聚乳酸纤维的特性和用途

聚乳酸纤维的特性和用途

众所周知，谈及纤维素材（天然纤维、人造纤维、合成纤维）及其原料高分子物质的安全性时，不能单纯地停留在对人直接的安全性上，还要考虑我们居住的地球生态系统的安全性，也就是对地球环境负荷的抑制和减少。近年来成为问题的地球温暖化气体不断增加，影响了地球环境，所以不能只从对人和自然环境安全性的局部观点看，还要依时间、空间从整个环球环境的观点考虑。

另外，纤维产品在其制造、加工过程中，使用各种各样的化学物质（溶剂、凝固剂、油剂、抗菌剂、耐候剂、防火·阻燃剂、防污剂、染料、加工整理剂）和能源，这些化学物质也必须以同样的观点考虑，所使用的能源也要从环境负荷减少的观点考虑，要求尽量节能。

合成纤维聚乳酸纤维及其原料不仅具有对人和自然环境的安全性。而且还具有没有添加一切有害化学物质的固有抗菌性和防火性、耐气侯性等。

环境负荷的评价

在与传统纤维素材对比中，采用生命周期评价（LCA）将聚乳酸纤维的环境负荷客观·定量地进行了评价。也就是定量地评价从聚乳酸的原料采集经过乳酸发酵、聚合、纤维化（制造·加工过程）到使用后的废弃物处理（即从摇篮到墓场）的二氧化碳排放量。

相当从聚乳酸的原料采集（对玉米地的播种、施肥和撒药、收获），经过淀粉制取、糖化、乳酸发酵，到制造出聚乳酸树脂（切片）的每1吨树脂的二氧化碳排放量，由美国Nature Works发表。其次，从树脂切片采用熔融纺丝进行纤维化过程中的二氧化碳排放量，已有的合成纤维也没有正式数据，但一般在整个工艺中所占的比例很低，尤其是聚乳酸特别不要高能量，在素材间没有大的差别（相同）。最后，考虑关于燃烧废弃时或再资源化时的二氧化碳排放量（生物降解中进行生物氧化，也转换成二氧化碳），这种场合的排放量可以从化学结构进行理论上的预测。

按照各素材将这些数值加起来，采用传统粘胶法的再生纤维素纤维粘胶丝为14680CO2Kg／t、代表性合成纤维的聚酯纤维为6443 CO2Kg／t，而聚乳酸纤维只不过3650 CO2Kg／t，其环境负荷特性显著（表1）。纤维素粘胶是植物由来，为生物降解性纤维，原料本身不含1滴石油，但因为在其纤维化的制造·加工过程中使用大量能源（石油），所以释放出石油系以上的二氧化碳。另外，由于在其制造过程中还放出二氧化碳以外对人和环境有害的化学物质，所以近年来退出的企业不断。

聚乳酸及其构成单体乳酸的安全性

乳酸的基本特性和安全性

聚乳酸因为在使用中或使用后在人体内和自然环境中降解，最终分解为作为其构成单位的乳酸，所以首先必须了解乳酸及其安全性。

人类在大约1万年前在从打猎生活向农耕牧畜生活变更生活方式的过程中学会了采用发酵保存食品的技术，乳酸是从很久以来就与人类共存在的天然有机化合物。但是，它作为乳酸第1次被发现是在18世纪后半期。

瑞典的化学家希勒（Carl Wilhelm Scheele，1742～1786）在1780年使牛乳发酵，分析了由此得到的酸，发现了与醋酸等不同的新有机酸，命名为乳酸（lactic acid）。其后，到1839年，以碳水化合物为原料第1次用发酵法合成了乳酸。

乳酸是无色的粘稠液体，用发酵法制造的产品大多伴随有微弱的发酵臭味。乳酸为强有机酸，比重为1.22，L－乳酸及D－乳酸的熔点为52.8℃（DL－乳酸的熔点为16.8℃），沸点是125～140℃。乳酸有温和而清爽的酸味，由于不改变原来的味道而作为各种食品添加剂（酸味料、pH调整剂、食品保存剂、发酵助剂、柔软剂）使用。

但是，流传有“如果疲劳是乳酸积存”的说法。比如，运动后疲劳认为是“乳酸积蓄在血液、肌肉中”，乳酸是运动的老朽废物或疲劳物质，这因为在剧烈运动后，肌肉、血液中的乳酸浓度上升，可能在开始说的。但是，实际上，为疲劳恢复的高效率能源应考虑乳酸进行代谢生产，实际确认：如果30～50分钟就回到原来水平。不用说，乳酸对生命活动来说是重要能源，与糖和脂肪相比，容易向能量转换，而且因为在化学上稳定，L－乳酸钠作为输液和腹膜透析的电解质利用。

作为聚乳酸构成单体单位的乳酸CH3C*H(OH)COOH，因为在碳原子上结合的原子和分子为4个并且不同（H、CH3、OH、COOH），这种场合的碳原子叫不齐碳（asymetric carboon），在立体结构上存在2个不同形式的分子。可是，因为包括人在内的自然界生物通常合成的是L－乳酸，而有D－乳酸是否具有毒性的担心。的确，D－乳酸在L－乳酸通常的代谢经路不能进行代谢，如果大量摄取，就会提高血液中的酸性度，而成为酸性血症的原因。

但是，人们知道，在我们人体内通常生成后经过3个月左右，就生成将D－乳酸变换成L－乳酸酵素乳酸酯·消旋酶（lactate racemase）。而且，D－乳酸能够以任何形式进行中和、排出。这样就很清楚，由于其后的研究没有该疑问，现在与L－乳酸同等。

顺便，D－乳酸的经口急性毒性（LD50），实验室小鼠为4.875g/kg、一般老鼠为3.73 g/kg，WTO在1973年对L－乳酸、D－乳酸以及D.L－乳酸都取消了一天的摄取量限制范围。实际上，迄今为止，日本70～80年代生产、一直作为食品添加剂使用的乳酸，是采用化学合成法合成的外消旋变体（等量含有D－乳酸和L－乳酸的混合物）。现在，作为添加剂使用的发酵L－乳酸也含有1％～5％的D－乳酸。但是，联合国的FAO／WHO联合食品添加剂专门委员会因为乳幼儿（产后不满半年）不能代谢D－乳酸，提出了“D －乳酸、DL－乳酸不要用于乳幼儿食品”的劝告。

聚乳酸的安全性

聚乳酸是熔点160～180℃、玻璃化温度约60℃的结晶性脂肪族聚酯。聚乳酸在各种生物降解性塑料中，成形加工性优异，能够进行从纤维、非织造布和薄膜代表的熔融挤压成形到注射成形、喷射成形和发泡成形等。而且，薄膜和纤维由于伴随牵伸、热处理操作而产生定向结晶化，一直在寻求机械性能和热性能的提高。另外，从成形用薄膜和非织造布以及与纸的压层品，采用热定形（真空、压空成形）和加热压缩成形，可以赋予各种各样的形状。

聚乳酸是由脂肪族聚酯构成的疏水性结晶性聚合物，只要不在高温·高湿（50℃以上、相对湿度85％以上）环境下长时间放置，就几乎不产生加水分解，是很稳定的。另外，因为耐油性和耐水性、挥发性好，适合作为包括油性食品在内的一般食品容器使用。而且，分解高分子量聚乳酸的微生物和酵素在自然界极

少，即使作为发酵食品容器也有在一定时间能够安全使用的质地。

实际上，来自作为食品容器、包装材料使用时的聚乳酸溶出物，认为基本上是乳酸、乳酸低聚物、（乳酸线状二聚物、三聚物、四聚物等）及丙交酯（乳酸的环状二聚物），这些都是作为食品添加剂广泛使用的食品卫生法上的乳酸类（通常含20％左右的低聚物）。乳酸低聚物和丙交酯在食品或消化器官内迅速受到加水分解而变成乳酸。

聚乳酸因为是以在生物体内也存在的天然有机化合物乳酸为构成单位，在各种生物降解性塑料或生物塑料中，安全性和食品卫生性最好。而且，聚乳酸与淀粉系及其他的生物降解性塑料不同，在材料表面不容易产生微生物和霉菌，根据用老鼠和蟑螂的试验也都没有食害。

其次，关于将聚乳酸用于食品容器和包装材料时的世界现状和取得认证状况。在欧洲，1990年颁布的EEC Directive（指令90／128／EEC）为基本内容，是如果单体安全，聚合物就好的单体主义立场。根据已经实施的毒性试验，有即使使用也注册好的单体和添加剂的准许自由进口物品名单。乳酸被在其后修订的96／11／EC中登载在准许自由进口物品名单里。为了应对这些EU指令，欧洲各国的国内法进行了整顿。

在美国，根据FFDCA（联邦食品医药品化妆品法）申请作为间接食品添加剂的适应，在法律上允许的5个申请种类中，除Nature Works由GRAS（Generally Recognized As Safe）的安全性自己宣言外，还受作为FCN（Food Contact Nortification）№.178（温度区域顺序：B～H）的认证。顺序B是在100 ℃开水煮沸30分钟的开水注入温度领域，显示出作为茶叶袋等食品过滤器材料的潜在可能性，引人注目。

在日本，聚乳酸由食品卫生法规定的昭和34年制定的厚生省告示第370号（昭和57年修订：该告示第20号）通过，没有法律上的问题。而且，聚乳酸注册在作为更严格的行业团体自主标准的聚烯烃等卫生协议会（JOHSPA）的准许自由进口物品名单中，其后，关于添加剂等还要进行追加申请。

环境低负荷型高功能性纤维––聚乳酸纤维

一般，化学纤维为了赋予作为纤维的高功能性，多在其制造过程中添加各种添加剂（抗菌剂、耐候剂、防火·阻燃剂等）。但是，除了由于添加添加剂带来成本增加以外，这些添加剂的安全性也被质疑。通常，这些添加剂大多是基本上对人和自然环境有害的物质，现在只是在没有发现有害性的低浓度范围使用。但是，即使在临时使用时安全性有保障，在使用后的废弃物处理时，也不能否定问题表面化的可能性。

理想的，是不添加这些添加剂，最好素材自身能够具备这些高功能性。实际上，聚乳酸纤维原料为植物由来，除了是完全生物降解性的环境低负荷素材以外，还不添加任何添加剂发现了其优异的抗菌性和防火性、耐候性。可以说，聚乳酸纤维可以看作是具备作为究极智能化功能素养的高性能纤维。

抗菌性（静菌性）

根据使用黄色葡萄状球菌（Staphylococcus aures ATCC6538P）的纤维制品抗菌防臭加工新标准评价了聚乳酸纤维，结果发现，显示出远远高于合格值（静菌活性值2.2以上）的静菌活性值及杀菌活性值。事先进行10次洗涤之后、或者混合一半天然棉等其他纤维，抗菌活性也基本上能够保持。聚乳酸的抗菌作用不仅是上述作为标准菌的葡萄状球菌，对大肠菌和绿脓菌等革兰氏阴性杆菌也已确认。

估计这是起因于在聚乳酸中含有极微量的乳酸或低聚物这些物质的静菌作用。也就是说，由于材料中的极微量乳酸在材料表面浸出一部分，将材料表面与人的肌肤同样保持弱碱性，防止了细菌和霉菌等微生物的附着和繁殖。一般，生物降解性塑料与通常的塑料相比，细菌和霉菌等微生物处于容易附生的倾向，而聚乳酸是例外，作为生活·卫生材料、食品·医疗材料或农林·园艺材料在安全·卫生上是适合的。实际上，从购入浴用聚乳酸纤维（泰拉马克）毛巾，长期使用的消费者反映，与传统产品（锦纶纤维）对比，难以带香味。

关于聚乳酸纤维的抗菌性发现，以原料聚乳酸树脂的选定和纺丝条件为主，还有没有发现来自纺丝油剂的影响、织造·针织加工油剂的影响、染色·整理剂的影响的情况，需要分别弄清楚。

防火性

用JIS K 7201依据的燃烧性试验评价了聚乳酸纤维或纺粘非织造布的限氧指数（LOI值），结果显示：聚乳酸纤维为23～24（聚酯纤维：20～21），聚乳酸纺粘非织造布更惊人，显示出接近芳纶纤维的28～30，发现具有优异的防火性能。另外，从ASTM E1354和美国联邦汽车安全规格FMVSS 302的燃烧试验（水平法）也表明，聚乳酸纤维一旦着火后的自己灭火性好，燃烧时的产生气体量也比聚酯纤维格外少。本特性是聚乳酸纤维及其纺粘非织造布素材具有的固有特性，有害的卤族系和磷系等防灾·阻燃剂一切都没有添加。

按照上述见解，采用将解聚乳酸纤维的原材料特性和纤维形状等进行最佳化，以聚乳酸纤维为主成功地取得了由日本防灾协会的防火产品认定。这次接受防火产品认定的，作为枕头和被褥、布制玩偶等的絮棉用是具有有用自发性卷曲能的复合短纤维HP8F，由于发现螺旋状的微卷曲而具有优异的蓬松性、缓冲性、回弹性、耐疲劳性。本产品因为即使在火灾发生时也比聚酯纤维等燃烧难以扩展，而且燃烧热低、产生的气体量也少，作为寝具和家庭、车辆用装饰素材可以期待在火灾安全方面的应用。

耐光·耐候性

聚乳酸纤维是脂肪族聚酯，对紫外线和高能量放射线不能说强。但是，与作为相同聚酯同类的聚酯（PE T）纤维相比，不仅是耐光性（Fade-Ometer），而且在伴随降雨的促进耐候试验（Sunshine Weather Meter）也发现显示出优异的耐候性。这些倾向在包括聚乳酸纤维、纺粘非织造布的实际室外暴露试验中也被确认，作为在室外使用的农林、园艺、土木、建筑材料具备必要的条件。

另一方面，对像伽马线这样的高能放射线，根据照射线量的多少而不同，但也有招来分解的，在用于医疗用品等灭菌时需要注意。也就是说，照射线量在25kGry 以下，在材料表面引起部分交联反应，有疏水性化的倾向，机械强度劣化轻微，可以作为伽马线灭菌的条件推荐。但也有报告说，如果达到100kGry 就会引起分子链的断裂，机械强度也显著下降。

聚乳酸纤维加工和管理工程中的环境负荷减少

聚乳酸纤维已经处于一定的实用化水平，但还存在今后必须解决的几个技术课题（耐久性、染色性、耐熨烫性、尺寸稳定性、耐卷曲性、耐弯曲磨损性等）。这些问题的大多数，基本上是现在市面上量产的聚乳酸以L－乳酸为主构成单位也含有少量D－乳酸任意共聚引起的熔点下降和结晶化速度延迟。关于在几乎不伴随成本上升的情况下，解决这些课题的方法和实证数据，另行考虑。

这里，只从加工和管理工程中环境负荷减少的观点考虑，仅就假定作为衣料用素材展开方面的身边2个问题–－染色性和耐熨烫性讨论一下关于解决对策的方向。

首先，因为聚乳酸纤维产生加水分解，不能与聚酯（PE T）纤维一样采用120℃的高温高压染色。因为比聚酯纤维低10℃以上Tg的聚乳酸纤维能够以比聚酯纤维的低温染色，现在已经确立了用低温（105℃）能够染色的聚乳酸纤维用分散染料和染色条件。另外，对能源多消费结构的染整行业来说，从能源节省和环境负荷减少考虑，采用低温染色也是理想的方向。

例如，日本金津纤维和福经县工业技术中心开发的聚乳酸纤维环保袋（商标为可那普拉斯（kna Ppus）），从日本的传统颜色实现了①晒柿……桔黄色系、②素色……乳白色系、③黄绿……绿色系、④红藤……紫色系、⑤减红……茶色系、⑥浓蓝……蓝色系、⑦灰蓝……灰色系等多色彩的7色颜色变化。这些提供给染色坚牢度试验（JIS L 0844 A－2法）的结果，确认为4～5级，没有褪色等问题。该产品以世界最大的博物馆美国史密森博物馆为首在包括欧美的7个国家超有名店的国内外店铺销售，并博得好评。

关于耐熨烫性，也几乎没有发现与聚酯纤维同样用160℃熨烫。最初与染色性同样，用与聚酯纤维织物同样条件熨烫与聚酯（PE T）纤维热性能、机械性能不同织物，缺乏自身的科学根据。对聚乳酸纤维应与有其化学结构相适应的最佳纺丝·加工条件、织造·针织、染色·整理加工条件同样，具有采用更低温的最佳熨烫条件。

上面，从现在商业量产聚乳酸志向的一般生活、衣料、产业资材领域（在生体外使用的非医疗领域）应用展开，就聚乳酸及其纤维对人和自然环境的安全性进行了讨论。众所周知，聚乳酸过去只是极少量的，作为医疗用的生体内分解吸收性材料（骨折固定用螺丝、徐放性医药载体、缝合线、组织再生搭脚材料等）的应用展开。

这里，采用的医疗用聚乳酸树脂与商业化量产的基本上没变，但关于在生体内使用的素材，其制造环境条件和安全管理标准很严格，对其安全性的评价也将要求按照另外规定的规格标准进行试验。