鑽石舞台

余木火：技術，聚乳酸纖維的靈魂【連載1】

對乳酸發酵技術、乳酸聚合催化技術、乳酸聚合穩定控制技術以及聚乳酸熔融紡絲技術的探討

聚乳酸纖維的原料來源於玉米、木薯、甘蔗、稻草、秸稈等含澱粉、糖、纖維素的生物質原料，其聚合生產和紡絲過程無污染，並且其產品使用後，在堆肥條件下可快速降解為二氧化碳和水，進而被植物吸收，經植物「光合作用」重新生成植物澱粉、葡萄糖或纖維素，這些原料又可以被用來合成聚乳酸，形成一個閉合的碳循環。在整個循環過程中，我們需要解決將生物質原料製備成聚乳酸纖維的問題，這就包括對乳酸發酵技術、乳酸聚合催化技術、乳酸聚合穩定控制技術以及聚乳酸熔融紡絲技術的探討。

1、乳酸發酵技術

1.1纖維素原料的預處理和降解技術

未來，聚乳酸的發展需要利用纖維素原料，這意味着原料的預處理和降解技術是繞不過的門檻。這方面的技術，可以借鑑生物能源乙醇的發展經驗。生物質燃料乙醇生產中對常用的原料預處理方法有4種，分別為物理法、化學法、物理化學法、生物法。物理法、化學法和物理化學法預處理方法均可使纖維素粉化、軟化，提高纖維素的酶解轉化率，但這些方法存在着能耗高、纖維素損失量大、污染相對嚴重等不足，制約着生物質燃料乙醇的生產。

而生物法是利用白腐菌、褐腐菌和軟腐菌等微生物在培養過程中產生的分解木質素的酶類，專一性地降解木質素，提高纖維素和半纖維素的酶解糖化率。作用條件溫和、環境友好型、專一性強、處理成本低等是生物法處理的優點，但另一方面，生物法也存在目前已知的木質素降解白腐真菌種類有限、木質素分解酶類的酶活力較低、作用周期長等缺點，因此需要進一步解決關鍵技術問題。

1.2乳酸發酵菌種

聚合級的L-乳酸生產是聚乳酸產業發展的前提，但國內企業普遍缺乏具有自主知識產權的優良菌種，這也使得發酵水平過低、生產成本過高。根據技術經濟分析的結果，乳酸發酵的規模生產需要在厭氧條件下連續發酵進行，並要求達到以下水平：發酵液中濃度達到180g/L、產量達到20g/（L·h）、葡萄糖轉化率達95%以上。目前，已經有不少菌株可以達到，發酵液中濃度180g/L、葡萄糖轉化率95%以上的水平，但產量20g/（L·h）卻很少有菌株能夠實現，現有菌株產量普遍在5g/（L·h）甚至2g/（L·h）以下。

1.3無石膏發酵工藝

為了減輕乳酸發酵過程中調酸帶來的污染、降低相應的能耗，普拉克公司已經開發了相應的無石膏發酵工藝。而美國嘉吉公司則表示，其目前工藝中只需要使用很少的硫酸。

2、乳酸聚合催化技術

一方面，目前高端的聚乳酸產品（例如紡粘級）中需要解決的關鍵問題之一就是聚乳酸高分子的分子量分布不均，這需要新型催化劑的開發，而這也會帶來整個工藝流程中參數的改變。另一方面，目前聚乳酸的合成方法主要有直接縮聚法、開環聚合法、共聚法和擴鏈聚合法等，其中丙交酯開環聚合法是目前主流的應用方法。國內採用丙交酯開環聚合法的企業中，大部分採用錫鹽類催化劑（如辛酸亞錫）作為開環聚合的催化劑。但是，金屬帶來的細胞毒性，加熱和減壓的聚合反應條件、反應時間，聚乳酸的分子量難以得到有效地控制等技術缺陷限制了該方法的進一步應用和推廣。

故研發高效的催化劑、探索能有效控制分子量且操作工藝簡單的合成方法，是聚乳酸合成領域亟待解決的問題。由於催化劑條件改變後，乳酸聚合的溫度、壓力等條件都會有所改變，因此新型催化劑的研發是前提，也是進一步發展乳酸聚合相應設備的必要條件。

3、乳酸聚合穩定控制技術

從聚合生產的時間來看，能夠合成聚乳酸僅僅是第一步，後續的穩定性控制、低成本生產能力則依賴技術研發和工程化實驗的協同。例如，除催化劑本身的研究外，還需要開發催化劑減活化劑等。一般而言，催化劑減活化劑含有平均每分子兩個以上羧酸基團，常見的如亞磷酸酯減活化劑等。此外，普拉克稱，與蘇爾壽公司的合作可使聚乳酸廠家最高提高24倍的效率，而目前美國嘉吉NatureWorks公司也已經通過與蘇爾壽的合作提高了產量，這說明了設備技術的重要性。

4、聚乳酸熔融紡絲技術

熔體紡絲將聚合物加熱熔融通過噴絲孔擠出，在空氣中冷卻固化形成纖維的紡絲方法，是至今為止聚乳酸最經濟化的紡絲方法。

聚乳酸的熔融紡絲與現有滌綸生產和各種紡絲工藝相近，如高速紡絲一步法、紡絲－拉伸兩步法均適用，但聚乳酸的熔紡成型比滌綸難控制，原因是聚乳酸熔體的黏度高以及對溫度的敏感性。對相同分子量的聚乳酸熔體，其黏度要遠高於滌綸熔體的黏度，為達到紡絲成型時較好的流動性，聚乳酸必須具有較高的紡絲溫度，但聚乳酸在高溫下尤其是經受較長時間的高溫容易分解，造成紡絲型的溫度範圍較窄，因此，聚乳酸熔紡工藝的良好控制非常關鍵。由於環境污染小、便於產業化等優點，熔融紡絲已成為聚乳酸纖維的主要生產方法。