新型生物基材料聚乳酸產業(yè)發(fā)展現狀與趨勢

文/佟毅

近年來，隨著國際原油價格的持續(xù)攀升和資源的日漸趨緊，石油供給壓力增大，生物能源產業(yè)、生物制造產業(yè)已成為全世界的發(fā)展熱點，其經濟性和環(huán)保性日漸顯現，產業(yè)發(fā)展的內在動力不斷增強。生物基材料由于其綠色、環(huán)境友好、資源節(jié)約等特點，正逐步成為引領當代世界科技創(chuàng)新和經濟發(fā)展的又一個新的主導產業(yè)。

聚乳酸（PLA）是一種新型生物基材料，其原料來源于可再生植物資源，如玉米、小麥、木薯等農作物。廢棄后的聚乳酸可在土壤中微生物和水的作用下完全分解為二氧化碳和水，而后經植物光合作用，水和二氧化碳可再形成淀粉類物質，又可為聚乳酸的合成提供原料，從而實現“源于自然，歸于自然”的碳循環(huán)。因此，聚乳酸的合成不僅擺脫了對石油資源的依賴，滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求，而且是一個低能耗的過程，符合當前發(fā)展低碳經濟的需要。

一、聚乳酸產業(yè)的發(fā)展歷程

（一）全球聚乳酸產業(yè)發(fā)展現狀

早在1845年，Pelouze就通過在高溫（130°C）下蒸餾乳酸脫水的方法，首次發(fā)現了乳酸二聚體——乳酰乳酸的形成。1913年，美國科學家Nef首先在低壓和高溫下，采用乳酸直接脫水縮合的方法，合成了3～7聚合度的低分子量聚乳酸，它是黏稠體或質脆的玻璃體，這實際上就是目前使用的縮聚法（簡稱“一步法”）制備聚乳酸技術的起源。1932年DuPont公司的Carothers等證實，采用乳酸的環(huán)狀二聚體——丙交酯開環(huán)聚合的方法可以制備分子量達到幾千的聚乳酸，但其力學性能很差，不具有實用價值。1954年DuPont公司的Lowe又對這一技術進行了進一步完善，制備了較高分子量的聚乳酸，這也是目前聚乳酸生產企業(yè)廣泛應用的丙交酯開環(huán)聚合技術（簡稱“二步法”）。1987年，Leenslag等研制出高分子量的聚乳酸，其機械強度有很大的改善。聚乳酸的價格較高，導致其早期主要被用在具有高附加值的醫(yī)用領域。但是，高分子量和高性能聚乳酸的合成，使得人們注意到聚乳酸也具有通用塑料的性能。自1986年起，聚乳酸逐漸被認可作為一種潛在的日用塑料，Battelle公司和DuPont公司各自開始把聚乳酸作為日用塑料進行生產和加工技術研究。

1997年，美國嘉吉與陶氏化學合資創(chuàng)立了嘉吉陶氏（Cargill-Dow）公司（后更名為NatureWorks公司，于2001年興建了7萬噸聚乳酸廠，正式實現了聚乳酸大規(guī)模工業(yè)化生產。該公司向市場提供高純度、高分子量、價格低廉的聚乳酸樹脂，使得人們對聚乳酸加工技術和應用技術的大規(guī)模研究成為可能，促進了聚乳酸在通用材料領域的應用。2009年，NatureWorks將原有7萬噸的聚乳酸廠擴容到14萬噸產能，2014年又增加了1萬噸高光純聚乳酸生產線，擴容到15萬噸產能。

日本在聚乳酸性能改善和加工技術方面做了大量突出的工作，三井化學公司于2001年與嘉吉公司合作開展業(yè)務。島津公司建有500～1000噸/年的工業(yè)裝置。豐田汽車公司于2002年4月轉接島津公司的聚乳酸生產業(yè)務，商品名“EcoPlastic”，年產量1000噸。

此外，德國UhdeInventa-Fischer公司和巴斯夫公司、意大利Snamprogetti公司、荷蘭Hycail公司等也相繼開發(fā)了聚乳酸生產技術。2018年，法國石油公司Total和荷蘭阿姆斯特丹Corbion的合資企業(yè)，宣布年產能為7.5萬噸聚乳酸生物塑料的泰國羅勇新工廠正式投產。

（二）我國聚乳酸行業(yè)現狀

在中國，聚乳酸產業(yè)的發(fā)展相對滯后。中糧集團目前是聚乳酸生產規(guī)模全球第三、中國第一的企業(yè)。2005年，中糧集團成立了聚乳酸項目組，開始系統(tǒng)探索和研究聚乳酸材料特性、加工工藝、下游制品及應用，并廣泛與國內外企業(yè)、研發(fā)機構合作。2016年中糧集團投資8.5億元建設了3萬噸聚乳酸原料及其制品項目，采用具有自主知識產權聚乳酸聚合高效復合穩(wěn)定劑、連續(xù)聚合新裝置及脫揮新工藝，制備的聚乳酸切片與現有常規(guī)聚乳酸切片相比，其色值中的b值降低78%、分子量多分散指數降低8.8%、殘留丙交酯單體含量降低58.5%，實現高品質聚乳酸切片的產業(yè)化生產，開發(fā)出注塑級、片材級、薄膜級、纖維級的聚乳酸樹脂，產品各項指標達到或部分超過歐美同類產品，這一技術標志著我國已成為世界上第三個聚乳酸產業(yè)化規(guī)模達萬噸以上的國家，產品質量已躋身世界前列，目前正在規(guī)劃建設10萬噸/年的聚乳酸生產線。

浙江海正生物材料股份有限公司與中國科學院長春應用化學研究所于2006年在浙江臺州建立5000噸聚乳酸樹脂中試生產線。該項目于2008年投產，5000噸/年聚乳酸生產線已實現批量生產，現在擴產為1.5萬噸。

恒天集團有限公司2012年建立了4000噸聚乳酸聚合及纖維生產線，以聚乳酸熔體直紡專利技術，直接紡絲生產聚乳酸纖維。2015年，恒天集團有限公司與中國科學院寧波材料技術與工程研究所共同參與了由中糧集團牽頭組織的《高品質聚乳酸纖維差別化生產工藝技術研究與產業(yè)化》項目開發(fā)，該項目針對聚乳酸纖維生產過程中存在的技術難題，重點開展了高光學純L-乳酸高產新菌株的開發(fā)，聚乳酸聚合用高效復合穩(wěn)定劑、連續(xù)聚合新裝置及脫揮新工藝的開發(fā)，聚乳酸熔體直紡技術的開發(fā)和應用，聚乳酸纖維改性技術的開發(fā)等方面的研究，解決了聚乳酸纖維生產過程中的一系列科學技術問題，成功實現了其產業(yè)化應用。2017年底，恒天集團有限公司建成并投產了1萬噸聚乳酸聚合熔體直紡纖維及制品生產線，主要生產各種規(guī)格的聚乳酸長絲、短絲及無紡布產品。

國內其他聚乳酸廠家也積極開展工作，取得了良好成效。湖北易生光華偉業(yè)使用武漢大學聚合技術，于2007年在武漢建立千噸級中試線，生產丙交酯及吸塑、注塑及纖維級聚乳酸樹脂。江蘇九鼎于2006年建成了百噸級中試線，生產丙交酯及纖維級和吸塑級聚乳酸樹脂，2012年建成千噸級生產線。四川琢新采用中國科學院成都有機化學研究所技術，在云南富集建成千噸級中試廠，但目前已經停工。上海同杰良使用同濟大學一步法技術，于2006年在上海建立1000噸聚乳酸聚合中試線，2012年于安徽馬鞍山建立1萬噸聚乳酸生產線。2014年底允友成引進舒爾壽設備在江蘇宿遷建立1萬噸聚乳酸生產線。2015年，富士康集團使用中國科學院長春應用化學研究所技術，在長春合隆經濟開發(fā)區(qū)建立1萬噸聚乳酸生產線。

二、聚乳酸產業(yè)市場規(guī)模及應用

（一）聚乳酸市場規(guī)模

目前全球聚乳酸年生產能力約30萬噸，產量約20萬噸，生產企業(yè)主要包括美國NatureWorks、Total-Corbion、中糧集團、浙江海正、恒天集團等。

2014年全球聚乳酸市場需求量約為11萬噸～12萬噸，預計未來將以20%～30%的速度增長，至2020年聚乳酸市場將達到30萬噸～50萬噸。目前，聚乳酸的主要消費領域是包裝材料，占總消費量的65%左右；其次為生物醫(yī)學領域，約占總消費量的26%。歐洲和北美是聚乳酸最大的市場，而亞太地區(qū)是增長最快的市場之一。日本、印度、中國和泰國對聚乳酸的需求還會持續(xù)增長，從而推動聚乳酸在亞太市場的增長。

2007年以來，我國聚乳酸的進口數量在國內需求的推動下不斷攀升，2010-2016 年聚乳酸進口量年平均增長率達 34.11%，2016 年進口量再創(chuàng)新高，達 8109.1噸，金額為 2189.10 萬美元。隨著國內聚乳酸共混改性及成型加工技術的發(fā)展，其機械和耐熱耐久性能得到進一步提高，促使我國的聚乳酸能夠進軍性能更加卓越的高端市場，出口價格也在逐漸上升并與進口價格基本持平。

截至2014年底，我國聚乳酸年生產能力約4.6萬噸，但產量不高。隨著聚乳酸作為生物新材料應用前景被日益看好，近年國內一些玉米深加工企業(yè)和生物化工企業(yè)開始投資進入聚乳酸行業(yè)。截至2018年末，隨著中糧集團有限公司及浙江海正生物材料股份有限公司等聚乳酸生產線的建設，目前國內聚乳酸年生產能力近9萬噸。但受制于技術因素，目前國內企業(yè)用于生產聚乳酸的原材料——丙交酯仍主要從國外進口，生產成本較高，已成為制約國內聚乳酸產業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

（二）聚乳酸市場應用

除了良好的生物可降解性之外，聚乳酸還具有很多的優(yōu)良性能。相比于傳統(tǒng)生物可降解塑料，聚乳酸擁有可媲美一般石化合成塑料的強度和透明度，因而可廣泛用于制造各種應用產品。

1.生物醫(yī)用領域

生物醫(yī)用領域是聚乳酸最早開展應用的領域。聚乳酸對人體有高度安全性并可被組織吸收，加之其優(yōu)良的物理機械性能，因此可應用在生物醫(yī)藥領域。如一次性輸液工具、免拆型手術縫合線、藥物緩解包裝劑、人造骨折內固定材料、組織修復材料、人造皮膚等。高分子量聚乳酸有較高的力學性能，在歐美等國家已被用來替代不銹鋼，作為新型的骨科內固定材料如骨釘、骨板被大量使用，其可被人體吸收代謝的特性使病人免收了二次開刀之苦。其技術附加值高，是生物醫(yī)用領域最具發(fā)展前景的高分子材料。

2.包裝材料領域

通過熔融擠出、注塑、吹塑、發(fā)泡及真空成型等不同的加工方式，可將聚乳酸制備成各種形狀的材料，其制品主要有薄膜、瓶子、托盤和發(fā)泡材料等。這些制品具有高的透明度和光澤性、透氣性、高模量、完全折疊性和纏結保持力、低溫熱封性和易開性、柔軟性等特性，主要被用作食品容器、熱收縮包裝、透氣包裝、保香包裝、購物袋、垃圾袋等使用。

3.纖維紡織領域

聚乳酸具有優(yōu)良的可紡性，其纖維制品具有安全性、透氣性、吸濕性、阻燃性、抗紫外線穩(wěn)定性等優(yōu)點，同時聚乳酸纖維可以制成圓截面的單絲或復絲、三葉形截面的丙綸膨體長絲（BCF，可用于織造地毯和毛氈）、卷曲或非卷曲的短纖維、雙組份纖維、紡粘非織造布和熔噴非織造布等，因此聚乳酸纖維被應用在服裝市場、家用及裝飾市場、非織造布市場、雙組份纖維、衛(wèi)生及醫(yī)用領域。

4.農業(yè)領域

聚乳酸的可塑性和物理加工性能良好，可以將其加工成農用薄膜，用來彌補傳統(tǒng)農用地膜不可降解的缺陷。對比研究在聚乳酸與聚乙烯地膜覆蓋下棉花的生長，發(fā)現聚乳酸地膜在20天左右開始降解，在棉花收獲期降解面積能達到80%左右，并且降解地膜表現出較好的保溫性能。對比研究聚乳酸與聚乙烯地膜對西瓜種植的影響，試驗表明聚乳酸地膜具有可降解性且不會造成環(huán)境污染，覆蓋聚乳酸地膜能夠促進西瓜的生長發(fā)育。

5.工程塑料領域

從長期使用的角度考慮，人們嘗試將聚乳酸改性，應用到如電子電器產品、辦公自動化機器、通訊材料和汽車內飾品等領域。聚乳酸與其他樹脂、無機材料等進行多元共混復合，可以生產成具有物理性能優(yōu)異的新塑料“合金”，這些材料具有優(yōu)良的抗靜電、尺寸穩(wěn)定性、撕裂強度、壓縮強度、拉伸強度、抗沖擊強度等性能，因此被廣泛用于制造電腦部件、手提筆記本外殼、手機零部件、影碟機殼體、光盤及家電零部件、汽車配件等。

三、聚乳酸產業(yè)發(fā)展趨勢

黨的十八大報告指出，建設生態(tài)文明，是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計。面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻形勢，必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態(tài)文明理念，把生態(tài)文明建設放在突出地位，融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設各方面和全過程，努力建設美麗中國，實現中華民族永續(xù)發(fā)展。目前，隨著我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，聚乳酸作為一種新興可降解的生物基材料，不僅能有效緩解“石油危機”帶來的對石化資源的依賴，同時也將有效解決傳統(tǒng)塑料帶來的“白色污染”問題，因此，聚乳酸行業(yè)在未來將有巨大的發(fā)展空間。

（一）政策利好促進行業(yè)發(fā)展

當前環(huán)保問題是全球亟待解決的問題之一。出于保護環(huán)境和節(jié)約資源的目的，全球范圍內許多國家和地區(qū)開始限制塑料購物袋的生產和使用。美國舊金山市是美國第一個封殺塑料袋的城市，2007年3月27日，美國舊金山市議會通過一項法案，限令舊金山的超市、藥店等零售商分別在6個月和1年內停止使用化工塑料袋。隨后世界上其他國家也醞釀出臺相關的法律法規(guī)，遏制“白色污染”：日本于2007年4月修訂了《容器包裝循環(huán)利用法》，要求超市、便利店削減購物袋、包裝紙用量；巴西自2008年起，以各地自行立法的形式逐步禁止不可降解塑料袋的使用；澳大利亞政府規(guī)定自2008年底開始，超級市場將分階段停止使用塑料購物袋。我國于2008年6月開始在全國范圍內實施“限塑令”；2015年1月1日，《吉林省禁止生產銷售和提供一次性不可降解塑料袋、塑料餐具規(guī)定》正式實施，這是我國第一個全省范圍采取高于國家標準的“限塑令”。在2018年全球掀起了一場聲勢浩大的禁塑熱潮，英國、智利、澳大利亞、韓國、新西蘭等世界80多個國家都相繼制定了“限塑令”或“禁塑令”。據新華社報道，2018年12月4日，第73屆聯合國大會宣布啟動全球反塑料污染行動。

另一方面，聚乳酸開發(fā)陸續(xù)被列入“十一五”“十二五”“十三五”和《國家中長期科學科技發(fā)展規(guī)劃》重點科研攻關項目。甚至在國家的“十三五”生物產業(yè)發(fā)展規(guī)劃中提到，到“十三五”末，生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物基尼龍和生物基增塑劑的年產能分別達到15萬噸、20萬噸、5萬噸和20萬噸；在10個城市形成示范應用，對石油基日用塑料制品的替代率達到50%左右；在生物基農用地膜推廣10萬畝以上；形成一批生物基纖維新產品。

生物基材料產業(yè)成為綠色與低碳經濟增長的亮點，為我國經濟社會可持續(xù)發(fā)展作出了實質性貢獻。對石油基包裝材料的禁用和限用，令可再生的制品成為全球緊俏的產品。國家大型戰(zhàn)略計劃的實施，將給聚乳酸行業(yè)帶來千載難逢的市場機遇和巨大的消費潛力。

（二）技術發(fā)展是行業(yè)發(fā)展驅動力

聚乳酸行業(yè)發(fā)展的最大瓶頸在于樹脂成本高，主要原因是聚合技術工藝流程長、技術復雜、可變因素多，尚不能大規(guī)模批量生產；其次是乳酸作為聚乳酸的原料，其生產成本也相對過高。未來如果乳酸生產轉化技術得到提升，聚乳酸的提純技術更加工業(yè)化、商業(yè)化，那么聚乳酸的市場價格才能有效降低。這需要各研究院校和企業(yè)不斷投入研發(fā)、聚乳酸行業(yè)上下游規(guī)范發(fā)展以及政府加以引導和支持等各方面努力。

（三）聚乳酸纖維是未來發(fā)展重點

聚乳酸纖維的力學性能與通用纖維非常接近，并具有抑菌、可降解等特點，是最有望大規(guī)模取代石油基纖維的生物質纖維之一。2018年，我國年產化學纖維約5000萬噸，占世界化學總量的70%以上，若取代其1%～3%，將形成50萬噸～150萬噸的聚乳酸纖維產業(yè)。但是，要實現這一目標，還必須在技術和原料供應方面改進。從技術方面看，目前纖維生產中對于L-乳酸和D-乳酸的應用比例、嵌合條件，以及其與聚乳酸共聚物系統(tǒng)的研究和產業(yè)化開發(fā)較缺乏，而且D-乳酸的大規(guī)模、低成本發(fā)酵生產技術尚不成熟。從原料供應方面來看，國內尚有兩大難題待解決：一是能夠穩(wěn)定地提供纖維級聚乳酸原料；二是成本降至1.5萬元/噸左右的水平（聚酯成本1.1萬～1.2萬元/噸）。

四、聚乳酸產業(yè)發(fā)展建議

（一）加強工程化開發(fā)

為實現聚乳酸連續(xù)穩(wěn)定規(guī)?；a、實現關鍵設備大型化，建議通過科研、工程、制造、生產聯盟等方式，實現集成創(chuàng)新，特別要加強工程化開發(fā)力度，盡快建成十萬噸級以上的聚乳酸生產裝置。

（二）提高產品性能

通過共聚、共混、復合等方法對聚乳酸進行改性，改性后的聚乳酸結晶性能、力學性能和耐熱性能等顯著提高，促進其在高性能、高附加值材料等領域的應用。

（三）推動乳酸產業(yè)化

突破利用玉米秸稈生產乳酸的關鍵技術瓶頸，并促進乳酸的產業(yè)化，可有效規(guī)避“與民爭糧”的矛盾并降低原料成本，這是我國聚乳酸產業(yè)化的重要因素之一。據測算，如以玉米秸稈為原料，乳酸成本可降低30%以上。

（四）建立系列標準體系

聚乳酸產業(yè)發(fā)展至今仍未建立聚乳酸及其制品等完整的產品性能、檢測方法、包裝運輸等相關標準。建議加快建立聚乳酸系列標準體系，使其在生產、銷售及檢測時有據可依，利于聚乳酸行業(yè)健康發(fā)展。

（五）培育和發(fā)展綠色消費市場

通過不斷提高經濟性和示范帶動效應，大力推廣聚乳酸產品，進行限塑禁塑試點，在土地規(guī)劃、資金扶持、稅收財政等方面給予相應的優(yōu)惠政策，積極吸引各類資本投入，適時推出全國禁塑政策，為生態(tài)保護和創(chuàng)造綠色消費市場環(huán)境創(chuàng)造條件，擴大綠色消費市場。

（六）逐步建立聚乳酸制品廢棄物回收處理系統(tǒng)

建立生物材料貼標方法，完善垃圾收集和分選系統(tǒng)，逐步建立聚乳酸產品堆肥和回收系統(tǒng)，構建與產業(yè)發(fā)展相協(xié)調的綠色產業(yè)體系。

聚乳酸是可生物降解的環(huán)保材料，以淀粉等可再生資源為原料生產的聚乳酸產品價格高，限制了其推廣應用范圍，而且常規(guī)聚乳酸產品存在市場低端、性能差、產業(yè)配套不完善等問題。因此，短期內我國聚乳酸產業(yè)有賴于政策導向、政府的鼓勵和扶持。目前，我國聚乳酸在生產技術、工程化及設備制造能力等方面具備產業(yè)化基礎，其潛在市場需求巨大，從長遠來看，聚乳酸產業(yè)化前景廣闊。