Полимолочная кислота: свойства и применение¶
Полимолочная кислота (ПЛК, полилактат, PLA от англ. polylactic acid) — биоразлагаемый термопластический полиэфир, получаемый полимеризацией молочной кислоты или её производных. Относсится к классу алифатических полиэстеров на основе возобновляемого сырья. Широко применяется в 3D-печати, медицине, пищевой упаковке и сельском хозяйстве. Материал признан безопасным для контакта с пищевыми продуктами и нетоксичным при разложении в окружающей среде.
¶Свойства
Полимолочная кислота обладает рядом характеристик, определяющих её практическое применение:
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Плотность | 1,21–1,26 г/см³ |
| Температура стеклования | 55–65 °C |
| Температура плавления | 150–180 °C |
| Модуль упругости | 2,7–3,5 ГПа |
| Прочность на разрыв | 40–70 МПа |
| Разложение в почве | 6–24 месяца (при компостировании) |
ПЛК прозрачна, обладает хорошей газонепроницаемостью, однако хрупка и чувствительна к влаге: в воде материал постепенно гидролизуется. Для повышения ударной прочности и термостойкости полилактат часто смешивают с другими полимерами — полигликолевой кислотой (ПГК), поликарбонатами, крахмалом, целлюлозой.
¶Получение
Основным сырьём для производства ПЛК служит молочная кислота, которую получают ферментацией углеводов — кукурузного крахмала, сахарной тростниковой патоки, сахарной свёклы, картофеля. В России молочную кислоту производят, в частности, предприятия в Калужской области и на Урале.
Полимеризация осуществляется двумя основными способами:
- Прямая полимеризация молочной кислоты с удалением воды. Даёт полимер средней молекулярной массы, ограниченной побочными реакциями.
- Косвенная полимеризация через лактид — циклический димер молочной кислоты. Сначала лактид очищают, затем проводят полимеризацию с открытием кольца под действием катализаторов (чаще всего оловоорганических). Этот метод позволяет получить ПЛК высокой молекулярной массы и является промышленным стандартом.
¶Биоразлагаемость
Ключевое свойство полимолочной кислоты — способность к биологическому разложению. При попадании в компостную кучу с влажностью выше 55 °C и активной микрофлорой полилактат гидролизуется до молочной кислоты, которая далее минерализуется микроорганизмами до углекислого газа и воды. Стандарт EN 13432 и аналогичные нормативы определяют срок полного разложения за 6 месяцев в промышленном компостировании.
В холодной пресной воде, морской воде или сухой почве процесс идёт значительно медленнее — годы. Это ограничивает экологические преимущества ПЛК: материал не разлагается самопроизвольно в естественных условиях, а требует специальной инфраструктуры компостирования.
¶Применение
¶3D-печать
Полилактат — один из самых распространённых материалов для аддитивных технологий. Прутки для 3D-печати из ПЛК выпускаются в широкой цветовой гамме, печатаются при 190–220 °C на столе с подогревом до 60 °C. Материал ценится за низкую усадку, отсутствие резкого запаха при печати и возможность последующего компостирования отходов.
¶Медицина
В медицинских целях ПЛК и сополимеры на её основе применяются для производства:
- рассасывающихся хирургических нитей и штифтов;
- имплантатов, постепенно замещаемых костной тканью;
- систем контролируемого высвобождения лекарственных веществ;
- биоразлагаемых стентов.
Биосовместимость полилактата подтверждена клиническим использованием с 1970-х годов.
¶Упаковка
ПЛК используется для изготовления одноразовой посуды, контейнеров для пищевых продуктов, плёнок и волокнистых упаковочных материалов. В России производство биоразлагаемой упаковки из полимолочной кислоты развивается в рамках программ по сокращению пластика, однако объёмы остаются небольшими по сравнению с традиционными полимерами.
¶Сельское хозяйство
Биоразлагаемые плёнки из ПЛК применяются в мульчировании: укрытие почвы предотвращает рост сорняков и сохраняет влагу, а после сезона плёнка разлагается без необходимости уборки.
¶Ограничения
Основные недостатки полимолочной кислоты:
- низкая температура стеклования ограничивает использование изделий при нагреве выше 50–60 °C;
- хрупкость по сравнению с традиционными термопластиками;
- стоимость сырья и полимера выше, чем у полиэтилена или полипропилена;
- зависимость от продовольственного сырья (крахмала) при производстве молочной кислоты.
Для устранения этих ограничений разрабатываются сополимеры (PLGA, полилактид-капролактон) и композиты с наполнителями.
¶Экологическая дискуссия
Полимолочная кислота позиционируется как экологичная альтернатива традиционным пластикам, однако ряд исследователей указывает на ограниченность её преимуществ: без промышленного компостирования материал разлагается медленно, а производство требует сельскохозяйственных ресурсов. Тем не менее ПЛК остаётся одним из наиболее перспективных биополимеров с уже сложившейся промышленной технологией.
¶Источники
- Григорьев М. Ю., Попова Е. В. Полимолочная кислота: синтез, свойства, применение
- Воробьёв Ю. Н., Кулешова Н. В. Биоразлагаемые полимеры на основе полимолочной кислоты
- Литвинов В. Е. Биополимеры: структура, свойства, переработка
- Материалы ГОСТ Р и стандарт EN 13432 по компостируемости упаковки
