Полимолочная кислота: свойства и применение¶

Полимолочная кислота (полилактид, ПМК, PLA — от англ. polylactic acid) — биоразлагаемый алифатический сложный полиэфир, получаемый полимеризацией молочной кислоты или её циклического димера — лактида. Относится к классу термопластичных полимеров и является одним из наиболее распространённых промышленных биоразлагаемых пластиков. Сырьём для её производства служат возобновляемые ресурсы — кукуруза, сахарный тростник, картофель, пшеница, — что отличает полимолочную кислоту от полимеров нефтяного происхождения.

¶Химическое строение и свойства

Мономером служит молочная кислота (2-гидроксипропионовая кислота), существующая в виде двух оптических изомеров — L- и D-форм. Из них образуются три основных типа полимера: поли-L-лактид (PLLA), поли-D-лактид (PDLA) и поли-D,L-лактид (PDLLA). Стереохимический состав определяет кристалличность и температуру плавления: PLLA кристалличен и плавится при 173–178 °C, тогда как PDLLA аморфен.

Ключевые характеристики ПМК:

• плотность около 1,24–1,25 г/см³;
• температура стеклования 55–60 °C;
• прочность на разрыв, сопоставимая с полиэтилентерефталатом и полистиролом;
• растворяется в хлорированных растворителях, ограниченно устойчива к воде;
• разлагается в промышленном компосте за 1–6 месяцев под действием микроорганизмов.

Полимолочная кислота перерабатывается большинством стандартных методов: литьём под давлением, экструзией, выдувным формованием, производством волокон.

¶История

Молочную кислоту впервые выделил шведский химик Карл Вильгельм Шееле в 1780 году из кислого молока. Полимер на её основе получил в 1932 году американский химик Уоллес Карозерс, работавший в компании DuPont. Однако высокомолекулярный продукт долгое время не удавалось получить из-за сложности очистки мономера.

Промышленное производство началось лишь в 1990-х годах, когда компания Cargill (США) разработала эффективную технологию полимеризации через лактид, а совместное предприятие Cargill Dow (позднее NatureWorks) в 2002 году запустило крупный завод мощностью около 140 тыс. тонн в год в штате Небраска. С тех пор мощности по выпуску ПМК выросли в мире в несколько раз, а сам материал под торговыми марками Ingeo, Ecovio и другими вошёл в массовое производство упаковки.

¶Производство

Технологический процесс включает несколько стадий:

1. Ферментация — сахара из растительного сырья сбраживаются бактериями (обычно рода Lactobacillus) с образованием молочной кислоты.
2. Очистка и дистилляция — выделение кислоты и разделение изомеров.
3. Поликонденсация — получение низкомолекулярного преполимера.
4. Деструкция и образование лактида — циклизация димеров.
5. Полимеризация с раскрытием цикла — получение высокомолекулярного полимера с заданной молекулярной массой.

Крупнейшие производители расположены в США, Китае, Таиланде, Бельгии и Нидерландах. Значительная часть сырья — кукурузный крахмал.

¶Применение

Благодаря биосовместимости и способности разлагаться ПМК применяется в нескольких отраслях.

¶Упаковка

Из полимолочной кислоты делают одноразовую посуду, стаканы, контейнеры для пищевых продуктов, пакеты, плёнки. Материал пригоден для контакта с пищей и маркируется кодом переработки «7» (прочие).

¶Медицина

Биосовместимость и контролируемая скорость деградации сделали ПМК основой для рассасывающихся хирургических нитей, штифтов, винтов для фиксации костей, каркасов для тканевой инженерии и систем доставки лекарств. Полимер постепенно распадается в организме до молочной кислоты, включающейся в естественный метаболизм.

¶3D-печать

ПМК — самый популярный материал для FDM-печати. Низкая температура печати (190–220 °C), отсутствие резкого запаха и доступность сделали его стандартом для настольных 3D-принтеров. Для улучшения свойств выпускаются композиты с добавлением древесного волокна, металлов, углерода.

¶Текстиль

Из волокон ПМК производят одежду, нетканые материалы, гигиенические изделия. Волокно обладает хорошей воздухопроницаемостью и устойчивостью к ультрафиолету.

¶Экологические аспекты

Полимолочная кислота позиционируется как альтернатива традиционным пластикам, однако её экологичность имеет ограничения. Для разложения необходимы промышленные условия компостирования: температура выше 55 °C, определённая влажность и микробная среда. В обычных условиях на свалке или в океане ПМК разлагается медленно, сопоставимо с некоторыми обычными пластиками. Кроме того, производство требует значительных площадей сельхозугодий и воды, что порождает конкуренцию с продовольственным сектором.

ПМК не подлежит переработке вместе с ПЭТ и полиэтиленом, так как загрязняет вторичное сырьё. Для неё требуются отдельные потоки сбора.

¶Сравнение с другими биоразлагаемыми полимерами

Комбинации ПМК с ПБАТ и крахмалом позволяют получать гибкие компостируемые плёнки, применяемые в упаковке.

¶Перспективы

Рынок полимолочной кислоты растёт, что связано с ужесточением законодательства по пластиковым отходам в Европейском союзе, Канаде и ряде штатов США. Развиваются технологии производства молочной кислоты из непищевого сырья — лигноцеллюлозы, отходов сельского хозяйства. Ведутся работы над повышением термостойкости и ударной вязкости ПМК для расширения применения в автомобилестроении и электронике.