| 聚乳酸纖維是一種天然材料聚合體，具有其它纖維沒有的綠色性和優異的纖維性能，有望成為紡織工業新的經濟增長點，並在醫療等領域大顯身手。 |
現有合成纖維的資源基礎－石油－總有枯竭的時候，而天然高分子在自然界的生物合成總量現在高達每年107~184×1012噸，利用率也很低。因此，如何充分利用這些資源將是今後纖維業的主要研發任務之一。
另一方面，現今人們對服裝除了要求美觀大方外，也越來越追求舒適性和功能性，還要考慮其環保性。而纖維素、澱粉和植物蛋白等植物資源，由於可以生物降解和循環再生，也是紡織產品發展的一大趨勢。
近年來，以植物資源為原料的新型纖維的研究和開發受到了世界各國的高度重視，它們不但原料來源豐富、擁有可再生及可生物降解的特點，而且比合成纖維具有穿著舒適性和對人體皮膚的親和性。在這類纖維中，上世紀90年代末實現工業化的聚乳酸纖維無疑是最具發展潛力的一種。
聚乳酸纖維的“綠色性”
發展“綠色工業”是實現可持續發展戰略的基本出路，因此，是否符合“綠色化”要求是衡量一種新型纖維的生命力的先決條件。
各種纖維的能源消耗量對比 |
聚乳酸由乳酸合成，乳酸的原料為所有碳水化合物富集的物質，例如糧食（玉米、甜菜、土豆、山芋等）以及有機廢棄物（玉米芯或其他農作物的根、莖、葉、皮；城巿有機廢物；工業下腳料等），可以不斷再生，這有利於擺脫石油化纖的原料短缺威脅。將有機廢棄物轉化為乳酸，對於環境和資源保護也具有深遠的意義。
聚乳酸所用的原料均無毒性，其中L-乳酸是一種有高生化活性及安全性的重要有機酸，被廣泛應用於食品、化工、皮革、染料、化妝品、工業電子、農藥、醫藥等領域。工藝中，發酵污水的處理不存在難題，聚合物合成過程無環境污染。雖然聚乳酸的紡絲可採用溶液紡絲和熔融紡絲來實現，但目前聚乳酸纖維的商業化生產均採取熔融紡絲工藝，如高速紡絲一步法或紡絲－拉伸二步法等，不使用有毒溶劑，簡潔、清潔。
與天然纖維棉相比，聚乳酸纖維畝產量大，例如，棉花的畝產量只有63Kg，而玉米的畝產量達325Kg，因此，同樣1畝土地可以生產比棉纖維更多的聚乳酸纖維。除外，生產1噸棉纖維需要29000噸水，而生產1噸聚乳酸纖維的所需的水不到100噸。
同時，聚乳酸的熔點比丙綸還低，生產聚乳酸纖維消耗的能源量少於三大合成纖維，也低於PTT和Lyocell纖維，產品的綜合能耗是目前大類化學纖維生產中最低的。
聚乳酸及其原料的生產、製備、循環過程。 |
大多數合成纖維不能自然分解，其廢棄物會造成白色污染，聚乳酸纖維則具有良好的可生物降解性。試驗表明，聚乳酸先通過主鍵上的C-O鍵水解，然後在酶的作用下進一步降解。聚乳酸纖維的廢棄物埋入土壤中1~2年後機械強度逐漸降低，2~3年後失去強度。與微生物和複合有機廢料混合，它可以在幾個月之內分解成CO2和H2O，因此是一種理想的可生物降解纖維，特別適宜於2~3年的短期用途。這兩種產物通過植物的光合作用又可以變成乳酸的原料澱粉，在自然界中循環。
聚乳酸纖維的生產技術
聚乳酸的原料生產
聚乳酸的原料是乳酸，即-羥基丙酸、2-羥基丙酸。由於乳酸分子中有一個不對稱碳原子，所以具有d-型（右旋光）和L-型（左旋光）兩種對映體，等量的L-乳酸和d-乳酸混合而成的dL-乳酸不具旋光性。成纖聚乳酸以L-乳酸為單體。
L-乳酸的工業化生產主要有微生物發酵法和化學合成法兩大類。中國發酵乳酸工業主要採用玉米、大米、薯乾粉等為原料，以谷糠、麥皮等為輔料，以α-澱粉酶、糖化酶為液化劑、糖化劑，CaCO3為中和劑，經發酵生產乳酸鈣，再進一步酸化純化得到乳酸產品。
聚乳酸的合成
聚乳酸有兩種合成方法，即丙交酯（乳酸的環狀二聚體）的開環聚合和乳酸的直接聚合。
丙交酯開環聚合生產工序為：先將乳酸脫水環化製成丙交酯；再將丙交酯開環聚合製得聚乳酸。其中乳酸的環化和提純是製備丙交酯的難點和關鍵，這種方法可製得高分子量的聚乳酸，也較好地滿足成纖聚合物和骨固定材料等的要求。
乳酸直接縮聚是由精製的乳酸直接進行聚合，是最早也是最簡單的方法。該法生產工藝簡單，但得到的聚合物分子量低，且分子量分布較寬，其加工性能等尚不能滿足成纖聚合物的需要；而且聚合反應在高於180℃的條件下進行，得到的聚合物極易氧化著色，應用受到一定的限制。
由於原料原因，聚乳酸有聚d-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）和聚dL-乳酸（PDLLA）之分。生產纖維一般採用PLLA。
聚乳酸纖維的製備
聚乳酸在所有生物可降解聚合物中熔點最高，結晶度大，熱穩定性好，加工溫度在170~230℃之間，有良好的抗溶劑性，因此能用多種方式進行加工，如擠壓、紡絲、雙軸拉伸、注射吹塑。
聚乳酸及其共聚物的紡絲可採用溶液紡絲和熔融紡絲工藝，主要採用乾紡-熱拉伸工藝，而乾紡纖維的機械性能要優於熔紡纖維。研究表明，聚乳酸的分子量及其分布、紡絲溶液的組成及濃度、拉伸溫度、聚乳酸的結晶度和纖維直徑，都影響最終纖維的性能。
PLLA的特性粘度降 |
聚乳酸是熱塑性聚合物，可採用熔融紡絲。熔紡同溶液紡相比具有經濟上的優勢，因此對其研究非常活躍。PLLA對溫度非常靈敏，在升溫過程中特性粘度有較大幅度的下降，而且溫度越高，△η越大。因此成纖聚合體中的金屬、單體、水等的含量必須嚴格控制，尤其是殘留金屬及水分子在紡絲前必須嚴格去除，否則在紡絲過程中會引起分子量的急劇下降和腐蝕加工機械，製得的纖維性能降低。
在熔融紡絲前，把聚乳酸未端的-OH基用醋酸酐和吡啶進行乙酰化，結果發現其熱穩定性有所提高，為紡絲溫度低於200℃，聚乳酸基本不發生熱降解。採用二步法，即第一步熔融擠壓，第二步熱拉伸，可製得斷裂強度高於7.2 cN/dtex的聚乳酸纖維。
不同紡絲氣氛下聚乳酸的降解率。 |
研究還表明，紡絲的氣氛對初生纖維特性粘度的影響極大，苦用氮氣保護聚乳酸降解率明顯降低，不同分子量的聚乳酸應該有不同擠出溫度。
聚乳酸的特性粘度和合適的擠出溫度之間的關係。 |
聚乳酸及纖維的現狀及發展趨勢
乳酸研製
由於化學合成法所用原料為乙醛和劇毒物氫氰酸，因此其產品L-乳酸一般只適用於製革工業和化學工業，生產受到一定限制。酶轉化法和拆分dL-乳酸的方法工藝複雜，難以得到純淨的L-乳酸，也無法用於生產。而發酵法成本低、產酸純，故目前國內外的L-乳酸均通過發酵法生產。
從含有澱粉的原料中得到L-乳酸。 |
目前，世界乳酸消費量每年約達15萬噸，且年均增速達5%~8%。大型的生產聚乳酸級原料的生產企業主要集中在美國和西歐。荷蘭普拉克（Purac）是目前世界上最大的乳酸生產廠商，在巴西、西班牙和荷蘭本土的工廠生產的L-乳酸及衍生物總年產量共計6萬噸以上，佔世界乳酸巿場一半以上的份額。ADM和Sterling是美國原有生產能力較大的乳酸生產企業，合計年生產能力約為1.8萬噸。普拉克與美國嘉吉（Cargill）在美國已建成年產3.4萬吨的L-乳酸生產廠，並準備進一步擴大其生產能力。另外，美國近年建了4套年產3.4萬吨的L-乳酸裝置。因此，估計美國目前已擁有近20萬噸的年生產能力。
中國的研究起步較晚。1987年前後以上海工業微生物研究所、江蘇省微生物研究所、天津工業微生物研究所為代表，開展了發酵法生產L-乳酸的研究。至2001年，生產能力已經達到9萬噸/年，擬建生產能力達35萬噸/年，主要用於除草劑、製藥等領域。
丙交酯開環聚合工藝流程圖。 |
聚乳酸生產現狀
過去，分子量超過10萬的聚乳酸通常由價格昂貴的丙交酯經開環聚合製得，因此其在塑料和纖維方面的應用受到限制。近年，伊文達－費希又（Inventa-Fischer）建立了一個年產量為3000噸的丙交酯開環聚合中試工廠，使聚乳酸成本價格接近其它工程學上的塑料或纖維材料。
90年代後期，美國嘉吉和陶氏化學（Dow Chemical）合資組建了Cargill Dow（簡稱CDP），完善了工業化生產工藝，並以玉米為原料先建成年產能力為6000噸的試驗廠，2001年再建成14萬噸年生產能力的PLA聚合物工廠，開創了對聚乳酸的工業化發展階段。
日本數家公司亦相繼建立了規模不等的聚乳酸樹脂工廠。如島津（Shimadzu）於1992年製成聚乳酸塑料LACTY，1994年試產了100噸聚乳酸，製成了手術縫合線、骨片、垃圾袋、多種商品外包裝、園珠筆稈、氣球、繩索、魚網等；三井化學（Mitsui）也建立了年產500噸聚乳酸工廠，1998年在日本長野召開的冬奧會上，就使用了由聚乳酸製造的一次性餐具（杯、碟、碗等）。
直接熔融縮聚製備聚乳酸的研究方向：
* 選擇更有效的催化體系，既能促進可逆平衡反應中的脫水酯化反應，又抑制聚乳酸解聚環化生成丙交酯反應的發生，使聚合反應順利進行；
* 採用熔融——固相縮聚相結合的工藝，最佳使率接近100%，平均分子量達到60萬；
* 採用雙螺桿出機進行連續的熔融聚合，已成功地獲得了分子量大於15萬的聚乳酸。 |
與乳酸直接熔融縮聚相比，溶液直接縮聚容易由於排除反應後期的小分子，得到高分子量、含殘留單體和催化劑較少的聚合物。
此外，最近國外正嘗試用生物合成法製取聚乳酸，即培養、篩選合適的微生物，先在體內直接合成聚乳酸，再提取聚乳酸。該法可實現清潔生產，同時可進一步降低生產成本，提高產品的各種性能指標，擴大巿場應用範圍。
隨著聚乳酸在醫療、藥學、農業、包裝業等領域的廣泛應用，其生產能力和產業迅速增加。專家預測，在今後10年中，聚乳酸的生產能力可望成倍增長。
中國聚乳酸的研製在中科院化學所、中科院上海有機所、南京大學、浙江大學、同濟大學、東華大學等單位的努力下，已取得成功，有的正在進入生產規模的試驗。
聚乳酸纖維市場狀況
最早研究聚乳酸纖維的是日本鐘紡（Kinebo）。
溶液紡絲採用的二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯等溶劑有毒，而且溶劑回收困難，紡絲環境惡劣，工藝較為複雜，最終產品成本更高，從而其應用受到限制，到目前為止尚未見商業化生產報道。另一方面，熔融紡絲法生產聚乳酸纖維的工藝和設備正在不斷地改進和完善，已成為乳酸紡絲成形加工的主流，各種用於生產滌綸的現行熔融紡絲工藝（高速紡絲一步法，紡絲-拉伸二步法）都可採用。
目前鐘紡聚乳酸纖維年產量已達到700噸。尤尼吉卡（Unitika）使用美國CDP公司的聚乳酸通過熔融紡絲技術，成功地紡製了聚乳酸纖維、薄膜和紡粘非織造布Terramac，目前年產量已達1.6萬噸（薄膜1萬噸，纖維5000噸，紡粘非織造布1000噸）；纖維品種包括單絲、復絲和短纖維（常規型和皮芯複合型），紡粘非織造布包括常規型、皮芯複合型和模壓型。
美國CDP積極聯合日本與歐洲公司共同開展紡絲及下游產品加工與巿場開拓工作，取得不少成果，並於2003年1月發布了聚乳酸的品牌名稱Ingeo。
日本伊藤忠（Itochu）、中國台灣遠紡、美國Unify以及東麗（Toray），也都參與了和CDP的共同開發。此外，法國Fiherweb等也已研製出聚乳酸纖維及製品。香港福田以“粟米纖維”的名義開發了100%聚乳酸纖維布料和聚乳酸纖維與棉、彈性纖維以及滌綸等混紡、交織而得各種新型面料，具備一般人造纖維排汗、防臭和吸水以及易燃性低於滌綸等特性，製作兒童睡衣等產品。
專家預言，通過21世紀初期全球PLA聚合物和纖維的生產規模的擴大，隨著乳酸原料生產成本的降低，其價格會向接近滌綸發展，且用途迅速擴展，經濟效益將逐步顯現。
中國研製聚乳酸纖維的有東華大學、華南理工大學等，上海華源、儀征化纖等企業已與美國CDP公司洽談合作，並且開展了試紡工作。
東華大學2002年承擔了“聚乳酸的合成方法及纖維製備工藝”設計，並建成了一條包括熔體製備、紡絲和熱拉伸的試驗線，進行了採用二步法（第一步熔融擠出，第二步熱拉伸）生產聚乳酸的試驗，並確定了各工序的最佳工藝參數，形成了聚乳酸纖維連續生產（包括原料準備、熔體製備和成形工藝等）的關鍵技術。經中國化纖工業協會化纖產品檢測中心測定，製備的拉伸纖維斷裂強度達4.0cN/dtex，拉伸模量達62.3cN/dtex，斷裂伸長為31%；經國家教育部東華大學紡織檢測中心測定，熱定型纖維斷裂強度達3.79cN/dtex，拉伸模量達51.3cN/dtex，斷裂伸長為23.5%；達到了國際先進水平。該項目2003年7月通過了中國石化集團公司的技術鑒定。
對於聚乳酸纖維/棉和滌綸/棉混紡面料的對比測試結果。 |
聚乳酸纖維的性能和用途
除了良好的生物可降解性外，聚乳酸纖維具有其他突出的優點。
物理機械性能和加工性能
聚乳酸纖維的物理性質介於滌綸和錦綸之間，強度、伸長等也與滌綸和錦綸相似，但熔點最低，模量較低，具有很好的手感。聚乳酸纖維的彈性回復率高，玻璃化溫度適宜，說明其定型和保型性能好。聚乳酸纖維製成的服裝吸濕性優於滌綸，懸垂性和抗皺性好，比滌綸服裝更華麗美觀，是製造內衣、外裝、制服、時裝的理想材料。
聚乳酸纖維與常用纖維的性能比較（*腈綸在熔融時分解）。 |
聚乳酸纖維的加工適應性也很好，可以適應機織、針織、簇絨和非織造等現有絕大多數加工設備。在雙組分複合纖維製造中，PLA因其可以通過改性而調節和控制熔點、熱粘合性以及熱收縮性，通過控制雙組分纖維的皮層熔點和結晶溫度來生產海島型複合纖維、生產高膨鬆性或低膨鬆性非織造布。此外，聚乳酸纖維的化學惰性較好，對許多溶劑包括乾洗劑表現穩定，由此可以採用溶劑或非溶劑加工工藝。
染色性
聚乳酸纖維的染色以分散染料為好，能染淺、中或深的色澤，由於其折射率低，能染成深色。其染品的耐洗牢度和染料移染率良好，色牢度高於3級；耐紫外線，在氙弧光下不褪色，洗滌後基本上不變色。
舒適性
據模擬人體乾燥和出汗皮膚狀態下的對比測試表明，聚乳酸/棉混紡織物與同規格的滌綸/棉混紡織物對比有更大的舒適感。特別是其生物相容性好，不刺激皮膚，因此穿著時的舒適感特別好。
耐氣候性
聚乳酸纖維聚乳酸纖維在室外暴露5300小時後，抗張強度可保留95%(滌綸60%)；500小時後，抗張強度可保留55%左右，優於滌綸，因此可用於農業、園藝、土木建築等領域。
三種纖維的燃燒性能對比。 |
阻燃性
聚乳酸纖維的限氧指數是常用纖維中最高的，接近於國家標準對阻燃纖維限氧指數的要求(28~30)；燃燒時發熱量低，只有輕微的煙霧釋出，易自熄，火災危險性小。
安全性
聚乳酸纖維植入體內後無毒副作用，而且有一定的耐菌性和耐紫外性能，因此安全性好，不但可用作可吸收的手術縫合線和組織工程材料，而且很適合用於室外應用領域和室內裝飾織物。
聚乳酸纖維的應用。 |
目前，聚乳酸纖維已製成複絲、單絲、短纖維、假捻變形絲、針織物和非織造布等，主要用於服裝和產業領域。以聚乳酸纖維製得的布料具有真絲的光澤，優良的手感、亮度、吸水性、形狀保持性及抗皺性，因此是較理想的面料，適合做服裝尤其是婦女服裝。
1998年，鐘紡公司推出了聚乳酸纖維Lactron與棉、羊毛或其他天然纖維混紡製成的新型紡織品“Kanebo Corn Fiber”，1999年又正式展出由Lactron纖維製成的紡織品。2000年，尤尼契卡在亞洲產業用紡織品展覽會上展出的產品有聚乳酸纖維與Lyocell纖維交織的毛巾、襪、褲子、T恤衫、襯衣、裙子等。
聚乳酸共聚物可吸收縫合線。 |
鐘紡、尤尼契卡等還已將聚乳酸纖維的用途擴大到產業領域，主要是在土木工程中做網、墊子、沙袋和制土壤流失材料等；在農業、林業中做播種織物、薄膜、防蟲防獸害蓋布、防草袋和養護薄膜等，在漁業中做魚網、魚線等；在家用器具中作垃圾網、手巾、濾器、擦布等，在戶外器具中做蓬布、覆蓋布和帳篷等。
利用聚乳酸纖維在人體內可降解的特性，它在衛生醫療領域早已得到應用，主要做吸收縫合線、醫用繃帶、一次性手術衣、尿布等。
聚乳酸共聚物周圍神經再生導管。 |
東華大學研製的聚乳酸的共聚物纖維，2002年取得了以該纖維製可吸收縫合線的發明專利。該縫合線具有良好的手感、力學性能及組織相容性，該項目2002年獲得上海巿科技進步三等獎。
東華大學還與上海交通大學附屬第一人民醫院整形外科沈尊理教授等合作，將聚乳酸共聚物纖維製成支架，並將神經促進生長因子塗覆到管道和管線上製成圍神經再生導管，以提供神經生長的營養，發揮其幫助神經再生的全面生物活性，從而促使周圍神經沿導線及導管內壁再生恢復。
以聚乳酸共聚物纖維製成的牙周再生片是一種引導性組織再生器具，它採用膜狀物作為屏障，阻擋齦組織與根面的接觸，騰出空間供牙周韌帶潛能細胞生長分化，達到牙周組織再生的效果。
沈新元任東華大學材料科學與工程學院教授，兼任教育部高等學校高分子材料與工程專業教育指導委員會委員、上海化學化工學會膜技術及應用專業委員會副主任及上海生物醫學工程學會生物材料專業委員會委員。
Dr Shen Xinyuan is a professor of the College of Material Science & Engineering, Dong Hua University; committee member of Polymer Materials & Engineering Academic Educational Committee of China's Education Ministry; Vice Director of Membrane Technology & Application, Shanghai Society of Chemistry & Chemical Industry; and committee member of biological materials committee, Shanghai Society of Biomedical Engineering.
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