Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Биоразлагаемые полимеры. Часть 5

PLA хорошо известна своей биосовместимостью и биоразлагаемостью. Более того, PLA представляет собой термопластичный полимер, и ее можно легко перерабатывать с использованием существующего оборудования и технологий для обработки полимеров. PLA можно перерабатывать в волокна, пленки, листы и трехмерные изделия путем вытяжки волокна, выдувания пленки, экструзии и литья под давлением. С постоянным падением цен на сырье PLA постепенно завоевывает долю рынка. Ее прозрачность делает ее пригодной для биоразлагаемой упаковки, такой как бутылки, пищевые контейнеры и обертки. Она также используется для изготовления посуды для общественного питания, мешков для газонов и пищевых отходов, покрытий для бумаги и картона, а также волокон для одежды, ковров, простыней и полотенец и для изготовления настенных покрытий. В биомедицине она используется для изготовления швов, стентов, протезных материалов, диализных сред и устройств для доставки лекарств. PLA разлагается в основном за счет гидролиза в двухстадийном процессе.

Во-первых, случайный разрыв цепи сложноэфирных групп PLA снижает ее молекулярную массу. Скорость разрыва цепи зависит от значения pH, температуры и влажности окружающей среды. Охрупчивание полимера происходит с уменьшением его молекулярной массы. Во-вторых, низкомолекулярная PLA метаболизируется микроорганизмами с образованием диоксида углерода, воды и гумуса. Свойства PLA могут быть совершенно разными из-за наличия боковой метильной группы на альфа-атоме углерода. Изомеры L-, D- и DL-лактидов существуют благодаря этой структуре. L-лактид вырабатывается большинством микроорганизмов. DL-лактид – это синтетическая смесь D-лактида и L-лактида. Гомополимер L-лактида (PLLA) представляет собой полукристаллический полимер с типичной температурой плавления (Tm) 160-180 градусов и температурой стеклования (Tg) 55-65 градусов по Цельсию. Полимер обладает высоким пределом прочности на разрыв / модулем упругости и низким удлинением, что делает его пригодным для несущих нагрузок, например, для ортопедической фиксации и наложения швов. Поли (DL-лактид) (PDLLA) представляет собой аморфный статистический сополимер L-лактида и D-лактида. Он имеет более низкую прочность на разрыв, большее удлинение и гораздо более быстрое время разложения, что делает его более привлекательным в качестве системы доставки лекарств.

Во-первых, PLA можно упрочнить путем сополимеризации лактидов с другими мономерами. Например, было обнаружено, что сополимеры лактида / капролактона становятся все более эластичными, когда количество капроильных звеньев в сополимерах увеличивается с 5% до 20%. Когда 50% триметиленкарбоната (ТМС) было сополимеризовано с лактидом, удлинение сополимера увеличилось до 900%, тогда как предел прочности на разрыв снизился в 10 раз до 5 МПа. Во-вторых, снижение Tg PLA путем добавления смешиваемых пластификаторов — еще один важный метод повышения жесткости PLA. Мономер и олигомер лактида являются естественными пластификаторами PLA. При приблизительно 20% мономера или олигомера молочной кислоты удлинение при разрыве PLA увеличивалось до более чем 200%. Также использовались другие пластификаторы, такие как полиэтиленгликоль и триэтилцитрат. Смешивание PLA с пластичными полимерами, вероятно, является наиболее удобным и, следовательно, наиболее изученным способом упрочнения PLA. Чтобы сохранить способность к биологическому разложению конечных смесей, пластичные биоразлагаемые полимеры часто используются для смешивания с PLA. Среди этих полимеров наибольший исследовательский интерес вызвал PCL.

PCL — это биоразлагаемый полимер, гибкий при комнатной температуре из-за его низкой температуры стеклования. Смешивание PLA с PCL привело к значительному повышению пластичности и вязкости. PLA также была упрочнена другими биоразлагаемыми полимерами, такими как PBAT и PBS. Вышеупомянутые три способа упрочнения, то есть сополимеризация, пластификация и смешение, могут значительно увеличить удлинение PLA. Однако прочность и модуль PLA одновременно существенно снижаются. Было показано, что полимеры, упрочненные жесткими частицами, могут сохранять или даже увеличивать свою прочность и модуль. Недавнее исследование ужесточения PLA при помощи MMT показало, что PLA может быть усилена и упрочнена одновременно при низкой концентрации MMT (менее 2,5%). Кроме того, группа исследователей приготовила тройную смесь PLA / PBS / MMT смешиванием в расплаве. Когда MMT был функционализирован эпоксидной смолой, тройная смесь показала модуль упругости, аналогичный чистой PLA (1,99 против 2,21 ГПа), и значительно увеличила удлинение при разрыве (118,1% против 6,9%).