酸在加工和應用中的局限性171

8.2聚乳酸的增韌172

8.3提高熱變形溫度和耐熱性178

8.3.1添加成核劑179

8.3.2聚乳酸與耐熱性聚合物共混181

8.3.3與納米天然纖維共混的聚乳酸復合材料181

8.4流動增強、熔體強度、快速成型時間182

8.4.1交聯劑182

8.4.2擴鏈劑183

8.4.3與其他聚合物共混183

8.4.4增塑劑183

8.5特殊添加劑：抗靜電劑、衝擊改性劑、纖維增容劑/偶聯劑184

8.5.1抗靜電劑184

8.5.2衝擊改性劑185

8.5.3纖維增容劑/偶聯劑186

8.6結論186

參考文獻187

延伸閱讀190



第9章聚乳酸的成型加工工藝191

9.1擠出191

9.2吹塑192

9.3注塑194

9.4熱成型195

9.5先進技術：3D打印、電子束輻照196

9.5.13D打印196

9.5.2電子束輻照196

9.6聚乳酸及其復合材料的回收方法和可持續性197

9.7結論198

參考文獻198



第10章聚乳酸的注射成型和3D打印200

10.1簡介200

10.2聚乳酸的注射成型200

10.2.1干燥201

10.2.2存儲201

10.2.3清洗201

10.2.4常規注塑設置202

10.3注射成型聚乳酸與其他聚合物的對比202

10.4聚乳酸的3D打印207

10.5結論212

參考文獻212



第11章聚乳酸的應用214

11.1簡介214

11.2家用聚乳酸214

11.3聚乳酸在3D打印、工程和農業中的應用217

11.4聚乳酸在生物醫學中的應用219

11.5結論219

參考文獻220



第12章聚乳酸的環境評估和國際標準221

12.1簡介221

12.2聚乳酸的生態概況及與其他材料的對比221

12.3聚乳酸食品包裝的環境概況和全球變暖潛能229

12.4可生物降解聚合物國際標準清單231

12.5結論234

參考文獻234

延伸閱讀235

譯者前言

塑料制品在人們的日常生活中無處不在，然而塑料垃圾難以在短期內輕易降解，廢品回收再利用率也不高，給陸地和海洋環境帶來了極大的危害。2018年世界環境日主辦國印度呼吁全世界要“塑戰速決”，齊心協力對抗一次性塑料帶來的環境污染。而早在2007年年底，國務院辦公廳就印發了《關於限制生產銷售使用塑料購物袋的通知》，規定在全國範圍內所有商品零售場所要實行塑料購物袋有償使用制度。2020年7月，國家發展和改革委員會、生態環境部、工業和信息化部等九部門聯合印發《關於扎實推進塑料污染治理工作的通知》，提出到2020年年底，各省、自治區、直轄市的商場、超市、藥店、書店等場所以及餐飲打包外賣服務和各類展會活動，禁止使用不可降解塑料袋，集貿市場規範和限制使用不可降解塑料袋；全國範圍餐飲行業禁止使用不可降解一次性塑料吸管。盡管“限塑令”升級成了“禁塑令”，但物美價廉、方便實用的塑料制品不可能在一夜之間從人類社會突然消失，以其他環保型塑料部分取代、逐步取代纔是當前的可行之道。在此背景下，可生物降解塑料受到了業界人士的大力推崇和社會關注，被視為應對傳統塑料污染的利器。

可生物降解聚合物可以從石油也可以從農作物中提煉而得，後者又被稱為生物基塑料。聚乳酸（PLA）來源於玉米和土豆等農作物，既是生物基塑料又是可生物降解塑料。PLA的廣泛應用一方面可以降低對石油的依賴，另一方面，其廢品可以通過微生物（如細菌、霉菌、真菌和藻類）在一定的環境（堆肥條件、厭氧消化條件或水性培養液）下在短期內發生降解，並終完全分解為水、二氧化碳、甲烷和礦化無機鹽等。正確回收和處理PLA廢品將極大地緩解塑料垃圾給生態環境帶來的危害以及可能引發的生態危機。PLA已經實現大規模工業化生產，PLA制品部分取代傳統塑料的時機已到，在國家政策支持下，中國或將迎來一個新的PLA塑料制品的蓬勃發展期。

然而，PLA的生產技術壁壘較高，相關研究和技術人員稀缺，市面上可以參考的相關文獻尤其是中文書籍又比較少。本書是近幾年來不可多得的一本詳細地講述PLA來源、生產技術和性能及應用的書籍。本書首先概述了PLA的市場應用及發展潛力；然後介紹了PLA的合成及生產方法；接著詳細闡述了PLA的熱性能、化學性質、力學性能、流變性能及降解性能和穩定性；本書的後半部分介紹了PLA的常用加工助劑、成型加工工藝，並重點講述了PLA的注塑工藝和3D打印工藝；後，本書還講解了PLA制品的相關應用實例、環境評估和國際標準。本書可為從事PLA塑料研發的科研人員和生產人員提供寶貴的經驗和科學參考。

距離本書作者完稿已經過去兩年，書中有部分數據略有更新，本書譯者在完成譯稿後對PLA的國內外市場又做了簡單調查，補充如下：截至2020年，全球PLA潛在需求空間達到651萬噸，中國也有170萬噸的需求。而目前全球PLA產能合計僅約33萬噸，實際產量約為20萬噸。全球的PLA原料主要由美國NatureWorks公司（產能15萬噸/年）和荷蘭Total Corbion公司（產能7.5萬噸/年）供應。國內生產PLA的企業主要有浙江海正生物材料股份有限公司（目前產能1.5萬噸/年，在建產能6.5萬噸/年）和中糧生化能源(榆樹)有限公司（目前產能1萬噸/年，目標產能21萬噸/年）。在原著等待翻譯和出版的兩年時間內，PLA的全球產業化進程仍然非常緩慢，主要原因是原材料乳酸來源貧乏。PLA目前主要使用兩步法進行生產，即丙交酯開環聚合法，該法是以L-乳酸為原料，在醇類等引發劑存在下先制成丙交酯，再在催化劑存在下開環聚合得到PLA。中間體丙交酯的生產是PLA合成工藝的核心，也是國內面臨的技術瓶頸，在很大程度上限制了國內PLA行業的發展。美國NatureWorks目前擁有每年22萬噸的L-乳酸生產能力，約占全球乳酸總產能的24%，但 NatureWorks自產的乳酸並不對外銷售，而是專門供應其自身的PLA工廠。前幾年國內企業用於生產PLA的材料丙交酯主要從國外進口，如Total-Corbion泰國工廠，但該工廠近年也投產了PLA生產線，丙交酯也開始自用不外售。丙交酯技術壁壘高、生產成本高，已成為制約國內PLA產業發展的瓶頸。金丹科技是全球乳酸行業第二大企業、國內乳酸行業龍頭企業，擁有12.8萬噸的乳酸及鹽產能，其控股子公司金丹生物新材料目前正在建設1萬噸丙交酯生產線，1千噸PLA生產線目前處於調試階段。浙江海正生物材料股份有限公司也已成功掌握了丙交酯的生產技術，但目前公司缺乏原材料乳酸，需要向金丹科技等企業采購。現在全國部分地區開始大規模實施限塑政策，生物降解塑料市場需求快速增長，PLA市場空間巨大。PLA目前市場銷售價格在每以上，隨著市場需求的逐漸釋放，國內企業正努力突破丙交酯技術壁壘，打開發展空間。

本書由馬來西亞拉曼大學的兩位研究員Lee Tin Sin（李頂新）和Bee Soo Tueen（馬詩婷）共同編著。Lee Tin Sin是馬來西亞拉曼大學的研究員、專業工程師和副教授。他畢業於馬來西亞理工大學，獲得工程學學士學位（化學聚合物），並以一級榮譽獲得博士學位（聚合物工程）。李博士在橡膠加工、生物聚合物、納米復合材料和聚合物合成等方面出版了廣泛的著述，發表了70多篇論文，包括期刊論文、著作和會議論文。他目前擔任馬來西亞工程師學會化學工程技術部主席和理事會成員。Bee Soo Tueen是馬來西亞拉曼大學的研究員、專業工程師和副教授。她畢業於馬來西亞理工大學，獲得工程學學士學位（化學聚合物）、工程碩士學位（聚合物工程）和博士學位（聚合物工程）。馬博士在納米復合材料、阻燃劑和生物聚合物方面發表了大量的期刊論文。本書的譯者現為湖北文理學院機械工程學院教授，近年來的主要研究興趣之一為聚乳酸材料的結晶及發泡行為。譯者曾於2008～2010年期間在多倫多大學微孔塑料制造實驗室從事博士後研究，分別與美國NatureWorks公司和荷蘭Synbra公司合作了聚乳酸結晶和發泡方面的課題項目。2014～2018年期間分別主持以聚乳酸為研究主題的國家自然科學基金、湖北省自然科學基金和襄陽市科技計劃研究與開發項目各一項。

譯者於2019年翻譯了由土耳其伊斯坦布爾科技大學的默罕默德·禮薩·諾法爾博士執筆，與多倫多大學的樸哲範教授共同編著而成的《聚乳酸泡沫塑料——基礎、加工及應用》一書，該書已於2020年4月由化學工業出版社正式出版。作為有益補充，譯者又精選了本書進行翻譯。翻譯初稿由湖北文理學院機械工程學院本科生李曉月完成，米大山博士進行初審，後由譯者進行翻譯校正和潤色。本書的翻譯出版得到了國家自然科學基金青年基金項目(51403059)和湖北省高等教育綜合獎補資金機械工程學科建設專項基金（2050205）的資助，在此一並表示感謝。

本書原著中有少許印刷錯誤，出版社同志們進行了嚴格和仔細的校正，但仍難免有紕漏。另外，限於譯者的英語和專業知識水平，在本書譯文中可能會存在疏漏之處，請專家和讀者不吝指正。



朱文利

2020年9月於武漢





前言

近幾十年來，人們對塑料的需求急劇增長。 塑料的使用是當今社會不可避免的。然而，塑料廢棄物處置不當造成了嚴重的環境污染。海洋受到了由不可降解聚合物生產的塑料微粒的嚴重污染。傳統的由石油煉制生產的原料制備的塑料要經過100多年的降解纔能成為無害的物質！雖然人們已經組織了許多教育活動，通過“減少、再利用和再循環”(3R) 計劃在社會上提高認識，但社會反應仍然不足。

消除塑料是不可能的，塑料3R計劃還需要更多的時間來改變消費者的習慣和態度。因此，可生物降解聚合物可以作為一種替代品來減少塑料廢物對環境的影響。雖然市場上有許多可生物降解的聚合物，但聚乳酸(PLA)似乎是替代不可降解石油基聚合物的可行的聚合物。這是因為聚乳酸可以大規模工業生產，價格具有競爭力。PLA也可以使用現有的聚合物加工技術進行加工，如注塑、擠出、吹膜、熱成型和當前流行的3D打印方法。

在這本書中，深入討論了PLA的特點和應用。與其他有關生物可降解聚合物的書籍相比，本書旨在使讀者在進入高水平的研究和開發階段之前獲得有關PLA的基本但充分的信息。向讀者介紹PLA的市場需求、牌號、合成與生產、熱性能、化學性質、力學性能、流變性能、降解與穩定性、加工工藝、注塑與3D打印、環境評估、聚合物生物降解國際標準以及應用等。作者認為，這些信息對於工業企業、教育工作者、研究人員、研究生、環保人士等一站式獲取PLA的信息源具有重要意義。

後，作者特別感謝Silva Isabella女士在第二版的整個寫作過程中提供的建議和協助。作者誠信本書能夠在全球範圍內促進可生物降解聚合物的開發和應用，希望能減少塑料污染，為子孫後代提供一個可持續發展的環境。



Lee Tin Sin和Bee Soo Tueen