Polymilchsäure ist ein biologisch abbaubares Material und eines der vielversprechendsten Fasermaterialien des 21. Jahrhunderts.Polymilchsäure (PLA)Milchsäure kommt in der Natur nicht vor und muss künstlich hergestellt werden. Der Rohstoff Milchsäure wird aus Nutzpflanzen wie Weizen, Zuckerrüben, Maniok, Mais und organischen Düngemitteln fermentiert. Polymilchsäurefasern, auch bekannt als Maisfasern, können durch Spinnen gewonnen werden.
Die Entwicklung von Polymilchsäurefasern
Milchsäure kommt in Joghurt vor. Später entdeckten Wissenschaftler, dass die bei Muskelbewegungen von Tieren und Menschen entstehende Säure Milchsäure ist. Die DuPont Corporation (der Erfinder von Nylon) nutzte als erste Milchsäurepolymere zur Herstellung von Polymilchsäure-Polymeren im Labor.
Die Forschung und Entwicklung von Polymilchsäurefasern blickt auf eine über 50-jährige Geschichte zurück. Das amerikanische Unternehmen Cyanamid entwickelte in den 1960er-Jahren resorbierbares Nahtmaterial aus Polymilchsäure. 1989 entwickelten das japanische Unternehmen Zhong Fang und das Shimadzu Manufacturing Institute gemeinsam reine, gesponnene Polymilchsäurefasern (Lacton™) sowie deren Mischung mit Naturfasern (Corn Fiber™), die bei den Olympischen Winterspielen 1998 in Nagano präsentiert wurden. Die japanische Unijica Corporation entwickelte im Jahr 2000 Polymilchsäurefilamente und Spinnvliesstoffe (Terramac™). Cargill Dow Polymers (CDP) in den USA (heute NatureWorks) brachte 2003 eine Produktreihe (Ingeo™) auf den Markt, die Polymilchsäureharze, -fasern und -folien umfasste, und lizenzierte Trevira in Deutschland zur Herstellung der Ingeo™-Vliesstoffe für Anwendungsbereiche wie die Automobilindustrie, Heimtextilien und Hygieneartikel.
Der Prozess und die Anwendung von Polymilchsäurefasern
Aktuell werden PLA-Vliesstoffe hauptsächlich aus hochreiner L-Polymilchsäure (PLLA) als Rohmaterial hergestellt. Dabei werden die hohe Kristallinität und die Orientierungseigenschaften des Materials genutzt. Die Herstellung erfolgt mittels verschiedener Spinnverfahren (Schmelzspinnen, Nassspinnen, Trockenspinnen, Nass-Trockenspinnen, Elektrospinnen usw.). Schmelzgesponnene PLA-Fasern (Lang- und Kurzfasern) finden Anwendung in Bereichen wie Bekleidung und Heimtextilien. Die Produktionsanlagen und -prozesse ähneln denen von Polyester und zeichnen sich durch gute Spinnbarkeit und moderate Eigenschaften aus. Durch geeignete Modifizierung können PLA-Fasern hervorragende flammhemmende (selbstverlöschende) und natürliche antibakterielle Eigenschaften aufweisen. Allerdings besteht bei schmelzgesponnenen PLA-Fasern noch Verbesserungspotenzial hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen, Elastizität und Alterungsbeständigkeit.
Nassspinnen, Trockenspinnen, Nass-Trockenspinnen und Elektrospinnen von Polylactidfasern (Membranen) finden hauptsächlich im biomedizinischen Bereich Anwendung. Zu den typischen Produkten zählen hochfeste, resorbierbare Nahtmaterialien, Wirkstoffträger, Antihaftmembranen, künstliche Haut, Gerüste für das Tissue Engineering usw.
Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Einweg-Vliesstoffen in den Bereichen Medizin, Hygiene, Filtration, Dekoration und anderen Gebieten haben sich Polylactid-Vliesstoffe ebenfalls zu einem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt entwickelt.
In den 1990er Jahren untersuchte die University of Tennessee in den USA erstmals Spinnvlies- und Schmelzblasvliese aus Polymilchsäure (PLA). Das japanische Unternehmen Zhongfang entwickelte anschließend PAL-Spinnvliese für landwirtschaftliche Anwendungen, während das französische Unternehmen Fibreweb PAL-Spinnvliese, Schmelzblasvliese und mehrlagige Verbundstrukturen (Deposita™) entwickelte. Die Spinnvliesschicht dient dabei hauptsächlich der mechanischen Stabilität, während die Schmelzblasvliesschicht und die Spinnvliesschicht gemeinsam Barriere-, Adsorptions-, Filtrations- und Isolationswirkung erzielen.
Die inländische Tongji-Universität, Shanghai Tongjieliang Biomaterials Co., Ltd., Hengtian Changjiang Biomaterials Co., Ltd. und andere Einrichtungen haben erfolgreich Vliesstoffe wie Spinnvlies, Spunlace-Vlies, Heißwalzvlies, Heißluftvlies usw. entwickelt, um Verbundfasern für Vliesstoffe und Vliesstoffprodukte herzustellen, die für Einweg-Hygieneprodukte wie Damenbinden und Windeln sowie für Gesichtsmasken, Teebeutel, Luft- und Wasserfiltermaterialien und andere Produkte verwendet werden.
Polylactidfasern werden aufgrund ihrer natürlichen Herkunft, ihrer biologischen Abbaubarkeit und ihrer Umweltfreundlichkeit in großem Umfang beworben und in Bereichen wie Fahrzeuginnenausstattungen, Zigarettenpackungen und anderen Anwendungsgebieten eingesetzt.
Die Eigenschaften von Polymilchsäurefasern
Einer der herausragenden Vorteile von Polymilchsäurefasern ist ihre biologische Abbaubarkeit bzw. ihre Fähigkeit, vom Körper aufgenommen zu werden. Unter Standardkompostierungsbedingungen muss die biologische Abbaubarkeit gemessen werden; die Abbauprodukte sind Wasser und Kohlendioxid. Herkömmliche Polymilchsäurefasern hydrolysieren langsam oder sind im normalen Gebrauch oder in den meisten natürlichen Umgebungen kaum nachweisbar. Beispielsweise zersetzen sie sich praktisch nicht, wenn sie ein Jahr lang in natürlichem Boden vergraben werden; unter normalen Kompostierungsbedingungen bei normaler Temperatur zersetzen sie sich jedoch innerhalb von etwa einer Woche.
Der Abbau und die Resorption von Polymilchsäurefasern in vivo werden maßgeblich von ihrer Kristallinität beeinflusst. Simulationsstudien zum Abbau in vitro haben gezeigt, dass hochkristalline Polymilchsäurefasern nach 5,3 Jahren noch ihre Form und nahezu 80 % ihrer Festigkeit beibehalten und möglicherweise 40–50 Jahre für den vollständigen Abbau benötigen.
Innovation und Erweiterung von Polymilchsäurefasern
Obwohl Polymilchsäure (PLA) als Chemiefaser seit über einem halben Jahrhundert entwickelt und produziert wird, liegt ihr tatsächlicher Verbrauch noch immer bei weniger als einem Tausendstel des Verbrauchs von Polyesterfasern. Neben den hohen Kosten ist ihre Leistungsfähigkeit nicht zu vernachlässigen. Modifizierung ist eine Möglichkeit, Polymilchsäurefasern weiterzuentwickeln.
China ist ein bedeutender Produzent und Konsument von Chemiefasern, und in den letzten Jahren wurde der Forschung an modifizierten Polymilchsäurefasern Priorität eingeräumt. Polymilchsäurefasern lassen sich mit traditionellen Naturfasern wie Baumwolle, Leinen und Wolle zu maschinell gewebten und gestrickten Stoffen mit ergänzenden Eigenschaften mischen. Ebenso können sie mit anderen Chemiefasern wie Elastan und Polytetrahydrochlorid (PTT) zu hautfreundlichen, atmungsaktiven und feuchtigkeitsableitenden Textilien verarbeitet werden. Sie finden zunehmend Anwendung im Bereich der Unterwäschestoffe.
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Veröffentlichungsdatum: 11. Juni 2024