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:

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:

1. Прямая полимеризация молочной кислоты с удалением воды. Даёт полимер средней молекулярной массы, ограниченной побочными реакциями.
2. 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