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『深度思考』从市场现状浅谈聚乳酸的发展方向

已有 2404 次阅读 2019-11-25 10:03 |个人分类:生物基|系统分类:观点评述| 生物基, 聚乳酸, PLA, 可降解

随着废弃塑料及塑料垃圾在全球尤其在海洋的富集,不可降解的传统塑料带来的危害越来越大,根据经济合作与发展组织(OECD)发布的报告显示,自2015年以来,每年超过3亿吨塑料垃圾流入环境中, 预测到2050年将达到约120亿吨。欧洲、亚洲等地区正在实行越来越严格的“禁塑令”以遏制塑料垃圾的蔓延,以聚乳酸为代表的生物质可降解塑料由于其绿色、低碳、环保、可堆肥降解、来源广泛等优点成为全球研究应用的重点。

“中国制造2025”将聚乳酸等生物降解材料列入高分子材料重点发展对象,科技部《“十三五”材料领域创新专项规划》明确提出耐高温聚乳酸等新型生物基材料的技术提升与产业升级是发展重点之一。2019年,全球及中国聚乳酸项目建设火热,规划产能已达百万吨,呈现出蓬勃之势,一起看看聚乳酸的发展方向。

聚乳酸简介


聚乳酸(PLA),又称为聚丙交酯,是以乳酸为单体,脱水聚合而成的一种脂肪族聚酯,通常以玉米、甘蔗、木薯等可再生的生物质为原料,其来源充分且可再生。聚乳酸的生产过程低碳环保、污染少,其制品使用后可以堆肥降解,实现在自然界中的循环(如下图)。与其他常见的可降解生物塑料(PHA、PBAT、PBS等)相比,聚乳酸在研究基础、产业链基础(产能)、市场应用、主要性能、生产成本、加工工艺等方面占据优势,目前主要应用于一次性餐具及短保质期的食品包装,在纺织服装、卫生用品、农林环保、3D打印、医学领域、汽车工艺领域也在不断拓展。从应用形态上来看,聚乳酸主要是薄膜、片材、纤维和丝材。

PLA合成、降解与应用循环示意图


聚乳酸合成


聚乳酸合成主要有两种方法,即一步法(直接缩聚法)和两步法(开环聚合法)。一步法优点在于单体转化率较高,工艺简单,不需要经过中间体的纯化,因而成本相对较低。但主要问题也很突出,产物的分子量及其分布难以控制,不易得到高分子量的聚合物,力学性能相对较差。


直接缩聚法


两步法是指乳酸先脱水生成低聚物,然后解聚生成丙交酯,再开环聚合制得聚乳酸,这是目前主流的生产方法。用该方法可以得到分子量和微观结构均可调的聚乳酸,其力学性能较好,这一方法要经过丙交酯纯化的步骤,生产流程长,成本较高,丙交酯的制备工艺也具有一定的技术门槛。

开环聚合法



聚乳酸的特点


聚乳酸的特点十分突出,在应用时存在一定的不足,具体如下。单从性能方面来说,聚乳酸韧性差,质地硬脆,弹性和柔性不足,耐热性差,强度和模量有限,降解速度不稳定,单纯的聚乳酸不太适合应用到对力学性能要求高且稳定的场合,因此通常需要改性。

聚乳酸的优缺点

优点

缺点

1生物质原料来源广泛,可持续供应;

2生产能耗及碳足迹相对较低;

3良好的全生物可堆肥降解性;

4良好的硬度、光泽度及热塑性;

5良好的食品及人体安全性;

6良好的抗拉强度、延伸度以及加工性能,可采用注塑、热塑、挤出成型、吹膜成型、发泡成型等方式加工

7.光泽度好,印刷性好,透气性高 (但此亦可能为缺点)……

1聚乳酸中含有大量的酯键,和大部分的其他塑料共混性差;

2产物分子量分布宽,本身是线性聚合物,脆性大,抗冲击性差;

3热变形温度低(一般不耐热除非改性后用热模结晶),

4.必须在工业堆肥条件下才会在3-6个月降解,自然环境下降解慢,周期长,较难以控制;

5价格较传统塑料高……


值得注意的是,聚乳酸的优缺点在使用时是相对的,如用于包装材料领域,透气性高就成了需要克服的缺点,用在纺织领域,硬脆的特点也会成为需要解决的问题。在机械性能上,聚乳酸的拉伸强度和模量与PET相当,高于PS和PP,在使用中,基本是对标替代PET和PP的一些应用。


聚乳酸和常用高分子材料的对比

性能

PLA

PET

PS

PP

拉伸强度(MPa)

53

54

45

31

断裂伸长率(%)

6

130

7

120

拉伸模量(GPa)

3.4

2.8

2.9

0.9

玻璃化转变温度(℃)

55

75

105

-10

热变形温度(℃)

55

67

75

95


乳酸市场


根据IHS Markit出版的《化学经济学手册——乳酸及其盐和酯》(2018年9月)的数据,2018年全球乳酸的产量约为52.0万吨,表观消费量为51.8万吨,未来五年以5.6%的复合增速增长。目前全球市场需求以L-乳酸为主,纯D-乳酸全球市场需求仅约2000吨,除聚乳酸应用外主要用于生产农药杀虫剂、除草剂等。


目前在全球乳酸的下游应用中,用于食品饮料领域的乳酸占整体市场的46.40%,用于聚乳酸市场占比约为37.60%。预计未来几年,随着聚乳酸市场需求快速增长,聚乳酸将超过食品和饮料行业成为乳酸的第一大应用领域,到2023年消费占比将上升至44.30%。值得注意的是,在国内乳酸行业,用于聚乳酸市场的占比还较低,主要受限于乳酸的纯度及转化为丙交酯的技术门槛。


全球乳酸的应用情况

国内乳酸的应用情况

目前,全球乳酸生产企业主要集中在美国、中国、泰国、西欧及日本等,近70%的厂商采用微生物发酵法进行生产。代表的公司有科碧恩公司、嘉吉公司、金丹、中粮生化格拉特等,科碧恩公司作为全球乳酸领域第一大公司,在美国、泰国、西欧等都建有乳酸生产工厂,占据市场的主要份额。国内的乳酸企业以金丹为龙头,从产能上来看,基本满足国内的需求。


国内乳酸及乳酸盐企业生产情况

补充:中粮生化格拉特的产能约为4万吨/年



聚乳酸市场


目前全球聚乳酸的年产能超过25万吨,根据市场情况反映,基本处于供不应求的状态,中国消费市场近两年发展迅猛,已有多个聚乳酸工厂规划开建,进入井喷期。


全球聚乳酸主要生产企业

企业

项目地点

产能(kt/a)

主要应用

NatureWorks

美国

150

挤出和热成型、注塑、吹塑、发泡、薄膜、片材、纤维、3D打印等

Total   Corbion

泰国

75

注塑、薄膜、片材、纤维、热成型等

Teijin

日本

1

纤维

Synbra

荷兰

5

发泡

海正生物

浙江

15

注塑、薄膜等

同杰良

上海+安徽

11

注塑、薄膜、片材、纤维等

吉林中粮

吉林

10

注塑、片材、纤维等

允友成

江苏

10

注塑等

恒天长江

江苏

10

纤维

光华伟业

湖北

10

3D打印等

河南龙都天仁

河南

6

薄膜、片材等

江苏九鼎

江苏

5

薄膜、纤维等

九江科院生物

江西

1

纤维、3D打印等

部分或未开工


看一下业内的大动作

NatureWorks长期占据聚乳酸行业半数以上市场;Total Corbion公司于2017年在泰国投建7.5万吨级聚乳酸工厂,2018年12月正式投产;浙江海正于2015年扩建1万吨聚乳酸,在当时产能位列全球第二。随着聚乳酸合成技术打破国外垄断并日趋成熟,中国聚乳酸产业已经进入发展的快车道,企业开始以万吨级甚至十万吨级规模规划和建设聚乳酸项目。


2018年上半年,恒天长江建成国际上第一条万吨聚乳酸连续聚合熔融直纺纤维及制品生产线。采用自主研发的“聚乳酸熔体直纺”技术,不经切片,能耗成本降低30%,整体可节省2100元/吨。


2018年6月,丰原集团年产10万吨聚乳酸项目于安徽固镇县奠基,目前固镇丰原生物产业基地玉米--乳酸--丙交酯--聚乳酸的全产业链加工线正在建设中。


进入2019年,聚乳酸的相关项目更是进入了爆发期,3月,通辽经济技术开发区与丰原集团签约“百万吨级生物新材料聚乳酸”项目,该项目总投资120亿元,计划分三期建设,一期项目投资50亿元,年产30万吨聚乳酸,计划2019年开工建设,2021年建成投产。


10月9日,山东同邦新材料科技有限公司“年产30万吨乳酸、20万吨聚乳酸、10万吨聚乳酸纤维生产线项目”环境影响评价文件由烟台市生态环境局海阳分局受理。拟建项目分两阶段进行建设,一阶段建设周期为30 个月,预计2022 年4 月份建成,项目一期工程建成后年产15 万吨乳酸、10 万吨聚乳酸、5 万吨聚乳酸纤维;二阶段建设周期为18 个月,预计2023年10 月建成,二期工程建成后全厂年产30 万吨乳酸、20 万吨聚乳酸、10 万吨聚乳酸纤维。生产工艺采取糖发酵法后通过离子交换生产乳酸,采用二步法生产聚乳酸。


10月23日上午,山西省榆社县政府与山东泓达生物科技有限公司煤基新材料及精细化学品全产业链项目签约仪式在县政府二楼会议室举行,标志着该项目正式落户榆社。据悉,签约项目总投资136亿元,分三期投资建设。三期项目占地面积600亩,固定资产投资50亿元,主要建设年产聚乙醇酸、聚乳酸等新材料16万吨。


10月30日,蚌埠市生态环境局发布《安徽丰原福泰来聚乳酸有限公司年产7万吨聚乳酸及3万吨聚乳酸纤维项目环境影响评价报告书》审批前公示。项目规划建设年产7万吨聚乳酸和3万吨聚乳酸纤维。项目分期建设,设备分期到位,预计2020年8月底投入运行,二期建设年产7万吨聚乳酸生产线,预计2020年12月底投入运行。项目总占地面积49.7亩。11月8日,丰原集团5000吨/年乳酸、3000吨/年聚乳酸产业化示范线试车投产成功,首批聚乳酸产品在蚌正式下线。标志着国内首条从葡萄糖发酵开始的聚乳酸全产业链生产线正式实现产业化


11月1日,崇左市人民政府与浙江友诚控股集团有限公司正式签署《广西聚乳酸可降解生物基新材料产业基地项目投资合作协议书》。本次签约的项目,近期总投资约100亿元人民币,建设年产75万吨乳酸和50万吨聚乳酸项目。项目建成后,可实现年产值125亿元,新增年均税收约13亿元左右。该公司在2017年完成了对德国BluCon Biotech GmbH公司的“第三代乳酸技术”专利技术和研发团队的整体收购,同时联合上海同杰良生物材料有限公司,成为全球目前唯一同时掌握“第三代乳酸技术”、聚乳酸产业化技术的公司。该专利技术是通过特殊的菌种将原料中的纤维素和半纤维素高效转化为乳酸,进而聚合成聚乳酸。




一个个聚乳酸相关的项目手笔之大简直令人瞠目结舌,到底聚乳酸能否不负众望呢?或许有几个问题是值得深思的。
NO1
高光纯度的乳酸技术路线是否已经走通,主要是发酵和提纯工艺(尤其是纤维素的发酵工艺),每个项目能否保证乳酸的正常供应。


NO2
两步法合成工艺中,高品质丙交酯的合成工艺是否已经做通,聚合相关的设备是否已经改善。


NO3
技术和工艺不断完善的背后,聚乳酸的成本是否可以降到足够低,其耐热性差、韧性差的致命缺点是否得到有效改善,性能是否稳定。


NO4
如此巨大的规划产能,是否都将投入到塑料袋、餐饮等一次性制品和包装材料领域,市场能否接纳。


NO5

聚乳酸通常不直接使用,改性工艺很大程度上决定了性能,其高端应用路线该何去何从。

聚乳酸的开发及应用进入爆发期,从重点发展到几乎全面发展,后期也会从注重产量到注重质量,高性能路线是未来的毕竟之路。毋庸置疑,低成本、高质量、大规模的生产工艺是企业青睐的,物美价廉、耐用实用的商品是终端用户喜爱的,技术过硬、产业链稳定,下游认可的行业现状是业内人士共同期待的。聚乳酸在逐渐变成白菜价的同时,究竟是不是一盘好菜,值得拭目以待!

原文链接

https://mp.weixin.qq.com/s/R0tYe5-Ka571qbdLVMe1Hg

Mr秋水人家,国内生物基与生物降解材料领域调研分析第一人

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1 郑永军

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GMT+8, 2020-8-15 14:53

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