聚乳酸纤维的生物降解性探析

聚乳酸是使用生物质为原料发酵成乳酸再经聚合而成的，其纤维制品最大的特点是可以在自然环境中降解。而且这种降解的最终产物为H2O和CO2，不但不会对环境造成污染，而且产物还能再次被环境吸收回归自然，不会造成温室效应，既符合绿色环保要求又节能减排。

在正常的温度与湿度下，聚乳酸及其产品相当稳定。当处于有一定温、湿度的自然环境（如沙土、淤泥、海水）中时，聚乳酸会被微生物完全降解成水和二氧化碳[94]。

聚乳酸降解的机理不同于天然纤维素类。首先在降解环境中主链上不稳定的C—O链水解生成低聚物，水解作用主要发生在聚合物的非晶区和晶区表面，使聚合物相对分子质量下降，活泼的端基增多。而末端羧基对整个过程的水解产生了一种自催化的作用，使得降解加快，聚合物的规整结构进一步受到破坏（如结晶度、取向度下降，促使水和微生物容易渗入，内部产生生物降解），最后在酶的作用下降解成二氧化碳和水。表1-28是四种纤维降解前后的质量变化[111]。

表1-28　四种纤维降解前后质量变化(www.xing528.com)

影响聚乳酸水解的因素众多，主要是水解液的pH、温度、水解缓冲液的浓度等。一般情况下，聚乳酸在碱性条件下降解速率>酸性条件下降解速率>中性条件下降解速率；缓冲剂的含量大于5%时聚乳酸降解速率就会变慢[112]。

聚乳酸降解速率在很大程度上依赖于外部环境。聚乳酸在自然界中除了自身的水解，还会受到微生物（主要指真菌、细菌等）的降解作用。首先，聚乳酸纤维的表面被微生物黏附，在微生物黏附在纤维表面上所分泌的酶作用下，通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片[113]，最后这些碎片低分子聚乳酸被逐渐氧化成CO2和H2O。这种降解过程兼具生物物理作用和生物化学作用。生物物理作用即是由于生物细胞的增长而使聚乳酸纤维发生机械性的毁坏，而生物的化学作用即是微生物对聚乳酸纤维的作用而产生新的物质。这个过程中微生物分泌的一些生物酶起到了侵蚀部分导致纤维分裂或氧化崩裂的作用。

然而实际上，在自然界中，可直接分解PLLA的微生物及酶很少，而且聚乳酸纤维吸潮和吸湿率较低，不容易吸附霉菌，如果直接将PLLA纤维埋入土中，自然降解时间为2～3年，而若将PLLA纤维与有机废弃物混合掩埋，则几个月就会分解。国内外已经有一些科研工作者对如何加快聚乳酸的降解，缩短降解时间进行了研究。D.Cohn等[114]在L-丙交酯开环聚合中，采用羟基封端的聚己内酯（PCL）链引发，继而扩大链段形成聚酯共聚物，得到的共聚物的降解速率比PLLA和PCL均聚物本身的降解速率快。