国内生物可降解塑料产业发展研究

刘健康

（陕西延长石油(集团)有限责任公司油田气化工科技公司，陕西 延安 717100）

随着社会发展，塑料制品产量日益增长。2018 年全球塑料产量约3.59 亿吨，而预计到2030，全世界每年约5300 万吨塑料制品河流、湖泊和海洋等水系中，对环境造成巨大危害[1,2]。2020 年1 月，国家发改委、生态环境部联合印发《关于进一步加强塑料污染治理的意见》对我国塑料污染治理工作明确了目标。同年7 月，国家发改委等9 部门联合印发《关于扎实推进塑料污染治理工作的通知》，通知公布了塑料制品禁限管理细化标准。生物可降解塑料作为传统塑料的有效替代品之一，已成为当下发展的热点材料。

一、可降解塑料分类

中国轻工业联合会发布的《可降解塑料的分类与标识要求指南》中将可降解塑料分为可土壤降解、可堆肥降解、海洋环境降解、淡水环境降解、污泥厌氧消化和高固态厌氧消化六类。而根据生物降解塑料的生产原料的来源，将其分为生物基生物降解塑料及石化基生物降解塑料。目前，生物可降解塑料的生产中，石油、天然气等化石原料的使用约占25%。

二、生物基生物降解塑料

生物基生物降解塑料指生产原料源于可再生碳源的高分子材料，常见的原料为淀粉、纤维素、甲壳素、半纤维素、木质素等。常见的生物基生物降解塑料产品为聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯类聚合物(PHAs)。

（一）PLA

聚乳酸（PLA）主要用于生物医学、一次性餐具、农膜、3D 耗材等方面。通过糖、淀粉、纤维素等通过微生物发酵生成乳酸，乳酸再通过直接缩聚法或开环聚合法合成PLA，直接缩聚法合成的PLA 分子量底、强度低，不具实用性，合成时水脱除困难。当前，开环聚合法是生产PLA 采用的主要工艺，技术瓶颈是制得高纯度、高光纯的丙交酯中间产物[3,4]。

目前，全球PLA 年产能约50 万吨，产量每年约30 万吨，国内年产能约为5 万吨，年消费量3 万吨以上。NatureWorks 是全球最大PLA 生产商，年产能约18 万吨。浙江海正是我国最大PLA 生产企业，年产能为 1.5 万吨，目前在建一条年产6 万吨的生产线。浙江友诚、吉林中粮、金丹科技、安徽丰源、广东金发、上海同杰良、深圳光华伟业、武汉华丽等公司都积极规划建设聚乳酸生产线。

（二）PHAs

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是人类研究较早的一种生物可降解材料，由微生物发酵合成，目前已发现超150 多种不同的单体结构，结构多样性使得PHA 的应用范围较广。截至目前，PHAs 规模化生产的仅有几种，主要为β-羟基丁酸酯(PHB)、3-羟基丁酸和3-羟基戊酸的共聚物(PHBV)等[5]。

PHAs 具有良好的生物可降解性和生物相容性、压电性、气体阻隔性、光学性能，主要用于生物降解性包装材料、组织工程材料等。目前全球范围内能够规模生产PHA的企业主要是美国Metabolix 公司、日本Kaneka、天津国韵、宁波天安生物等企业，其中天津国韵生物材料有限公司是全球最大生产企业，产能为1 万吨/年。2020 年11 月，清华大学-北京本农环保联合研究中心开展首个利用餐厨废物等废弃碳源合成生物可降解塑料（PHA）的中试项目。

（三）其他生物基可降解塑料

墨西哥研制以芒果皮为原料制成塑料替代品。英国壳业公司正在研究从龙虾壳提取的生物聚合物—壳多糖来制造各式各样的可降解塑料制品。澳大利亚正在研究用棉籽绒制可生物降解的塑料。绿色科技联盟公司成功开发了100%天然生物质衍生材料组成的可生物降解塑料。冰岛推出了一种由动物皮肤制成的生物塑料肉类包装。墨西哥研究人员用仙人掌叶子与其他天然材料混合制造出可食用、可生物降解的塑料。

三、石化基生物降解塑料

石化基生物降解塑料是指合成可降解塑料的原料来自煤、石油、天然气等化石能源，现在石油基的可降解塑料主要有PBXT(PBS/ PBSA/PBST/PBAT)、聚己内酯（PCL）、聚碳酸亚丙酯（PPC）、聚乙醇酸（PGA）、聚丁二酸乙二醇酯(PES)等。

（一）PBXT

PBXT(PBS/PBSA/PBST/PBAT)指聚丁二酸丁二醇酯/聚（丁二酸-己二酸丁二醇酯）/聚（丁二酸丁二醇-对苯二甲酸丁二醇酯）/聚（己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯）是目前生降解材料之一。PBS/ PBSA/PBAT通常采用一步合成法和扩链法2种方法合成。由于丁二酸产能和价格问题，目前全球二元酸二元醇共聚酯以PBAT 为主，PBAT 韧性高，抗撕裂强度是聚乙烯的120%，由于 PBAT 的成膜性能良好，易于吹膜，广泛用于一次性包装膜及农膜领域[6,7]。

表一 PBXT 可降解塑料合成原料表

截至2020 年底PBAT 和PBS 的总产能将在33 万吨/年左右。巴斯夫产能为7.4万吨/年，我国 PBAT 材料产业化发展速度快，安庆和兴化工PBS 项目年产能1 万吨。杭州亿帆鑫富PBS+PBAT 生产线年产能1.3 万吨。山东汇盈年产能2.5 万，康辉石化年产能为3.3 万吨、金发科技每年产能为12 万吨、金晖兆隆每年产能为2 万吨，蓝山屯河PBS+PBAT 生产线每年产能为12.8 万吨。当前，我国PBXT 可降解塑料规划产能超750 万吨，预计“十四五”期间建成产能达450 万吨左右。

（二）PCL

聚己内酯（PCL）主要由ε-己内酯单体在催化剂作用合成。采用逐步聚合或缩聚生产PCL 时，具有反应温度极高、反应时间长、不断移除反应体系水的缺点；由ε-己内酯开环聚合时，选择不同发体系催化后的所合成的聚合物的分子量、分子量分布等都同。PCL 优良的热稳定性、生物相容性、药物通透性出色和可控的降解速率，使得其在医学领域广泛应用[6,7]。

全球PCL 每年产能约为5.2 万吨，国外生产公司主要是瑞典Perstorp 公司，国内的生产企业主要有湖南聚仁化工、深圳光华伟业、孝感市易生、山东吉鲁己内酯等公司。

（三）PPC

聚碳酸亚丙酯（PPC）是由二氧化碳和环氧丙烷在催化条件下共聚而合成的可降解塑料，聚合PCC 的催化剂主要有稀土化合物、有机配位金属及络合物金属化合物三大类[9]。目前，我国合成PPC 技术主要来源于长春应用化学研究所。

PPC 具有良好的生物相容性、气体阻隔性高、抗冲击韧性、透明性和无毒性等特点，目前，主要用于包装材料、阻水材料、阻氧材料、弹性体、涂料、合成革等方面，但PPC 气力学性能和热稳定性差，限制了其应用范围。我国PPC 现有年产能超9 万吨。2019 年台湾博大东方与长春应化所签约在吉林建设年产将达30 万吨PPC 项目，后期计划在长三角、珠三角和西部地区3 个年产不少于30 万吨的PPC 项目。

（四）PES

PES（聚丁二酸乙二醇酯）与 (PBS)是同系物，具有降解速度快、成本较低机械性能较好，加工性能不错的特点，力学性能与聚烯烃LDPE，PP 接近。其在塑料薄膜、食品包装、生物材料等方面有着巨大的发展前景。但目前合成的PES 相对分子质量相对较低、加工困难，其中丁二酸和乙二醇酯化缩聚工艺路线如能解决反应时间长，工艺要求严格等问题将是最有可能实现PES 工业化的工艺路线[10，11]。

表二 PES 合成工艺及原料表

（五）PGA

聚乙醇酸 (PGA) 是一种无毒、可降解的高分子材料，用于饮料包装、农膜、医用手术缝合线等领域。合成方法主要有直接熔融聚合法、缩聚开环法、溶液缩聚法、悬浮聚合法等，上海浦景公司利用乙二醇装置中间产物草酸二甲酯在催化剂作用下加氢反应生成乙醇酸甲酯，乙醇酸甲酯经过聚合反应后生成聚乙醇酸（PGA），成功地开发了具有自主知识产权的煤基全生物降解高分子材料的合成路线[11]。

日本吴羽公司2002 年最早在日本岩木市建成100 吨/年PGA 工业试验装置，2008 年吴羽与杜邦合作，在美国建设了4000 吨/年的PGA 生产装置。2018 年12 月，我国通辽金煤3000 吨/年PGA 的第一批产品下线，2020 年8 月，内蒙古浦景建设的国内首个万吨级聚乙醇酸项投入试生产，2020 年7 月，神华榆林能源化工有限公司开工建设5 万吨/年聚乙醇酸项目，2021 年7 月，中石化在贵州开工建设50 万吨/年PGA 装置。

四、结论

随着我国对塑料污染治理工作的逐步推进，生物可降解塑料产业发展迅速。当前，可降解塑料产品供不应求，导致市场上出现部分传统塑料假冒可降解塑料制品，需国家相关部门需加大执法力度。针对可降解塑料价格较高和力学性能的差异性，需通过改性共混来降低产品价格和改善产品力学性能。