全球超过 99% 的塑料是用原油和天然气等不可再生的碳氢化合物生产的。这给世界碳氢化合物储备造成了压力，因此需要从可再生来源寻找塑料替代品。由甘蔗、玉米淀粉和木薯等可再生资源制成的聚乳酸（PLA）塑料已成为制造商的理想替代品。
与碳氢化合物来源的塑料不同，一些聚乳酸塑料在特定条件下（如在工业堆肥设施中）可被分解，从而有助于降低环境中的塑料污染。根据联合国环境规划署的数据，自 2000 年以来，塑料垃圾的数量每十年翻一番，预计到 2060 年将增加两倍[1]。
在全球每年产生的 4 亿吨塑料垃圾中，只有 9% 被回收利用[2]。其余的 91% 最终被填埋或流入海洋，这也是越来越多的国家禁止一次性塑料的部分原因。聚乳酸塑料正从实验室走向生产线。这不仅是环保的象征，也是一个技术支点，可以开启价值数千亿美元的市场。
PLA 基本知识
从植物中提取聚乳酸塑料的过程与从碳氢化合物中提取塑料的过程类似。主要区别在于基础材料。例如，在用原油制造合成塑料的过程中，原油在炼油厂经过蒸馏，得到一种叫做石脑油的馏分，这种馏分是塑料生产的基础材料。
就聚乳酸而言，植物中的淀粉转化为糖，糖发酵后产生乳酸，乳酸是塑料的基础材料。聚乳酸是通过以下关键步骤利用可再生资源制成的：
提取淀粉 聚乳酸生产商通过湿磨（研磨并分离淀粉和其他成分）从甘蔗、玉米或其他植物基质中提取淀粉。
水解： 大分子淀粉（多糖）通过水和酶的反应转化为葡萄糖等单糖（单糖）。
发酵： 水解产生的葡萄糖在微生物（尤其是乳酸杆菌）的帮助下进行发酵，将糖转化为乳酸。
形成内酯 发酵产生的乳酸被转化为乳内酯，它是乳酸的环状二聚体。
聚合： 通过聚合作用，受控连接的内酯分子形成较长的聚乳酸（PLA）链。聚合的结果是一小块未加工的聚乳酸塑料，可以模塑成不同的产品。
聚乳酸塑料主要特性表
它具有一些独特的特性，使其在医疗和食品包装行业中更受欢迎。生物塑料的可持续性和易加工性受到了整个制造业的好评。以下是使聚乳酸成为聚己二酸丁二醇酯（PBAT）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）替代品的关键特性。
特点说明源自可再生材料利用玉米、甘蔗等可再生植物资源制造塑料，可以减轻化石燃料的负担。可生物降解它们可以在高湿度和高温下分解，从而减轻塑料垃圾对环境造成的负担。减少碳足迹与使用原油制成的传统塑料相比，聚乳酸的生产过程产生的温室气体更少。无毒不含传统塑料中的有毒化学物质，因此适用于食品包装和医疗应用透明光面由聚乳酸制成的产品通常具有透明和光亮的表面，这可能会使它们更加美观。易于使用聚乳酸塑料与大多数成型技术兼容，包括挤出、注塑和 3D 打印技术属性可升级塑料中可添加各种添加剂，以增强特定性能，包括颜色。良好的机械性能聚乳酸塑料具有良好的刚性、刚度和强度，可用于不同的应用领域价格高于传统塑料由于生产过程更为复杂，聚乳酸的价格大约比传统塑料高 20% 至 30%。
工业化的三个阶段
自 1932 年杜邦公司化学家 Wallace Carothers 发现高分子量聚乳酸以来，该技术逐渐进入工业应用领域，尤其是进入 21 世纪后[3]。一些公司和行业一直走在聚乳酸塑料产业化的前沿。从包装等简单应用开始，到医疗植入物和汽车等技术含量更高的应用。以下是聚乳酸产业化经历的三个阶段的时间表。
2002:NatureWorks 的第一条 70,000 吨生产线
NatureWorks 公司开始研究如何利用植物中储存的二氧化碳分子来制造更环保的塑料产品。通过研究，他们发明了 Ingeo（英吉尔），这是一种聚乳酸（PLA）生物聚合物，最终主要用于制造食品包装产品。它还被用于食品餐具（勺子、盘子、叉子）、纺织品、包装涂层和 3D 打印。
NatureWorks 公司总部位于美国，于 2002 年建成了全球第一家工业规模的聚乳酸生产厂，生产线产能为 70,000 公吨。2015 年，该公司的产能翻了一番。2023 年，NatureWorks 宣布其在泰国那空沙旺府的聚乳酸生产设施建设取得重大进展[4]。该工厂预计年产 7.5 万吨 Ingeo 生物聚合物。
NatureWorks 的成功激发了海信在中国建立类似的 5000 吨产能聚乳酸塑料生产线。2017 年，该公司又为工厂增加了一条 1 万吨的生产线。次年，恒天又建成了多条产能为 1 万吨的乳胶-聚乳酸纤维生产线。同年，中粮集团也在中国安装了一条万吨级聚乳酸塑料工厂。
2016:阿博格的医用级聚乳酸骨螺钉
随着精密注塑成型和三维打印技术的突破，聚乳酸塑料最终找到了新的、更复杂的工业应用。利用阿博格的塑料自由成型（APF）工艺，使用市场上可买到的聚乳酸颗粒制造出了医用级聚乳酸骨螺钉。
APF 是一种添加剂生产方法，可直接使用聚乳酸颗粒，而无需添加可能会改变材料特性的制丝步骤[5]。制造过程中逐层喷射熔融塑料液滴，形成三维结构。
阿博格的医用级聚乳酸骨螺钉和植入物之所以受欢迎，是因为它们减少了后续手术取出材料的需要。与金属植入物不同，聚乳酸骨螺钉和植入物不会随着时间的推移而降解并被人体吸收。
2024: 用于汽车的耐热聚乳酸内饰件
By 2024, heat-resistant PLA was massively adopted for the creation of interior parts for automobiles, spearheaded by Mercedes-Benz’s mass production. Although standard PLA plastic has a relatively low heat deflection temperature (around 55°C to 60°C [131-140°F] ), it is modified with additives that improve its heat resistance and make it suitable for interior parts, like decorative accents and trim pieces.
聚乳酸塑料在不同领域的技术成熟度已达到 8 级。在技术就绪度 8 级（TRL 8）时，该技术显示出完全的功能性、可靠性并符合规定。聚乳酸塑料在许多领域的三维打印和最终使用部件中的广泛应用验证了其 TRL 8 级的地位，而且在某些领域可能已达到 TRL 9 级。
PLA 与 PBAT 和 PBS 的比较
聚乳酸、聚己二酸丁二醇酯（PBAT）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）都是可生物降解塑料。因此，它们的大规模应用有助于消除环境中的塑料污染。虽然它们都可以用可持续来源制造，但其特性却各不相同。
PBAT 是一种热塑性聚酯，由对苯二甲酸、己二酸和 1,4-丁二醇的重复单元组成。不同的化合物组合赋予了它独特的性能。它由己二酸、对苯二甲酸和丁二醇组合合成，尤其以柔韧性和高断裂伸长率著称。它主要用于食品包装。
PBS 由琥珀酸和 1,4-丁二醇合成。除了可生物降解外，它还具有很强的耐热性，并与其他可生物降解聚合物兼容。它的性能与同方向聚丙烯和高密度聚乙烯的性能密切相关，因此是广泛应用的最佳选择。
聚乳酸、PBAT 和 PBS 的特性比较
属性聚乳酸塑料PBAT 塑料PBS 塑料生物降解性在特定条件下，可在工业堆肥设施中堆肥由于含有己二酸丁烯酯，堆肥后可完全生物降解微生物可将其分解为水和二氧化碳熔化温度302oF 至 356oF230oF 至 266oF212oF 至 266oF拉伸强度50 至 70 兆帕17 至 24 兆帕（通过添加木质素-二氧化钛纳米颗粒可提高到 47 兆帕）。30 至 50 兆帕灵活性一般较硬、较脆（但可使用增塑剂增加柔韧性）在断裂前可明显拉伸具有良好的灵活性费用中低中度中度应用 3D 打印、食品包装、医疗植入物、纺织品和汽车覆盖膜、食品包装、织物和临时植入物农用薄膜、食品包装和医疗器械
聚乳酸、PBAT 和 PBS 因含有甲基 (CH3) 而具有固有的疏水性。简单地说，与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）相比，这些可再生塑料具有适度的吸水性和排汗性。与 PET 相比，这种特性使可再生塑料成为运动服装的更好选择。
聚乳酸塑料的常见应用
二三十年前，制造一磅聚乳酸的成本约为 $200，这是聚乳酸工业化道路上的一大挫折。如今，在创新技术的帮助下，您只需花费不到 $2 的成本就能获得一磅聚乳酸。由于成本限制已经过去，各行各业大规模采用聚乳酸的大门已经打开。如今，采用 PLA 最多的制造商是：
室内 3D 打印部件
医疗植入物
时尚
食品和饮料包装
聚乳酸塑料在 3D 打印中的应用
说到 3D 打印，聚乳酸长丝是一种广为接受的选择，因为与其他长丝相比，它的熔点较低，易于使用。低熔点加快了打印过程，减少了翘曲和能源需求。此外，在印刷过程中，聚乳酸长丝会释放出内酯，而内酯通常被认为是无毒烟雾。因此，在室内使用聚乳酸长丝进行 3D 打印是安全的。聚乳酸在三维打印中的其他优点包括
在印刷过程中会发出甜味，与某些材料发出的恶臭不同。
打印出的部件可以进行溶剂焊接，从而使部件的组装更加容易。
有多种颜色可供选择。
它可以与其他材料混合，创造出不同的特性。
使用聚乳酸塑料打印的尺寸精度很高，与预期尺寸非常吻合。
将聚乳酸用于医用植入物的好处
聚乳酸因其固有的特性，在医疗领域受到更广泛的欢迎。例如，作为植入物，它具有良好的生物相容性，这意味着植入人体后不会引起不良反应。生物不相容性会导致炎症和其他不良反应，甚至致命。因此，它被用于外科植入物、组织工程支架和给药系统。
由于它可以自然降解，因此降低了感染和后续手术的风险。
可通过将聚乳酸与其他材料混合来控制降解速度。
聚乳酸塑料的强度和刚度可用于制造不同类型的植入物，如骨螺钉。
聚乳酸塑料在时尚界大放异彩
全球时装业每年产生约 9200 万吨纺织品废物[6]。这些废物大部分被填埋，其余的则进入水体。使用聚乳酸有助于降低纺织品对环境造成的负担，因为它会随着时间的推移而降解。时装业使用聚乳酸的其他好处包括
聚乳酸织物的透气性可促进空气流通，使穿着者更加凉爽舒适。
穿在身上的感觉柔软舒适。
聚乳酸纤维具有足够的强度，适合日常穿着，同时具有生物降解性。
聚乳酸织物可以保持颜色，并且在洗涤或阳光下晾晒时不会褪色。
它们具有低过敏性，适合皮肤敏感的人使用。
聚乳酸加工技术
聚乳酸塑料与大多数现有的塑料加工技术兼容，只需做极少的改动。例如，聚乳酸很容易通过注塑成型形成不同的形状。聚乳酸颗粒也可以熔化并通过模具形成薄膜和片材。它还可以通过吹塑成型加工成瓶子和容器。.
由于聚乳酸会吸水，因此在使用任何成型技术之前都必须将其晾干。例如，在 3D 打印机上使用潮湿的聚乳酸长丝会导致性能问题和打印缺陷。在打印过程中，长丝吸收的水分会变成蒸汽，导致爆裂声、挤压不一致或表面起泡。在极端情况下，长丝会因蒸汽膨胀而堵塞喷嘴，导致打印完全失败。干燥聚乳酸长丝的一些方法包括
用烤箱烘干： 将烤箱预热到 110°F 至 120°F 左右。将灯丝放入其中 4 至 6 小时。始终将烤箱保持在远低于聚乳酸熔化温度的状态。
使用灯丝烘干机 按照烘干机附带的说明操作
干燥器和保鲜袋 如果湿度较小，可将聚乳酸长丝放入装有干燥剂包的保鲜袋中，放置数小时后再取出
食品脱水机 由于聚乳酸是一种食品级塑料，您可以将其放在温度可调的食品脱水机中烘干。
聚乳酸塑料注塑成型参数和设备改造
对于希望将产品从合成塑料转为聚乳酸塑料的制造商来说，好消息是可能不需要对模具进行重大改造。主要的改动通常涉及调整流动参数，如温度、压力、注塑速度、冷却和循环时间，以适应材料的热敏感性。
必要时，制造商可能需要加入添加剂，以获得所需的性能。在少数情况下，可能需要对模具设计进行优化，以提高制件的质量。常见的改造包括重新考虑浇口设计、改变壁厚和增加拔模角。优化冷却系统对于防止翘曲和收缩至关重要。
注塑参数建议的最佳值熔化温度356°F 至 428°F，某些等级可高达 464°F（需要足够的温度以防止过早凝固）模具温度180°F 至 220°F，取决于所需的零件特性和几何形状注塑压力需要 55 兆帕至 110 兆帕的适度注塑压力喷射速度通常在 150 毫米/秒至 300 毫米/秒的范围内进行适当填充冷却时间由于结晶速度较慢，需要较长的冷却时间。冷却时间取决于模具温度和零件厚度。
聚乳酸改性技术
在某些工业应用中，可能需要改变聚乳酸的某些特性。这可能涉及物理改性、化学改性或添加剂的使用。以下是聚乳酸塑料改性的不同技术列表。
化学改性
这里有不同的选择，但选择取决于制造商希望赋予产品的特性。常见的技术有
共聚： 将聚乳酸与聚己内酯或其他单体混合，以改善降解率、柔韧性和热稳定性等性能。
链条延长 通过添加马来酸酐或环氧官能化合物等分子来增加分子量。这可提高熔体强度。
嫁接： 通过在聚乳酸的主干上附着其他聚合物或分子，赋予聚乳酸疏水性或其他理想特性的过程。
物理改造
这种变化通常发生在表面层面，不会对聚乳酸分子产生任何化学变化。它们还可用于赋予材料所需的特性。例如，聚乳酸可以与纤维素或淀粉混合，以提高其柔韧性和生物降解性。其他物理改性方法包括
成核： 添加成核剂，增强结晶效果。
退火： 在加工后对聚乳酸部件进行热处理，以提高结晶度。
表面处理： 在表面涂上理想的化合物，以增强润湿性、生物相容性或粘附性。
填料和添加剂
使用聚乳酸的缺点之一是抗冲击性低。通过添加橡胶或其他聚合物，可以改善这一问题。同样，加入玻璃纤维、生物纤维、纳米粘土和其他类似材料也可以提高聚乳酸塑料的热稳定性和其他特性。
前沿技术突破方向
人工智能等前沿技术在聚乳酸塑料生产中发挥了重要作用。利用人工智能技术，制造商可以优化不同的生产阶段，并准确模拟不同聚合物对聚乳酸特性的影响。因此，人工智能有助于快速开发新的聚乳酸设计，提高现有配方的效率，并使聚乳酸生产更具可持续性。
在人工智能的帮助下，生产系统的自动化现在可以帮助制造商实时监控和优化聚乳酸的生产过程。系统可以自动调整温度、注塑压力、流速等成型参数，以提高效率，最大限度地减少浪费和缺陷。
聚乳酸市场
过去二十年来，全球聚乳酸塑料市场大幅增长。预计未来这一增长趋势仍将持续，部分原因是受到遏制塑料污染的环保法规的推动。截至 2023 年，全球已有 130 多个国家禁止或部分限制使用一次性塑料，包括塑料袋、吸管、食品容器等[7]。
规模与增长
据 Mordor Intelligence 估计，2025 年聚乳酸塑料市场规模为 259 万吨，预计到 2030 年将达到 645 万吨，累计年增长率（CAGR）将超过 20%[8]。
欧洲生物聚乳酸组织称，聚乳酸是产量最大的生物降解塑料，2023 年的产能将达到 675.8 千吨。2023 年全球聚乳酸市场价值至少为 15 亿吨，但 MarketsandMarkets 预计到 2028 年这一数字将达到 33 亿吨[9]。受可持续包装需求增长和严格环保法规的影响，欧洲拥有最大的聚乳酸市场。
聚乳酸（PLA）注塑成型技术已经超越了研发阶段，进入了大规模应用阶段，这要归功于创新技术使这一工艺变得更加经济高效。2024 年 11 月，Futerro 公司在欧洲建立了第一家垂直一体化生物精炼厂。该厂位于诺曼底，生产和回收聚乳酸。在许多国家，聚乳酸包装已经取代了禁止使用的一次性塑料。
挑战与未来
在现有的各种生物可降解塑料中，聚乳酸塑料和 PBAT 塑料因其供应量大和加工可行性高而商业化程度最高。阻碍生物降解塑料商业化的主要痛点是生产成本。
根据 Business AnalystIQ [10]，聚乳酸的价格因采购地区而异，从每公斤 $2.33（东北亚）到每公斤 $2.86（欧洲）不等。虽然近年来价格已大幅下降，但与聚丙烯塑料相比仍较昂贵，后者在东北亚的价格为每公斤 $1.03，在欧洲的价格为每公斤 $1.58。
为了抵消成本并提高性能，聚乳酸塑料的定制混合物（如聚乳酸与 TPS 或聚乳酸与 PBAT 的混合）在未来可能会受到青睐。这包括将聚乳酸与天然纤维和其他聚合物混合，生产出性能更好的复合材料，以满足特定应用的需要。
一些聚乳酸塑料制造商制定了 2025-2030 年路线图，重点是改进材料性能、提高生产效率和扩大应用范围。将 3D 打印与注塑成型相结合的研究也在不断增加 [11]。
人们相信，将这两种方法结合到一个单一的生产系统中，将降低它们各自使用情况的局限性。例如，3D 打印模具可以降低注塑成型所面临的高初始模具成本和延长交付周期的问题。随着人工智能技术的发展，三维打印-注塑聚乳酸混合技术还可以实现进一步的自动化。
小贴士进一步了解其他塑料
ABSPE聚氯乙烯聚丙烯PA个人电脑PSPOMPMMAPEEKPBTPSUPPSASPPOPPA热塑性聚氨酯TPEPET
参考资料
[1] 联合国环境规划署。(n.d.). 塑料污染.2025 年 8 月 4 日，检索自 https://www.unep.org/topics/chemicals-and-pollution-action/plastic-pollution
[2] Waste Direct.(2024). 塑料废物统计数据和趋势. https://wastedirect.co.uk/blog/plastic-waste-statistics/
[3] Jackson, T. (2023). 聚乳酸的起源及其在 3D 打印中的重要性.SUNLU. https://www.sunlu.com/blogs/products-knowledge/the-origin-of-pla-and-its-importance-in-3d-printing
[4] NatureWorks LLC.(2023年10月18日）。 NatureWorks 公司宣布在泰国新建完全一体化的 Ingeo™ 聚乳酸生物聚合物工厂的下一阶段建设计划 [新闻稿]。 https://www.natureworksllc.com/about-natureworks/news/press-releases/2023/2023-10-18-natureworks-announces-next-phase-of-construction-thailand
[5] Maintz, M., Tourbier, C., de Wild, M., Cattin, P. C., Beyer, M., Seiler, D., ... & Thieringer, F. M. (2024). 由三维打印生物可吸收聚合物制成的病人专用植入物：材料、技术和手术应用范围. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11031859/
[6] 联合国环境规划署。(2023 年 3 月 30 日）。 国际零废弃物日关注不可持续的时装和纺织品 [新闻稿]。 https://www.unep.org/news-and-stories/press-release/unsustainable-fashion-and-textiles-focus-international-day-zero
[7] SOLINATRA.(n.d.). 世界各地的塑料禁令.2025 年 8 月 4 日，检索自 https://www.solinatra.com/news/plastic-bans-around-the-world
[8] 魔都情报局。(2023).*聚乳酸市场规模与份额分析--增长趋势与预测（2025-2030 年）*。 https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/bio-polylactic-acid-pla-market
[9] MarketsandMarkets.(2023).*聚乳酸（PLA）市场--2028 年全球预测*。 https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/polylactic-acid-pla-market-29418964.html
[10] Business AnalystIQ.(n.d.). 聚乳酸（PLA）价格指数.2025 年 8 月 4 日，检索自 https://businessanalytiq.com/procurementanalytics/index/polylactic-acid-pla-price-index/
[11] Chval, Z., Raz, K., & Silva, J. P. A. B. (2023)。 将 3D 打印技术与注塑成型技术相结合，提高制造效率. https://www.researchgate.net/publication/393700748_Integrating_3D_Printing_with_Injection_Molding_for_Improved_Manufacturing_Efficiency