發表時間：2010/3/23
文 / 趙永霞 董奎勇
近些年來，在一些技術文獻與市場廣告中總能看到「玉米纖維」的字眼兒。究其本源可以了解到，這種「玉米纖維」指代的是聚乳酸纖維。往深處探究，這種指代關係或許基於幾種緣由，一是聚乳酸纖維的生產原料乳酸可由玉米澱粉製得，由表及裡，索性就叫了「玉米纖維」；二是出於市場宣傳的考慮，為迎合消費者對生態環保生活的追求，將這種可生物降解並能由可再生原料製造的纖維叫做「玉米纖維」。
「玉米纖維」的稱謂在口頭上，或在民間俚語中，都不為過，但從學術或者技術角度上考慮，實在是有失偏頗。照此推測，不久的將來將催生出諸如「紅薯纖維」、「小麥纖維」、「甜菜纖維」等一系列既不尊重客觀原理。又會誤導消費的名稱，讓本就一頭霧水的消費者陡增了不少煩惱。可見，這種纖維本身的性能無可厚非，只不過單單用「玉米纖維」一言以蔽之似乎既詞不達意，又以偏概全，玉米只不過是這類纖維的代表原料，而聚乳酸纖維其實是一種生物質纖維。
1 PLA纖維的本源
聚乳酸纖維（英文學名為Polylactide fiber，簡稱PLAfiber）是一種新型的可生物降解合成纖維，本質上還是一種聚酯纖維。該纖維主要是以玉米、小麥、甜菜等含澱粉的農產品為原料，經發酵生成乳酸後，再經縮聚和熔融紡絲製成，通常也稱為聚丙交酯纖維。
PLA的化學結構式並不複雜，但由於乳酸分子中存在手性碳原子，有D型和L型之分，使丙交酯、PLA的種類因立體結構不同而有多種，如聚右旋乳酸（PDLA）、聚左旋乳酸（PLLA）和聚外消旋乳酸（PDLLA）。由於目前市場上的乳酸主要為L–乳酸（左旋乳酸）和D，L–乳酸（外消旋乳酸），因此通常大量被合成的乳酸為PLLA和PDLLA。
PLA纖維擁有較好的親水性、捲曲性、可染性、抗菌防黴性、耐紫外光性，同時具有優良的生物兼容性和可降解性。PLA原料來源豐富，且可再生，其纖維具有與滌綸相似的物理機械性能，可用常規熔紡設備生產，生產能耗小。PLA纖維在紡織領域有較廣泛的應用前景，而且還是一種重要的生物醫學用功能材料。
目前，在PLA的開發研究中，PLA樹脂的合成工藝是重點。在其合成中，最常用的起始原料為乳酸，中間體丙交酯是開環聚合的原料，聚合方法有多種，主要包括直接聚合法（簡稱一步法）、丙交酯開環聚合法（簡稱兩步法）以及丙交酯與其它單體的共同聚合法（簡稱共聚法）等。相比而言，一步法和兩步法生產技術較為成熟且用得較多。用於製備纖維的PLA樹脂，一般是PLLA。紡制PLA，既可以採用溶液紡絲，也可採用熔融紡絲。由於熔融紡絲加工工藝相對簡單，雖然其工藝和設備仍在不斷改進和完善，但已經成為PLA紡絲成形加工的主流方法。目前已生產的PLA纖維品種包括圓截面的單絲和復絲，捲曲或不捲曲的短纖，二元混絲，PET/PLA、PP/PLA二元復絲，紡粘法非織造布，熔噴法非織造布等。
PLA纖維的物理機械性能良好，其斷裂強度和斷裂伸長率與滌綸相近，但模量僅為其一半，屬於高強、中伸、低模型合成纖維，且吸溼性、回潮率較優。由於具有較高的結晶度和取向度，PLA纖維的耐熱性和強度較高，且較易進行染色及後加工。
2 國內外開發歷史及現狀
2.1 美國和日本掌握了主要生產技術
近年來，國外聚乳酸技術的開發和工業化生產得到了突破性進展，現在市場上的PLA纖維及其原料大部分來源於美國和日本。
事實上，早在1932年，DuPont（杜邦）公司的Carothers在真空條件下加熱乳酸就得到了低分子量的聚乳酸，因其分子質量低而放棄了研究；1948年美國維吉尼亞卡羅來納化學公司利用玉米殘渣提取玉米醇熔蛋白質，生產出Vicara纖維；1962年美國Cyanamid公司用聚乳酸製成了可生物吸收的醫用縫合線。然而，由於當時PLA的製備合成方PLA的化學結構式法還相當落後，難以應用於規模化生產，PLA的工業化發展受到極大阻礙。進入90年代後，綠色生態的纖維產品逐漸受到世界各國的重視，越來越多的企業紛紛加入PLA樹脂及纖維的開發行列，加上PLA合成技術和紡絲技術的進步，大大推動了世界PLA纖維業的發展。
1991年美國Cargill（卡吉爾）公司開展了以玉米等含澱粉農產品為原料製備乳酸及PLA的合成技術的研究，他們以玉米為原料發酵生產乳酸，然後在真空條件下採用溶劑脫水的現代技術和微機控制反應，生產高分子量PLA，通過中試，使PLA纖維的生產規模從 3 000 t/a擴大到 6 000 t/a。1997年，美國Dow Chemical（陶氏化學）與Cargill合作成立Cargill Dow Polymers（簡稱CDP）公司，同年CDP公司在明尼蘇達州建成了世界最大生產規模的PLA中試工廠，其產能達到 6 300 t/a。2001年11月該公司投資 3 億美元，採用二步法聚合技術，在美國內布拉斯加州Blair投產興建了一套14 萬t/a的PLA生產裝置，這是目前世界上最大的聚乳酸生產工廠。
2005年，陶氏退出股權，並將其全部股份轉讓給了日本帝人公司，CDP公司更名為NatureWorks公司，其PLA纖維稱為IngeoTM。2009年7月，帝人公司宣布退出在NatureWorks的經營，並將其在NatureWorks公司所佔有的 50% 的股份轉讓給合資的另一方Cargill公司。至此，NatureWorks成為Cargill公司的全資公司，目前已成為全球PLA生產的引領者。隨著IngeoTM 生物樹脂在各地需求的增長，NatureWorks計劃開闢第二個生產基地。據介紹，目前一次性產品已佔到NatureWorks公司總銷量的 60% ～ 70%，但其最終目標是佔領耐用品領域，因此該公司正在考慮將來對IngeoTM 產品進行分揀和再生。
日本在聚乳酸產業中擁有最多的專利。其中，日本鍾紡公司是最早開展PLA纖維研製和實現工業化生產的化纖生產商之一。1989年該公司開始進行生物降解材料的研究，由於發現PLA材料強度高、生物降解性能好，於是將PLA纖維作為開發重點。1994年，該公司在PLA長絲開發方面已取得了突破性進展，並確定了PLA纖維工業化生產技術。
1998日本島津製作所與鍾紡合作開發了以玉米為原料的PLA纖維，同年開發出了商品名為Lactron® 的服用纖維及其系列產品。1999年鍾紡公司的PLA纖維產能已達 700 t/a。為了擴大生產規模，同年該公司還與當時的CDP公司籤訂了長期購買PLA樹脂的合同。
日本三井化學公司曾以玉米、甜菜、馬鈴薯等為原料，在催化劑作用下，經過固相縮聚直接合成了PLA低聚物，並在惰性氣體中製得相對分子質量較高的PLA，其商品名為LaceaTM。日本尤尼吉卡公司則開發了PLA單絲、復絲和短纖（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）等系列產品。
2.2 國內尚處於初級階段
相比之下，國內PLA的生產技術仍處於起步階段，已建的生產線很少，且規模較小，不能滿足市場需求。所建項目中多為PLA塑料加工，而對纖維紡絲的生產技術研究屈指可數，特別是PLA纖維的工業化生產，國內基本上還是空白。目前國內從事PLA及其纖維基礎理論研究和生產技術應用研究的高校較多，其中如青島大學紡織服裝學院、華南理工大學材料學院、北京理工大學、東華大學等高校已在PLA及其纖維的製備、紡絲成形、非織造布製造等方面取得了較多的科研成果。與此同時，受利潤及市場形勢的驅使，一些紡織企業也躍躍欲試，試圖先行一步打開PLA纖維的市場，如上海華源股份有限公司開發了PLA 纖維加彈絲和拉伸絲及其布樣；儀徵化纖開展了PLA的聚合、紡絲及其結構性能的研究，進行了紡絲、織造、染整到服裝的一條龍開發，已取得初步成效；上海市合成纖維研究所於2005年底開始試製PLA短纖，目前已成功生產出了纖度為 1.9 ～ 2.2dtex、強度為 3.5 ～ 4.5 cN/dtex、伸長 38% ～ 45%、捲曲度為 l0% ～ 12% 的短纖維。
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