適讀人群 ：本書適於高分子材料相關專業的師生，從事聚乳酸產品開發、生產的科研人員及企業的技術人員閱讀參考。
本書深入討論了聚乳酸的特點和應用。與其他關於生物可降解聚合物的書籍相比，這本書主旨在於使讀者行高的研究和開發之前獲得基本但足夠的信息。讀者會了解括市場需求，產品等級，合成和生產，熱性能，化學性能，機械性能，流變性，降解穩定性，加工技術，注塑和3D打印，環境評價，聚合物生物降解的國際標準等聚乳酸的所有相關內容。

本書適用於高分子材料相關專業的師生、從事聚乳酸產品開發、生產的科研人員及企業的技術人員。

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年環境日主辦國印度呼吁全要“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，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、等九部門聯合印發《關於扎實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，並講述了PLA的注塑工藝和3D打印工藝；，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的全球產業程仍然緩慢，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口，如Total-Corbion泰國工廠，但該工年也投產了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，譯者又了本行翻譯。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，米大山博行初審，由譯行翻譯校正和潤色。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，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


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，本書旨在使讀者入高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。

，作者感謝Silva Iella女士在第二版的整個寫作過程的建議和協助。作者誠信本書能夠在全球範圍內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

第一章可生物降解聚合物和聚乳酸概述

1.1 可生物降解聚合物概述

人類使用聚合物已有幾千年歷史了。在古代，古人在建築房屋時會用天然植物膠把木頭粘在一起。當古人開始探索海洋時，天然植物膠被用作船隻的防水塗層。當時人們還不知道聚合物能在多大程度上被利用，所以他們的使用於特殊的場合。古人自然而然地依賴從植物中提取的聚合物，並且沒有對其配行任何修改，也沒有合成聚合物來其應用。

自1495年克裡斯托弗·哥倫布(christopher columbus)登陸海地島，看到人們玩彈性球以來，人們就知道了天然橡膠的存在。當時從巴西橡膠樹上得到的膠乳是一種黏性的塊狀物，應川有限。到了1844年，查爾斯-同特異(charles Goodyear)發現了一種硫化橡膠的方法並獲得了專利，從此橡膠在輪胎工業中得到了廣泛應用。

第一種合成聚合物是由利奧·亨德裡克·貝克蘭(Leo Hendrik BaekeIand)於1907年發明的。這是一種叫作貝克萊特(Bakelite)的熱同性酚醛樹脂幾十年來，隨著催化聚合工藝的發明，聚合物的快速發展對科技做出r巨大貢獻。因為通用聚合物如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)生產成本低，已被開發批量生產一次裝，所以在各地，聚合物污染已成為一個很嚴重的問題。這些石油衍生的合成聚合物產品需要數纔能降解成的土壤成分。與此同時，由於原油儲備的逐漸減少，這些問題了聚合物原料可再生來源研究的發展。圖1—pan>顯示了全球聚合物發展的趨勢。

盡管各國已經采取措施教育人們認識塑料對環境的影響．但這些材料仍然占據生活垃圾的比例。與天然有機材料相比，傳統的塑料垃圾需要很長時間纔能分解成物質。例如，一張電話充值卡需要100多年纔能自然降解，而一個蘋果核隻需要3個月就能自然轉化為有機肥料。由於生物質比傳統塑料更容易降解，故用聚合物和生物材料的共混物做替代品是緩解塑料廢品問題的第一步。一般來說，將大量的生物質如木質纖維素和澱粉與合成聚合物混合。這些聚合物可以被微生物部分降解。然而，在生物質被部分消耗之後，殘留的聚合物骨架仍會對環境造成有害影響。

現在的研究是開發環境友好聚合物。這些聚合物廢棄後可在環境中自然降解。為確保可持續的環境保護，生產這些聚合物的碳足跡會被監測。

可生物降解聚合物可分為兩類：石油衍生的可生物降解聚合物和微生物衍生的可生物降解聚合物(圖1—1)。石油衍生的可生物降解聚合物．如聚乙烯醇(PVOH)，利用乙烯生產乙酸乙烯酯，用於聚乙酸乙烯酯的聚合，一步水解為PVOH。這種聚合物的生產成本對格波動十分敏感，而且由於生產過程會排放溫室氣體，所以並不環保。然而，對於微生物衍生的可生物降解聚合物而言，它是利用細菌的生物活性將植物產品(如澱粉)轉化成為聚合的初始產品的。聚乳酸，即PLA，是本書的研究對像，就是利用了微生物的活性，以這種方式生產的。聚羥基烷酸酯也是細菌發酵的產物。這些聚合物使用可再生的原料．生產過程具有碳信用額．

市面上也有一些聚合物產品被稱為生物降解塑料。這些所謂的生物降解塑料引起了環保人士的爭議和辯論。氧化式可生物降解塑料實際上是用一種受控的催化劑來啟動鏈式裂解反應攻擊聚合物大分子。這種催化劑是由一繫列被添加到聚合物中的活性有機過渡金屬生成的。當氧化式可生物降解聚合物暴露於紫外線和自由氧的攻擊下時，鏈式裂解反應大面積發生，最終產物為二氧化碳。在市面上，氧化式降解添加劑主要添加在聚乙烯和聚丙烯中。添加劑的量少(％)，並且有效。然而，這些類型的“環保”塑料也引起了爭議，因為它們仍然來源於石油基產品並且它們的降解仍然產生二氧化碳，這違背了碳信用產品的原則。短期內，這些塑料可能有助於減少垃圾填埋的負擔。但是，使用這些氧化式可生物降解塑料也會引起其他環境問題。其中最嚴重的問題是塑料需要很長時間纔能降解為二氧化碳。在早期的分解過程中，塑料碎片會造成土壤污染，並且它可能會被生活在土壤之外的……

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）。Bee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。