新型生物基材料聚乳酸产业发展现状与趋势

文/佟毅

近年来，随着国际原油价格的持续攀升和资源的日渐趋紧，石油供给压力增大，生物能源产业、生物制造产业已成为全世界的发展热点，其经济性和环保性日渐显现，产业发展的内在动力不断增强。生物基材料由于其绿色、环境友好、资源节约等特点，正逐步成为引领当代世界科技创新和经济发展的又一个新的主导产业。

聚乳酸（PLA）是一种新型生物基材料，其原料来源于可再生植物资源，如玉米、小麦、木薯等农作物。废弃后的聚乳酸可在土壤中微生物和水的作用下完全分解为二氧化碳和水，而后经植物光合作用，水和二氧化碳可再形成淀粉类物质，又可为聚乳酸的合成提供原料，从而实现“源于自然，归于自然”的碳循环。因此，聚乳酸的合成不仅摆脱了对石油资源的依赖，满足社会可持续发展的要求，而且是一个低能耗的过程，符合当前发展低碳经济的需要。

一、聚乳酸产业的发展历程

（一）全球聚乳酸产业发展现状

早在1845年，Pelouze就通过在高温（130°C）下蒸馏乳酸脱水的方法，首次发现了乳酸二聚体——乳酰乳酸的形成。1913年，美国科学家Nef首先在低压和高温下，采用乳酸直接脱水缩合的方法，合成了3～7聚合度的低分子量聚乳酸，它是黏稠体或质脆的玻璃体，这实际上就是目前使用的缩聚法（简称“一步法”）制备聚乳酸技术的起源。1932年DuPont公司的Carothers等证实，采用乳酸的环状二聚体——丙交酯开环聚合的方法可以制备分子量达到几千的聚乳酸，但其力学性能很差，不具有实用价值。1954年DuPont公司的Lowe又对这一技术进行了进一步完善，制备了较高分子量的聚乳酸，这也是目前聚乳酸生产企业广泛应用的丙交酯开环聚合技术（简称“二步法”）。1987年，Leenslag等研制出高分子量的聚乳酸，其机械强度有很大的改善。聚乳酸的价格较高，导致其早期主要被用在具有高附加值的医用领域。但是，高分子量和高性能聚乳酸的合成，使得人们注意到聚乳酸也具有通用塑料的性能。自1986年起，聚乳酸逐渐被认可作为一种潜在的日用塑料，Battelle公司和DuPont公司各自开始把聚乳酸作为日用塑料进行生产和加工技术研究。

1997年，美国嘉吉与陶氏化学合资创立了嘉吉陶氏（Cargill-Dow）公司（后更名为NatureWorks公司，于2001年兴建了7万吨聚乳酸厂，正式实现了聚乳酸大规模工业化生产。该公司向市场提供高纯度、高分子量、价格低廉的聚乳酸树脂，使得人们对聚乳酸加工技术和应用技术的大规模研究成为可能，促进了聚乳酸在通用材料领域的应用。2009年，NatureWorks将原有7万吨的聚乳酸厂扩容到14万吨产能，2014年又增加了1万吨高光纯聚乳酸生产线，扩容到15万吨产能。

日本在聚乳酸性能改善和加工技术方面做了大量突出的工作，三井化学公司于2001年与嘉吉公司合作开展业务。岛津公司建有500～1000吨/年的工业装置。丰田汽车公司于2002年4月转接岛津公司的聚乳酸生产业务，商品名“EcoPlastic”，年产量1000吨。

此外，德国UhdeInventa-Fischer公司和巴斯夫公司、意大利Snamprogetti公司、荷兰Hycail公司等也相继开发了聚乳酸生产技术。2018年，法国石油公司Total和荷兰阿姆斯特丹Corbion的合资企业，宣布年产能为7.5万吨聚乳酸生物塑料的泰国罗勇新工厂正式投产。

（二）我国聚乳酸行业现状

在中国，聚乳酸产业的发展相对滞后。中粮集团目前是聚乳酸生产规模全球第三、中国第一的企业。2005年，中粮集团成立了聚乳酸项目组，开始系统探索和研究聚乳酸材料特性、加工工艺、下游制品及应用，并广泛与国内外企业、研发机构合作。2016年中粮集团投资8.5亿元建设了3万吨聚乳酸原料及其制品项目，采用具有自主知识产权聚乳酸聚合高效复合稳定剂、连续聚合新装置及脱挥新工艺，制备的聚乳酸切片与现有常规聚乳酸切片相比，其色值中的b值降低78%、分子量多分散指数降低8.8%、残留丙交酯单体含量降低58.5%，实现高品质聚乳酸切片的产业化生产，开发出注塑级、片材级、薄膜级、纤维级的聚乳酸树脂，产品各项指标达到或部分超过欧美同类产品，这一技术标志着我国已成为世界上第三个聚乳酸产业化规模达万吨以上的国家，产品质量已跻身世界前列，目前正在规划建设10万吨/年的聚乳酸生产线。

浙江海正生物材料股份有限公司与中国科学院长春应用化学研究所于2006年在浙江台州建立5000吨聚乳酸树脂中试生产线。该项目于2008年投产，5000吨/年聚乳酸生产线已实现批量生产，现在扩产为1.5万吨。

恒天集团有限公司2012年建立了4000吨聚乳酸聚合及纤维生产线，以聚乳酸熔体直纺专利技术，直接纺丝生产聚乳酸纤维。2015年，恒天集团有限公司与中国科学院宁波材料技术与工程研究所共同参与了由中粮集团牵头组织的《高品质聚乳酸纤维差别化生产工艺技术研究与产业化》项目开发，该项目针对聚乳酸纤维生产过程中存在的技术难题，重点开展了高光学纯L-乳酸高产新菌株的开发，聚乳酸聚合用高效复合稳定剂、连续聚合新装置及脱挥新工艺的开发，聚乳酸熔体直纺技术的开发和应用，聚乳酸纤维改性技术的开发等方面的研究，解决了聚乳酸纤维生产过程中的一系列科学技术问题，成功实现了其产业化应用。2017年底，恒天集团有限公司建成并投产了1万吨聚乳酸聚合熔体直纺纤维及制品生产线，主要生产各种规格的聚乳酸长丝、短丝及无纺布产品。

国内其他聚乳酸厂家也积极开展工作，取得了良好成效。湖北易生光华伟业使用武汉大学聚合技术，于2007年在武汉建立千吨级中试线，生产丙交酯及吸塑、注塑及纤维级聚乳酸树脂。江苏九鼎于2006年建成了百吨级中试线，生产丙交酯及纤维级和吸塑级聚乳酸树脂，2012年建成千吨级生产线。四川琢新采用中国科学院成都有机化学研究所技术，在云南富集建成千吨级中试厂，但目前已经停工。上海同杰良使用同济大学一步法技术，于2006年在上海建立1000吨聚乳酸聚合中试线，2012年于安徽马鞍山建立1万吨聚乳酸生产线。2014年底允友成引进舒尔寿设备在江苏宿迁建立1万吨聚乳酸生产线。2015年，富士康集团使用中国科学院长春应用化学研究所技术，在长春合隆经济开发区建立1万吨聚乳酸生产线。

二、聚乳酸产业市场规模及应用

（一）聚乳酸市场规模

目前全球聚乳酸年生产能力约30万吨，产量约20万吨，生产企业主要包括美国NatureWorks、Total-Corbion、中粮集团、浙江海正、恒天集团等。

2014年全球聚乳酸市场需求量约为11万吨～12万吨，预计未来将以20%～30%的速度增长，至2020年聚乳酸市场将达到30万吨～50万吨。目前，聚乳酸的主要消费领域是包装材料，占总消费量的65%左右；其次为生物医学领域，约占总消费量的26%。欧洲和北美是聚乳酸最大的市场，而亚太地区是增长最快的市场之一。日本、印度、中国和泰国对聚乳酸的需求还会持续增长，从而推动聚乳酸在亚太市场的增长。

2007年以来，我国聚乳酸的进口数量在国内需求的推动下不断攀升，2010-2016 年聚乳酸进口量年平均增长率达 34.11%，2016 年进口量再创新高，达 8109.1吨，金额为 2189.10 万美元。随着国内聚乳酸共混改性及成型加工技术的发展，其机械和耐热耐久性能得到进一步提高，促使我国的聚乳酸能够进军性能更加卓越的高端市场，出口价格也在逐渐上升并与进口价格基本持平。

截至2014年底，我国聚乳酸年生产能力约4.6万吨，但产量不高。随着聚乳酸作为生物新材料应用前景被日益看好，近年国内一些玉米深加工企业和生物化工企业开始投资进入聚乳酸行业。截至2018年末，随着中粮集团有限公司及浙江海正生物材料股份有限公司等聚乳酸生产线的建设，目前国内聚乳酸年生产能力近9万吨。但受制于技术因素，目前国内企业用于生产聚乳酸的原材料——丙交酯仍主要从国外进口，生产成本较高，已成为制约国内聚乳酸产业发展的主要瓶颈。

（二）聚乳酸市场应用

除了良好的生物可降解性之外，聚乳酸还具有很多的优良性能。相比于传统生物可降解塑料，聚乳酸拥有可媲美一般石化合成塑料的强度和透明度，因而可广泛用于制造各种应用产品。

1.生物医用领域

生物医用领域是聚乳酸最早开展应用的领域。聚乳酸对人体有高度安全性并可被组织吸收，加之其优良的物理机械性能，因此可应用在生物医药领域。如一次性输液工具、免拆型手术缝合线、药物缓解包装剂、人造骨折内固定材料、组织修复材料、人造皮肤等。高分子量聚乳酸有较高的力学性能，在欧美等国家已被用来替代不锈钢，作为新型的骨科内固定材料如骨钉、骨板被大量使用，其可被人体吸收代谢的特性使病人免收了二次开刀之苦。其技术附加值高，是生物医用领域最具发展前景的高分子材料。

2.包装材料领域

通过熔融挤出、注塑、吹塑、发泡及真空成型等不同的加工方式，可将聚乳酸制备成各种形状的材料，其制品主要有薄膜、瓶子、托盘和发泡材料等。这些制品具有高的透明度和光泽性、透气性、高模量、完全折叠性和缠结保持力、低温热封性和易开性、柔软性等特性，主要被用作食品容器、热收缩包装、透气包装、保香包装、购物袋、垃圾袋等使用。

3.纤维纺织领域

聚乳酸具有优良的可纺性，其纤维制品具有安全性、透气性、吸湿性、阻燃性、抗紫外线稳定性等优点，同时聚乳酸纤维可以制成圆截面的单丝或复丝、三叶形截面的丙纶膨体长丝（BCF，可用于织造地毯和毛毡）、卷曲或非卷曲的短纤维、双组份纤维、纺粘非织造布和熔喷非织造布等，因此聚乳酸纤维被应用在服装市场、家用及装饰市场、非织造布市场、双组份纤维、卫生及医用领域。

4.农业领域

聚乳酸的可塑性和物理加工性能良好，可以将其加工成农用薄膜，用来弥补传统农用地膜不可降解的缺陷。对比研究在聚乳酸与聚乙烯地膜覆盖下棉花的生长，发现聚乳酸地膜在20天左右开始降解，在棉花收获期降解面积能达到80%左右，并且降解地膜表现出较好的保温性能。对比研究聚乳酸与聚乙烯地膜对西瓜种植的影响，试验表明聚乳酸地膜具有可降解性且不会造成环境污染，覆盖聚乳酸地膜能够促进西瓜的生长发育。

5.工程塑料领域

从长期使用的角度考虑，人们尝试将聚乳酸改性，应用到如电子电器产品、办公自动化机器、通讯材料和汽车内饰品等领域。聚乳酸与其他树脂、无机材料等进行多元共混复合，可以生产成具有物理性能优异的新塑料“合金”，这些材料具有优良的抗静电、尺寸稳定性、撕裂强度、压缩强度、拉伸强度、抗冲击强度等性能，因此被广泛用于制造电脑部件、手提笔记本外壳、手机零部件、影碟机壳体、光盘及家电零部件、汽车配件等。

三、聚乳酸产业发展趋势

党的十八大报告指出，建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，把生态文明建设放在突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。目前，随着我国可持续发展战略的实施，聚乳酸作为一种新兴可降解的生物基材料，不仅能有效缓解“石油危机”带来的对石化资源的依赖，同时也将有效解决传统塑料带来的“白色污染”问题，因此，聚乳酸行业在未来将有巨大的发展空间。

（一）政策利好促进行业发展

当前环保问题是全球亟待解决的问题之一。出于保护环境和节约资源的目的，全球范围内许多国家和地区开始限制塑料购物袋的生产和使用。美国旧金山市是美国第一个封杀塑料袋的城市，2007年3月27日，美国旧金山市议会通过一项法案，限令旧金山的超市、药店等零售商分别在6个月和1年内停止使用化工塑料袋。随后世界上其他国家也酝酿出台相关的法律法规，遏制“白色污染”：日本于2007年4月修订了《容器包装循环利用法》，要求超市、便利店削减购物袋、包装纸用量；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；澳大利亚政府规定自2008年底开始，超级市场将分阶段停止使用塑料购物袋。我国于2008年6月开始在全国范围内实施“限塑令”；2015年1月1日，《吉林省禁止生产销售和提供一次性不可降解塑料袋、塑料餐具规定》正式实施，这是我国第一个全省范围采取高于国家标准的“限塑令”。在2018年全球掀起了一场声势浩大的禁塑热潮，英国、智利、澳大利亚、韩国、新西兰等世界80多个国家都相继制定了“限塑令”或“禁塑令”。据新华社报道，2018年12月4日，第73届联合国大会宣布启动全球反塑料污染行动。

另一方面，聚乳酸开发陆续被列入“十一五”“十二五”“十三五”和《国家中长期科学科技发展规划》重点科研攻关项目。甚至在国家的“十三五”生物产业发展规划中提到，到“十三五”末，生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物基尼龙和生物基增塑剂的年产能分别达到15万吨、20万吨、5万吨和20万吨；在10个城市形成示范应用，对石油基日用塑料制品的替代率达到50%左右；在生物基农用地膜推广10万亩以上；形成一批生物基纤维新产品。

生物基材料产业成为绿色与低碳经济增长的亮点，为我国经济社会可持续发展作出了实质性贡献。对石油基包装材料的禁用和限用，令可再生的制品成为全球紧俏的产品。国家大型战略计划的实施，将给聚乳酸行业带来千载难逢的市场机遇和巨大的消费潜力。

（二）技术发展是行业发展驱动力

聚乳酸行业发展的最大瓶颈在于树脂成本高，主要原因是聚合技术工艺流程长、技术复杂、可变因素多，尚不能大规模批量生产；其次是乳酸作为聚乳酸的原料，其生产成本也相对过高。未来如果乳酸生产转化技术得到提升，聚乳酸的提纯技术更加工业化、商业化，那么聚乳酸的市场价格才能有效降低。这需要各研究院校和企业不断投入研发、聚乳酸行业上下游规范发展以及政府加以引导和支持等各方面努力。

（三）聚乳酸纤维是未来发展重点

聚乳酸纤维的力学性能与通用纤维非常接近，并具有抑菌、可降解等特点，是最有望大规模取代石油基纤维的生物质纤维之一。2018年，我国年产化学纤维约5000万吨，占世界化学总量的70%以上，若取代其1%～3%，将形成50万吨～150万吨的聚乳酸纤维产业。但是，要实现这一目标，还必须在技术和原料供应方面改进。从技术方面看，目前纤维生产中对于L-乳酸和D-乳酸的应用比例、嵌合条件，以及其与聚乳酸共聚物系统的研究和产业化开发较缺乏，而且D-乳酸的大规模、低成本发酵生产技术尚不成熟。从原料供应方面来看，国内尚有两大难题待解决：一是能够稳定地提供纤维级聚乳酸原料；二是成本降至1.5万元/吨左右的水平（聚酯成本1.1万～1.2万元/吨）。

四、聚乳酸产业发展建议

（一）加强工程化开发

为实现聚乳酸连续稳定规模化生产、实现关键设备大型化，建议通过科研、工程、制造、生产联盟等方式，实现集成创新，特别要加强工程化开发力度，尽快建成十万吨级以上的聚乳酸生产装置。

（二）提高产品性能

通过共聚、共混、复合等方法对聚乳酸进行改性，改性后的聚乳酸结晶性能、力学性能和耐热性能等显著提高，促进其在高性能、高附加值材料等领域的应用。

（三）推动乳酸产业化

突破利用玉米秸秆生产乳酸的关键技术瓶颈，并促进乳酸的产业化，可有效规避“与民争粮”的矛盾并降低原料成本，这是我国聚乳酸产业化的重要因素之一。据测算，如以玉米秸秆为原料，乳酸成本可降低30%以上。

（四）建立系列标准体系

聚乳酸产业发展至今仍未建立聚乳酸及其制品等完整的产品性能、检测方法、包装运输等相关标准。建议加快建立聚乳酸系列标准体系，使其在生产、销售及检测时有据可依，利于聚乳酸行业健康发展。

（五）培育和发展绿色消费市场

通过不断提高经济性和示范带动效应，大力推广聚乳酸产品，进行限塑禁塑试点，在土地规划、资金扶持、税收财政等方面给予相应的优惠政策，积极吸引各类资本投入，适时推出全国禁塑政策，为生态保护和创造绿色消费市场环境创造条件，扩大绿色消费市场。

（六）逐步建立聚乳酸制品废弃物回收处理系统

建立生物材料贴标方法，完善垃圾收集和分选系统，逐步建立聚乳酸产品堆肥和回收系统，构建与产业发展相协调的绿色产业体系。

聚乳酸是可生物降解的环保材料，以淀粉等可再生资源为原料生产的聚乳酸产品价格高，限制了其推广应用范围，而且常规聚乳酸产品存在市场低端、性能差、产业配套不完善等问题。因此，短期内我国聚乳酸产业有赖于政策导向、政府的鼓励和扶持。目前，我国聚乳酸在生产技术、工程化及设备制造能力等方面具备产业化基础，其潜在市场需求巨大，从长远来看，聚乳酸产业化前景广阔。