ポリ乳酸の性能を徹底解析

ポリ乳酸 (PLA) は、研究と応用が成熟した生分解性プラスチックの 1 つです。原料は生分解性に優れた再生可能な植物繊維、トウモロコシ、農業副産物などです。 PLA はポリプロピレン プラスチックと同様に優れた機械的特性を備えており、一部の分野では PP および PET プラスチックの代替品として使用できます。同時に、良好な光沢、透明性、感触、および一定の抗菌性を備えています。

1. PLA生産の現状

現在、PLA の合成ルートは 2 つあり、1 つは直接縮合、つまり乳酸を高温低圧下で直接脱水し、濃縮する方法です。製造プロセスは簡単で低コストですが、生成物の分子量は不均一であり、実用化効果は低いです。もう一つはラクチドの開環重合法であり、現在主流の製造法である。

2. PLAの分解性

PLA は室温では安定ですが、わずかに高温の環境、酸塩基環境、微生物環境では容易かつ迅速に CO2 と水に分解されます。したがって、環境と充填剤を制御することにより、PLA 製品は有効期間内であれば安全に使用でき、廃棄後は時間の経過とともに分解されます。

PLA の分解に影響を与える要因には、主に分子量、結晶状態、微細構造、環境温度と湿度、pH 値、光時間、環境微生物が含まれます。 PLA と他の素材を混合すると、分解速度に影響を与える可能性があります。たとえば、一定量の木粉やトウモロコシのわら繊維を PLA に添加すると、分解速度が大幅に加速される可能性があります。

3. PLAのバリア性

バリアとは、ガスや水蒸気の通過を防ぐ材料の能力を指します。包装材料にとってバリアは非常に重要です。現在、市場で最も一般的な生分解性プラスチック袋は PLA/PBAT 複合材料です。 PLA フィルムのバリア特性が向上すると、応用分野が広がります。 PLAのバリア性に影響を与える要因には、主に内部要因（分子構造や結晶状態）と外部要因（温度、湿度、外力）があります。

1) PLA フィルムは加熱するとバリア性が低下するため、加熱が必要な食品包装には適しません。

2) PLA はバリア性を高めるために一定の範囲で伸ばすことができます。延伸倍率を 1 から 6.5 に増加すると、PLA の結晶化度が大幅に増加するため、バリア性が向上します。

3) PLA マトリックスにいくつかのバリア (粘土や繊維など) を追加すると、PLA のバリア特性を向上させることができます。これは、バリアが小分子の水またはガスの透過プロセスの曲線経路を延長するためです。

4) PLA フィルムの表面にコーティングを施すことにより、バリア性を向上させることができます。

4. PLAの機械的性質

PLA は優れた強度を持っていますが、靭性に欠けており、曲げや変形に非常に弱いため、通常は靭性を高める修正が必要です。 PLAの生分解性を確保するために、通常は生分解性樹脂を配合して強化します。 PBAT、PBS、PCL、天然ゴムなどの物質は、PLA の靭性を向上させることができます。

5. PLAの光学特性

PLAは、他の分解性プラスチックには珍しく、セロフェンやPETに匹敵する透明性と光沢を持っています。特にビジュアルパッケージに適しており、装飾効果が優れています。一般に、PLA の透明性や光沢は向上させる必要はありませんが、包装の視認性や装飾効果を確保するために他の面を変更する場合には、その良好な透明性をできるだけ損なわないように注意する必要があります。

6. PLAの熱特性

PLA 材料の熱安定性は PVC と同等ですが、PP、PE、PS よりも低くなります。加工温度は一般に170℃～230℃に制御されており、射出、延伸、押出、ブロー成形、3Dプリントなどの加工プロセスに適しています。

実際の加工プロセスでは、PLA の結晶化速度が遅く、通常は修正が必要です。 PLA は結晶化速度が遅く結晶化度が低いため、熱変形温度が低く、加熱充填または加熱滅菌製品の包装での用途が制限されます。

ＰＬＡの結晶化速度や結晶性を高めるためには、製造時にＰＬＡの光学純度を可能な限り高めることができる。アニール処理もPLAの結晶性を向上させる方法です。さらに、結晶化挙動と結晶化度を改善するために核剤を添加することができ、これにより熱変形温度が上昇し、耐熱性が向上します。

7. PLAの抗菌特性

PLAは製品の表面を弱酸性環境にし、抗菌・防マイル効果があります。他の抗菌剤を併用することで90％以上の抗菌率を達成できれば、製品の抗菌包装にも使用可能です。

一般的に使用される無機抗菌剤には、主に銀、銅、亜鉛などの金属イオンまたは酸化物が含まれます。包装に一般的に使用される有機抗菌剤には、バニリンまたはエチルバニリン化合物が含まれます。他の抗菌剤の食品の安全性を研究する必要があります。

8. PLAの電気的特性

PLA は、カーボン ブラック (CB)、カーボン ナノチューブ (CNT)、カーボン ファイバー (CF)、またはグラフェンなどの導電性粒子を充填することにより、導電性ポリマー複合材料として調製できます。導電性ポリマー複合材料は、帯電防止プラスチック、電磁シールド材料、自己制御温度加熱材料、正の温度係数材料、および環境に敏感なデバイスに広く使用されています。

Pla ベースの導電性ポリマー複合材料は分解性と生体適合性も備えており、特殊な帯電防止包装、電磁波シールド包装、インテリジェント包装に使用できます。 Pla系導電性高分子は、食品の品質情報を検出するガスセンサーや液体センサーに使用できます。