生物基可降解材料聚乳酸（PLA）合成工艺中的杂质控制与产品性能提升

一、引言

在全球 “ 双碳” 目标和环保意识不断增强的背景下，传统不可降解塑料带来的白色污染问题日益严峻，生物基可降解材料成为替代传统塑料的重要发展方向。聚乳酸（PLA）以可再生的生物质资源（如玉米、甘蔗等）为原料，通过化学合成或生物发酵的方法制备而成，具有良好的生物降解性、机械性能和加工性能，在包装、医疗、纺织、3D 打印等多个领域展现出广阔的应用前景 。然而，在 PLA 合成过程中，由于原料纯度、反应条件、设备清洁度等多种因素影响，不可避免地会引入各种杂质。这些杂质会对 PLA 的分子结构、热性能、力学性能等产生负面影响，降低产品质量和应用价值。

二、聚乳酸（PLA）合成工艺概述

2.1 合成方法

PLA 的合成方法主要有两种：直接缩聚法和开环聚合法。直接缩聚法是将乳酸单体在催化剂作用下直接脱水缩合生成 PLA，该方法工艺简单、成本较低，但由于反应过程中生成的水难以完全脱除，容易导致产物分子量较低、聚合度分布宽 。开环聚合法是先将乳酸制成丙交酯，再以丙交酯为单体，在催化剂作用下进行开环聚合反应生成 PLA。开环聚合法能够制备出高分子量、性能优良的 PLA，是目前工业生产中常用的方法 。

2.2 工艺流程

以开环聚合法为例，其工艺流程主要包括乳酸精制、丙交酯合成、丙交酯提纯和丙交酯开环聚合四个主要环节 。首先，对乳酸原料进行精制，去除其中的水分、金属离子等杂质；然后，将精制后的乳酸在高温和催化剂作用下脱水环化生成丙交酯；接着，通过重结晶、蒸馏等方法对丙交酯进行提纯，提高丙交酯的纯度；最后，以高纯度的丙交酯为单体，在催化剂存在下进行开环聚合反应，得到聚乳酸产品 。

三、PLA 合成工艺中杂质的来源及对产品性能的影响

3.1 杂质来源

原料带入：乳酸原料中本身可能含有水分、金属离子、有机杂质等。例如，以玉米为原料发酵生产乳酸时，发酵液中会残留一些糖类、蛋白质、色素等杂质，若精制过程不彻底，这些杂质会带入后续合成过程 。

反应过程引入：在合成反应中，催化剂的残留、反应设备的腐蚀产物以及反应过程中因副反应生成的杂质都会影响 PLA 的纯度。如在丙交酯合成过程中，催化剂辛酸亚锡若残留过多，会影响 PLA 的热稳定性；开环聚合反应中，若反应温度、压力控制不当，可能会发生副反应，生成低聚物、环状化合物等杂质 。

环境因素：生产环境中的灰尘、微生物等也可能成为杂质来源。在 PLA合成和加工过程中，若环境清洁度不达标，空气中的颗粒物质、微生物等会混入产品中，影响产品质量 。

3.2 对产品性能的影响

热性能：杂质的存在会降低 PLA 的热稳定性，使其在加工和使用过程中更容易发生热降解。例如，残留的催化剂会在高温下促进 PLA 的水解和热分解反应，导致材料的热变形温度降低，限制了 PLA 在高温环境下的应用 。

力学性能：杂质会破坏 PLA 的分子链结构，影响分子链的规整性和结晶度，从而降低材料的力学性能。如低聚物杂质的存在会削弱分子间的作用力，使 PLA 的拉伸强度、弯曲强度等力学性能下降 。

降解性能：某些杂质可能会影响 PLA 的生物降解速率和降解产物的安全性。例如，金属离子杂质可能会催化 PLA 的降解反应，导致降解速率过快或不均匀，影响材料的使用寿命；而一些有机杂质在降解过程中可能会产生有害副产物 。

四、PLA 合成工艺中的杂质控制方法

4.1 原料精制与预处理

对乳酸原料进行严格的精制和预处理是控制杂质的首要环节。采用膜分离、离子交换、蒸馏等方法去除乳酸中的水分、金属离子、有机杂质等。例如，通过多级膜过滤技术可有效去除乳酸中的大分子杂质和胶体物质；利用离子交换树脂可去除乳酸中的金属离子，提高原料纯度 。同时，对丙交酯提纯过程进行优化，采用多次重结晶、减压蒸馏等方法，进一步降低丙交酯中的杂质含量，为后续聚合反应提供高纯度的单体 。

4.2 反应过程控制

优化反应条件，严格控制反应温度、压力、时间和催化剂用量等参数，减少副反应的发生。在丙交酯合成和开环聚合反应中，采用精确的温度控制系统和压力监测设备，确保反应在最佳条件下进行 。选择高效、低残留的催化剂，并研究催化剂的回收和重复使用技术，降低催化剂残留对产品质量的影响 。此外，定期对反应设备进行清洁和维护，防止设备腐蚀产物混入反应体系 。

4.3 环境控制

建立清洁生产环境，采用空气净化、防尘、防潮等措施，减少环境因素引入的杂质。在生产车间安装高效空气过滤器，控制空气中的颗粒物质含量；保持车间内的湿度和温度稳定，防止微生物滋生和物料吸潮 。同时，对操作人员进行严格的培训，规范操作流程，避免人为因素导致的杂质污染 。

五、PLA 产品性能提升策略

5.1 分子结构调控

通过共聚、共混等方法对 PLA 的分子结构进行调控，改善其性能。例如，将 PLA 与聚己内酯（PCL）、聚乙二醇（PEG）等进行共聚或共混，可提高 PLA 的柔韧性、延展性和加工性能 。引入功能性单体进行共聚，赋予 PLA 新的性能，如抗菌性、生物相容性等，拓展其应用领域 。

5.2 结晶性能优化

优化 PLA 的结晶条件，提高其结晶度和结晶速率，从而提升材料的力学性能和热性能。通过添加成核剂，如滑石粉、纳米黏土等，促进 PLA的结晶过程，细化晶粒尺寸，提高结晶度 。同时，控制加工工艺参数，如冷却速率、成型温度等，影响 PLA 的结晶行为，获得理想的结晶结构 。

5.3 表面改性

对 PLA 进行表面改性，改善其表面性能，提高与其他材料的相容性和粘接性。采用物理方法（如等离子体处理、激光处理）或化学方法（如接枝改性、涂层处理）对 PLA 表面进行修饰，引入活性基团，增强材料的表面亲水性、耐磨性和抗菌性等 。

六、结论

杂质控制和产品性能提升是聚乳酸（PLA）合成工艺中的关键环节。深入了解 PLA 合成过程中杂质的来源及其对产品性能的影响，采用原料精制、反应过程控制、环境控制等方法有效控制杂质含量，同时通过分子结构调控、结晶性能优化、表面改性等策略提升产品性能，能够显著提高PLA 的产品质量和应用价值 。实际案例表明，相关措施的实施能够取得良好的效果。在未来的 PLA 生产中，应不断探索和优化杂质控制与性能提升技术，推动 PLA 材料在更多领域的广泛应用，为解决白色污染问题和实现可持续发展做出贡献 。

参考文献

[1]张奇,刘新军,陈健,等.聚乳酸生物合成路径优化探究[J/OL].北京理工大学学报,1-6[2025-05-31].https://doi.org/10.15918/j.tbit1001-0645.2024.190.

[2]吴静怡,王佳启,李亚,等.聚乳酸和玉米淀粉的复合工艺优化研究[J/OL].塑料科技,1-13

[3]段宇峰,付旭,廖晓丽,等.聚乙烯醇-g-右旋聚乳酸增韧全同质晶聚乳 酸外消旋共混物的研究[J].高分子学报,2025,56(05):832-844.