制造工艺显著影响聚乳酸（PLA）在受控堆肥条件下的降解速率

《RSC Sustainability》：Manufacturing process significantly impacts the rate of degradation of polylactic acid (PLA) under controlled composting conditions

本研究分析了3D打印与注塑成型PLA实验室组件在工业堆肥中的降解差异。结果表明，3D打印PLA因表面粗糙度高、水接触面积大，降解率（12周内>90%）显著高于注塑成型样品（54%）。机械回收三次后PLA的拉伸强度下降35%，堆肥4周内完全降解。表面拓扑结构、分子量及结晶度是影响降解的关键因素，需在可降解材料设计中重点考虑。

　　近年来，随着传统石化塑料对环境造成越来越严重的负面影响，生物塑料的使用正以稳定的速度增长。生物塑料不仅能够通过可再生资源生产，还具有可降解性，这使其成为可持续材料的重要替代品。根据预测，全球生物塑料的产量将在2023年从218万吨增加到2028年的743万吨。在这些生物塑料中，聚乳酸（PLA）占据了最大的市场份额，2023年的全球市场占有率约为31%。随着PLA在各类应用中的广泛使用，了解其在实际使用后的降解方式变得尤为重要。本研究探讨了PLA在工业堆肥条件下，采用3D打印和注塑成型两种制造工艺对PLA实验室器具组件降解速率的影响。

PLA的降解主要依赖于其分子结构的变化，包括酯键的水解断裂，形成低分子量的聚合物链。这一过程在不同环境条件下可能表现出不同的速率。在本研究中，采用了两种制造方法：3D打印（熔融沉积成型，FDM）和注塑成型，分别制备了PLA样品。实验结果表明，在工业堆肥条件下，3D打印的PLA样品在12周后降解率超过90%，而注塑成型的PLA样品仅达到约54%的降解率。这表明，3D打印工艺可能在某些情况下比注塑成型更能促进PLA的降解。此外，研究还考察了机械回收对PLA降解率的影响，发现经过三次机械回收的PLA样品降解速率略有提高，但其机械性能显著下降。

PLA的降解速率受到多种因素的影响，包括其表面形貌、制造工艺以及环境条件。为了全面分析这些因素，本研究采用了多种分析技术，如凝胶渗透色谱（GPC）、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）以及表面轮廓分析（profilometry）。这些技术有助于揭示PLA在降解过程中的结构变化，从而为评估其在实际应用中的环境影响提供科学依据。研究发现，3D打印的PLA样品具有更大的表面积和更高的吸水性，这可能加速其在堆肥条件下的降解。而注塑成型的PLA样品由于其相对均匀的结构，降解速率较慢。

在实际应用中，PLA的降解过程可能受到其制造工艺和后续处理方式的影响。例如，蒸汽灭菌（autoclave）作为生物实验室废弃物处理中的常见步骤，可能会改变PLA的结构，进而影响其降解速率。研究显示，经过灭菌处理的PLA样品在降解过程中表现出更快的分解速度。此外，机械回收对PLA的降解也有一定影响，但随着回收次数的增加，PLA的机械性能会逐渐下降，这可能限制其在某些应用中的重复使用。

本研究的结果对于开发和推广“可生物降解”的PLA产品具有重要意义。它强调了在设计和制造过程中，材料的表面形貌和加工方式对降解行为的影响。因此，在选择PLA作为替代材料时，需要综合考虑其加工方式和后续处理方法，以确保其符合国际堆肥标准（如ISO 17088和ISO 20200）。同时，研究还指出，不同尺寸和形状的PLA产品在降解速率上可能存在显著差异，这为未来PLA产品的优化设计提供了方向。

PLA的降解过程通常分为几个阶段，包括生物膜形成、解聚和矿化。这些阶段受到多种环境因素的影响，如湿度、温度、氧气含量和pH值。在本研究中，堆肥环境被设定为典型的工业堆肥条件，即高温（58°C）、高湿度（60% w/w）和充足的氧气。在这样的条件下，PLA的降解速度受到其表面结构和分子量的影响。例如，3D打印的PLA样品由于其复杂的表面结构，更容易与水分子接触，从而促进酯键的水解反应。

为了进一步验证这些发现，研究还对不同表面形貌的PLA样品进行了5周的堆肥实验。实验中采用了两种不同的3D打印填充模式：“同心”和“锯齿形”。结果表明，这两种填充模式对PLA的降解速率产生了显著影响。其中，“同心”填充模式的PLA样品表现出更高的降解速率，这可能与其较大的表面积有关。同时，研究还发现，经过灭菌处理的PLA样品在降解过程中表现出更快的分解速度，这表明灭菌可能作为一种辅助手段，加速PLA的降解过程。

此外，本研究还探讨了机械回收对PLA降解的影响。实验发现，经过三次机械回收的PLA样品在降解速率上有所提高，但其机械性能显著下降。这表明，虽然机械回收在一定程度上可以提高PLA的可降解性，但其回收次数受到材料性能的限制。因此，在实际应用中，需要权衡PLA的回收次数与其降解性能之间的关系。

本研究的结果不仅有助于理解PLA在不同制造和处理方式下的降解行为，还为未来PLA产品的开发和应用提供了重要的参考。随着全球对减少塑料污染的关注不断增加，PLA作为一种可生物降解材料，其在实验室器具中的应用正逐步扩大。然而，要确保PLA的可持续性，还需要进一步研究其在不同环境条件下的降解行为，以及如何通过改进制造工艺和处理方法来提高其降解效率。

综上所述，本研究通过对比3D打印和注塑成型两种制造工艺对PLA降解速率的影响，揭示了PLA在工业堆肥条件下的降解特性。研究还探讨了机械回收对PLA降解的影响，并通过多种分析技术验证了这些发现。这些结果对于推动生物塑料的可持续发展具有重要意义，同时也为相关领域的研究人员提供了新的视角和方向。