PLA挤出发泡最新研究成果，未来PLA可能的研发方向

生物降解材料研究院原创报道，发泡塑料由于有气泡的存在，因此具有质轻、省料、能吸收冲击载荷、隔热和隔音的性能、比强度高等特性，特别是可以节省材料、减小能耗、降低成本方面，使得可以大力推广应用。

在生物降解塑料产业论坛上，恒天生物基材料的技术部部长宋亚男讲述了《挤出发泡聚乳酸材料及其应用》，主要讲述内容是在聚乳酸挤出发泡技术方面的研究：背景介绍、生产工艺的开发、材料及下游产品的开发状况等。

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禁塑令

关于国家发改委发布的“禁塑令”文件中提到的禁止使用一次性泡沫餐盒，聚乳酸发泡也是泡沫餐盒，那么为什么还要开发这种技术呢？

首先，要明白文件中禁止的不是聚乳酸发泡，而是传统的发泡塑料餐具，主要特指聚苯乙烯等发泡餐具。

而发泡是一种材料应用的加工方式，可以减少材料的使用量，同时赋予材料更好的抗冲性、柔韧性、保温性。
聚乳酸发泡材料，包括其他的生物降解发泡材料不在“禁塑”范围之内。

02

为什么开发发泡材料

材料对比

PLA是一种硬质材料，性能更接近于聚苯乙烯；PBS和PBAT更接近于传统的PE材料。那么，能不能把这几种材料经过发泡之后代替传统的聚苯乙烯或者聚乙烯材料呢？

常见的生物降解高分子材料和传统塑料的性能对比

接下来以未改性的聚乳酸与传统塑料材料性能进行对比来看一下开发发泡材料的必要性，表格如下。

由图可知：没有改性的聚乳酸耐热性较低；冲击强度较差，非常脆；收缩率也比较高；比重也比较高；最主要的是聚乳酸的价格非常高。

2020年内某一段时间聚乳酸的最高单价价格竟然达到40000元以上，而前几年聚乳酸单价约在20000元上下浮动。而PBAT目前的单价稍有下降，但是他们的价格仍然是一些传统塑料PP、PE价格的三到四倍。
因此，用这么昂贵的材料做成制品之后，进入市场，消费者根本无法接受，与传统塑料相比也没有竞争优势。

为什么开发

发泡材料有很多的优点，比如：大幅度减少材料的用量；重量非常轻；由于泡孔的存在导致发泡材料隔热性能非常好，同时也可以起到减震的作用；而且具有突出的介电性能等使得发泡材料具有非常广泛的应用。

若采用发泡方式则可以大幅降低生物降解制品的重量，从而降低成本，同时可改善产品的耐热及柔韧性！从而达到了既能生物降解，成本又不太高的问题。

开发生物降解发泡材料的主要原因是生物降解塑料存在如下两个问题：

1）产品成本：原材料价格高昂、加工效率低。

2）技术瓶颈：成型周期长，耐热性差，价格高，严重制约了聚乳酸的应用推广。

03

已开发的发泡材料

生物降解高分子发泡材料其实已经开发出了很多，比如淀粉泡沫、淀粉+纸浆/竹粉/秸秆粉泡沫、纤维素泡沫海绵、壳聚糖海绵等生物可降解的发泡材料。

淀粉泡沫的主要特点是原料充足、生物降解；其他发泡材料的主要缺点就是：不耐水不耐油；易发霉不易保存；热塑性加工难等。

因此，亟待开发这种可替代传统塑料PS、PE泡沫材料的生物降解发泡材料。可以在原有设备的基础上，或者进行设备改装来大面积的生产发泡材料。

04

影响PLA发泡发展缓慢的因素

聚乳酸发泡的研究开始的并不晚，但是为什么到现在大家仍然感觉聚乳酸发泡比较新颖呢？主要因为设备开发进程缓慢，无法验证效果；配方开发停留在实验室小试阶段，未进行工业化生产验证。

从影响发泡工艺的因素来看，主要分有三个方面：原材料、工艺和设备。
原材料：结晶/非晶，熔体强度，加工窗口，溶解扩散，剪切生热；

工艺：产品形式、发泡倍率、泡孔结构...设备：温度控制、压力控制、熔体混合、熔体冷却、机头结构...

到底能不能批量的进行工业化生产还没有得到实际应用，除了设备和配方的开发，聚乳酸的成本问题也是限制其工业化生产的重要因素。

聚乳酸发泡并不是一个新的课题，大约十年前，欧洲已经有公司在开发这种发泡材料了。
常见的食品包装几乎都可以用PLA发泡片材通过热成型的方式制备而成，较早的像意大利的coopbox，韩国TAG packaging等，荷兰的Synbra一直从事聚乳酸的釜压发泡技术。国内的恒天、中粮、中科院宁波材料所等也已经研究了5~10年左右。
这种材料一直都有客户在开发应用，但是它的产能一直没有扩张，主要是因为生产工艺非常复杂，尤其是在预发泡和成型阶段，粘结是存在的一个最大问题。

此外，高昂的价格也使得该种材料不适用于一次性餐具的使用。

05

PLA挤出发泡

挤出发泡是一种生产效率高、易于量产化、适用性比较广泛的工艺。通过这种方法可以生产发泡材料片材、板材或管材等。目前尚未见到注射发泡制得的商品。

其实，聚乳酸发泡不单是聚乳酸，聚合物的发泡是一个复杂的过程，包括原材料、设备、过程控制等工艺。它是同时涵盖了化学工程、高分子、机械等多个学科交叉的产业。

宋亚男谈到恒天在原有研发设备的基础上，对聚乳酸的发泡过程进行了研究，通过反复实验确定了稳定的生产过程。

生产中使用的是连续挤出发泡的工艺，通过挤出机物理发泡，采用高压气体注入的方式生产发泡的片材，中间没有使用化学发泡剂。

原料进入挤出机后，通过注入气体混合，再降温、定型、冷却生产出聚乳酸发泡片材，具体的工艺原理如下图所示。

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PLA发泡常见问题及解决方案

2010年开始，山东通佳机械、广东碧嘉、宁波材料所一起合作，共同研发PLA发泡技术。

但是，聚乳酸发泡过程中出现很多缺点，针对这些缺点，经过研究院不断的试验，提出了几种具体的解决方案，详细情况如下所示。

PLA发泡缺点：

1）PLA由于分子链中长支链少，熔体强度特别低，应变硬化不足，难以形成闭孔结构。

2）普通聚乳酸结晶速率低，但通过成核剂促进结晶的方式易导致加工窗口变窄。

3）PLA受剪切敏感易于降解，结晶和熔融温度相差较小，加工窗口窄。

4）PLA的加工温度(熔融温度)和冷却定型温度(玻璃化转变温度)相差较大，冷却困难。

在材料方面（对原材料进行改性，增强80倍的熔体强度，但是粘度依然在可加工范围内）、设备（螺杆结构）等几个方面采取的具体解决方案如下。

1）通过大分子接枝，改善分子链段移动，提高耐热温度；

2）通过分子扩链方式，提高聚合物熔体强度；

3）通过螺杆组合，模头结构及冷却系统的创新设计，实现连续化作业。

07

PLA的未来

1）发泡PLA与普通塑料对比

经过发泡后的聚乳酸材料：1）发泡后，大幅提高聚乳酸的结晶速度，10秒左右即可完成热模结晶；

2）耐热温度最高可达120℃以上；

3） 聚乳酸的耐冲击强度得到大幅提高，完全可以适应工业自动包装。

4）随着发泡倍率增加，聚乳酸制品的重量也呈倍数下降，大大降低了材料成本，可以被市场所接受。

2）PLA/发泡PLA/纸浆制品的对比

3）发泡PLA的现状及应用

4）从缺点，看PLA的未来发展

PLA缺点：

1）PLA聚乳酸制品强度低。

2）生产过程中软化点低，不利于工艺的掌控。

3）PLA韧性差，不耐冲击，限制了其高端市场及工业领域的应用。

未来PLA可能的研发方向：

1）柔性PLA：通过添加柔性材料PU、TPU等改善PLA相关特性，赋予其超强的柔性及弹性恢复性能。

2） 高强度PLA：通过添加玻璃纤维或其他一些高分子材料，进一步提升聚乳酸的强度，使其满足工业领域或特殊市场的要求。

3）耐高温PLA：目前PLA的软化点比较低，限制其在高温环境中的应用，通过添加成核剂加速结晶，或添加高分子材料改性，改变熔融指数或提升软化温度以达到扩展其应用领域的要求。

4）发泡PLA：通过机械和配方层面的开发，完善聚乳酸发泡的缺陷。降低生产成本、超临界二氧化碳的应用等都是开发PLA市场的关键。

来源 | 

[1]生物降解塑料产业论坛

[2]http://didajx.com/xinwenzhongxin/20190603/283.aspx

编辑整理 | 小将

转载请注明 | 生物降解材料研究院

博鳌国际禁塑产业论坛将于12月29-31日在海南博鳌举办，预计到场参会嘉宾1000余人，参展企业50余家。活动详情>>>

首批嘉宾阵容

陆文明    国际竹藤组织副总干事

蒋剑春    中国工程院院士

费本华    中国竹产业协会会长

领   导    海南工业和信息化厅 

季君晖    中科院理化所工程塑料国家工程研究中心研究员、博士生导师

王  戈     国际竹藤中心研究员、博士生导师   

甄光明    工业和信息化部华盛绿色工业基金会生物塑料首席科学家

窦和瑞    德国慕尼黑工业大学（TUM） 化工催化博士学位、美国麻省理工学院（MIT）化工系博士后  

刘志佳    中国林学会竹藤资源利用分会秘书长

黄   青    海南大学教授、博士生导师

黄俊彦    大连工业大学教授、植物纤维模塑专家

郁方铭    中央化学侏式会社中国总代表、环菱中央化学管理有限公司董事总经理

林其兵    环菱中央化学管理有限公司购买总监

王建忠    重庆瑞竹植物纤维有限公司董事长

殷志丹    广西华萱环保科技有限公司副总裁

藤步彬    广西华宝纤维制品有限公司董事长

石   杰    东莞市恒昇包装科技有限公司董事长

梁杰元    佛山市色邦新材料有限公司总经理

龚   真    中科信晖（海南）新材料科技有限公司副总经理

胡智功    海南天人降解塑料股份有限公司总经理

吴   敏    中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，纳米纤维专家

花骏琪    江苏优派克包装科技有限公司总经理

巢   邕    湖南双环纤维成型设备有限公司董事长

张廷瀚    厦门吉特利贸易有限公司总经理

赵宝琳    佛山必硕机电科技有限公司总裁

李   实    佛山必硕机电科技有限公司营销总监

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