聚乳酸(PLA)是全球第一种生物基合成纤维,首次合成于100多年前。但直到20世纪80年代末至90年代初,DuPont(杜邦)和Cragill(嘉吉)公司才探索了乳酸、丙交酯和PLA的应用并对其进行商业化。目前Natureworks已成为全球最大的PLA供应商之一。
根据欧洲生物塑料协会预测,由于亚洲、北美和欧洲新建了一系列大型生产装置,2022—2027年期间,全球PLA产能将以35%以上的年均复合增长率快速发展,2027年有望达到240万t左右。2022年,PLA产能中约有10%(约 5 万t)用于加工纤维。从历史数据看,PLA纤维领域的增速略低于整个PLA聚合物市场,如果延续这种发展趋势,预计2022—2027年期间PLA纤维的年均复合增长率为30%~35%。
当前,未改性PLA在性能上仍具有一些局限性,例如脆性(尤其是在7℃以下)和低热变形温度(HDT)。强大的市场前景推动了PLA改性工艺的创新,目前主要有 3 种途径 —— 化学改性、物理改性和相容剂改性。
其中,化学改性方法主要包括嵌段共聚、接枝共聚、交联、扩链等,以提高PLA纤维的拉伸强度、拉伸模量、热稳定性、生物相容性等;物理改性主要采用热塑性塑料(如聚醚醚酮)、生物降解树脂(如聚己内酯)、弹性体、橡胶、纳米粒子、嵌段聚合物、接枝聚合物或其他纤维,以提高PLA纤维的拉伸强度、拉伸模量、热稳定性、结晶性、生物降解性、生物相容性、断裂伸长率等;增容剂(如PBS、乙二醇甲基丙烯酸酯),主要用于提高PLA纤维的韧性。
除以上 3 种改性方法外,PLA纤维的技术创新还集中在以下几个环节:PLA原料乳酸的发酵、分离、纯化技术,PLA纤维及纱线的绿色染色技术,工业规模熔融纺丝装置的设计,以及PLA纤维的阻燃、抗菌等附加功能。
当前,聚合物行业对立构复合PLA寄予厚望,这是一种基于 1∶1 的PLLA/PDLA复合物。日本帝人株式会社(Teijin)在其Biofront计划中推出了立构复合PLA,可作为眼镜框等的注塑级材料。立构复合PLA熔点高,约为 200~250 ℃,因此,耐热性堪比聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。帝人还在日本新能源和工业技术开发组织(NEDO)的支持下开发了板材和薄膜级材料以及纤维。虽然,熔点大幅提高,但立构复合PLA的可生物堆肥性能受到影响。
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