Kwas polimlekowy (PLA) to jedno z biodegradowalnych tworzyw sztucznych o dojrzałych badaniach i zastosowaniach. Surowce pochodzą z odnawialnych włókien roślinnych, kukurydzy, produktów ubocznych rolnictwa itp., które charakteryzują się dobrą biodegradowalnością. PLA ma doskonałe właściwości mechaniczne, podobne do tworzyw polipropylenowych i w niektórych dziedzinach może zastąpić tworzywa PP i PET. Jednocześnie ma dobry połysk, przezroczystość, dotyk i pewne właściwości antybakteryjne.
1. Aktualny stan produkcji PLA
Obecnie istnieją dwie drogi syntezy PLA, jedna to bezpośrednia kondensacja, to znaczy kwas mlekowy jest bezpośrednio odwadniany i kondensowany w wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu. Proces produkcji jest prosty i tani, ale masa cząsteczkowa produktu jest nierówna, a praktyczny efekt zastosowania jest słaby. Drugą jest polimeryzacja laktydu z otwarciem pierścienia, która jest obecnie główną metodą produkcji.
2. Degradowalność PLA
PLA jest stabilny w temperaturze pokojowej, ale łatwo i szybko rozkłada się na CO2 i wodę w środowiskach o nieco wyższej temperaturze, środowisku kwasowo-zasadowym i środowisku mikrobiologicznym. Dlatego kontrolując środowisko i wypełniacze, produkty PLA można bezpiecznie stosować w okresie ważności i rozkładać w czasie po utylizacji.
Czynniki wpływające na degradację PLA obejmują głównie masę cząsteczkową, stan krystaliczny, mikrostrukturę, temperaturę i wilgotność otoczenia, wartość pH, czas świecenia i mikroorganizmy środowiskowe. Mieszanie PLA z innymi materiałami może wpływać na szybkość degradacji. Na przykład dodanie pewnej ilości mąki drzewnej lub włókna słomy kukurydzianej do PLA może znacznie przyspieszyć tempo degradacji.
3. Właściwość barierowa PLA
Bariera odnosi się do zdolności materiału do zapobiegania przedostawaniu się gazu i pary wodnej. Bariera jest bardzo ważna w przypadku materiałów opakowaniowych. Obecnie najpopularniejszym biodegradowalnym workiem plastikowym na rynku jest kompozyt PLA/PBAT. Ulepszone właściwości barierowe folii PLA mogą poszerzyć zakres zastosowań. Czynniki wpływające na właściwości barierowe PLA obejmują głównie czynniki wewnętrzne (struktura molekularna i stan krystaliczny) oraz czynniki zewnętrzne (temperatura, wilgotność i siła zewnętrzna).
1) Ogrzewanie folii PLA zmniejszy jej właściwości barierowe, dlatego PLA nie nadaje się do opakowań do żywności wymagających ogrzewania.
2) PLA można rozciągnąć w pewnym zakresie, aby zwiększyć właściwości barierowe. Gdy stopień rozciągnięcia zostanie zwiększony z 1 do 6,5, krystaliczność PLA znacznie wzrasta, a zatem poprawiają się właściwości barierowe.
3) Dodanie pewnych barier (takich jak glina i włókna) do matrycy PLA może poprawić właściwości barierowe PLA. Dzieje się tak, ponieważ bariera wydłuża zakrzywioną ścieżkę procesu przenikania małych cząsteczek wody lub gazu.
4) Powłoka na powierzchni folii PLA może poprawić właściwości barierowe.
4. Właściwości mechaniczne PLA
PLA ma dobrą wytrzymałość, ale brakuje mu wytrzymałości i jest niezwykle podatny na zginanie i odkształcenia, co zwykle wymaga modyfikacji poprzez hartowanie. Aby zapewnić biodegradowalność PLA, zwykle utwardza się go poprzez zmieszanie z żywicą biodegradowalną. PBAT, PBS, PCL, kauczuk naturalny i inne substancje mogą poprawić wytrzymałość PLA.
5. Właściwości optyczne PLA
PLA charakteryzuje się przezroczystością i połyskiem, które są rzadkością w innych degradowalnych tworzywach sztucznych, porównywalnym z celofenem i PET. Szczególnie nadaje się do opakowań wizualnych, a efekt dekoracji jest lepszy. Ogólnie rzecz biorąc, przezroczystość i połysk PLA nie wymagają poprawy i należy zwrócić uwagę, aby nie zmniejszać w jak największym stopniu jego dobrej przezroczystości podczas modyfikowania innych aspektów, aby zapewnić widoczność opakowania i efekt dekoracji.
6. Właściwości termiczne PLA
Stabilność termiczna materiału PLA jest porównywalna z PVC, ale niższa niż PP, PE i PS. Temperatura przetwarzania jest ogólnie kontrolowana w zakresie od 170 ℃ do 230 ℃, co jest odpowiednie do wtryskiwania, rozciągania, wytłaczania, formowania z rozdmuchem, drukowania 3D i innych procesów przetwarzania.
W rzeczywistym procesie przetwarzania szybkość krystalizacji PLA jest powolna i na ogół wymaga modyfikacji. Ze względu na powolną szybkość krystalizacji i niską krystaliczność temperatura odkształcenia termicznego PLA jest niska, co ogranicza jego zastosowanie do pakowania produktów napełnianych na gorąco lub sterylizowanych cieplnie.
Aby zwiększyć szybkość krystalizacji i krystaliczność PLA, czystość optyczną PLA można maksymalnie zwiększyć w momencie produkcji. Wyżarzanie jest również metodą poprawy krystaliczności PLA. Ponadto można dodać środki zarodkujące w celu poprawy właściwości krystalizacyjnych i krystaliczności, zwiększając w ten sposób temperaturę odkształcenia termicznego i poprawiając jego odporność cieplną.
7. Właściwości antybakteryjne PLA
PLA może sprawić, że powierzchnia produktu stworzy słabo kwaśne środowisko i ma działanie antybakteryjne i łagodne. Jeżeli pomocnicze zastosowanie innych środków przeciwbakteryjnych może osiągnąć poziom antybakteryjny większy niż 90%, można go stosować do antybakteryjnych opakowań produktów.
Powszechnie stosowane nieorganiczne środki przeciwbakteryjne obejmują głównie jony lub tlenki metali, takich jak srebro, miedź i cynk. Do powszechnie stosowanych organicznych środków antybakteryjnych w opakowaniach zaliczają się związki waniliny lub etylowaniliny. Należy zbadać bezpieczeństwo żywności innych środków przeciwbakteryjnych.
8. Właściwości elektryczne PLA
PLA można przygotować jako przewodzące kompozyty polimerowe, wypełniając cząstki przewodzące, takie jak sadza (CB), nanorurki węglowe (CNT), włókna węglowe (CF) lub grafen. Przewodzące kompozyty polimerowe są szeroko stosowane w antystatycznych tworzywach sztucznych, materiałach ekranujących elektromagnetycznie, materiałach grzewczych o kontrolowanej temperaturze, materiałach o dodatnim współczynniku temperaturowym i urządzeniach wrażliwych na środowisko.
Przewodzące kompozyty polimerowe na bazie Pla wykazują również zdolność do rozkładu i biokompatybilność, co może być stosowane w specjalnych opakowaniach antystatycznych, opakowaniach z ekranowaniem elektromagnetycznym i opakowaniach inteligentnych. Polimer przewodzący na bazie pla może być stosowany w czujnikach gazu lub cieczy w celu wykrywania informacji o jakości żywności.
