張宗飛,王錦玉,謝鴻洲,湯連英,盧文新
(中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)
摘 要:概述了可降解塑料的幾種典型產(chǎn)品及其市場(chǎng)情況。介紹了聚乳酸(PLA)、聚(對(duì)苯二甲酸/己二酸丁二醇酯)(PBAT)等可降解塑料的生產(chǎn)工藝和技術(shù)進(jìn)展,并對(duì)其綜合性能進(jìn)行了對(duì)比 。 此外,還介紹 了PLA 和 PBAT的市場(chǎng)現(xiàn)狀,并對(duì)我國(guó)可降解塑料未來(lái)的市場(chǎng)需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
關(guān)鍵詞:可降解塑料;生產(chǎn)工藝;市場(chǎng)分析
doi:10.3969/j.issn.1004-8901.2021.06.002
中圖分類號(hào):TQ320.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-8901(2021)06-0010-04
塑料自20世紀(jì)50年代問世以來(lái),給人們的生活帶來(lái)了極大的便利,曾被譽(yù)為20 世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。然而,當(dāng)前廣泛使用的塑料,如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等,均需數(shù)百年才能降解,且廢塑料通常采取填埋和焚燒的方式進(jìn)行處理,由此帶來(lái)的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),1950 年至今合計(jì)產(chǎn)生約 83 億t塑料,其中回收利用率僅9%。目前,全球每年塑料產(chǎn)量約3.7 億t,預(yù)計(jì)到2050年將增加2倍。
可降解塑料被認(rèn)為是解決塑料污染問題的有效途徑之一,全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)相繼出臺(tái)了限制或禁止使用一次性不可降解塑料制品的相關(guān)政策 或規(guī)定,以推動(dòng)可降解塑料的發(fā)展。我 國(guó)在2020年初出臺(tái)了被業(yè)界稱為“最嚴(yán)限塑令”的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》,提出了可降解塑料推廣應(yīng)用的時(shí)間表[1,2]。隨著國(guó)內(nèi)各地禁塑政策的逐步制定和執(zhí)行,我國(guó)可降解塑料迎來(lái)了空前的發(fā)展機(jī)遇,未來(lái)市場(chǎng)使用率有望和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家平齊。
1 可降解塑料產(chǎn)品介紹
可降解塑料是指各項(xiàng)性 能可滿足使用要求,在保存期內(nèi)性能不變,而使用后在自然環(huán)境條件下能降解成對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)的塑料[3]。 按原料來(lái)源主要分為石油基、生物基和煤基三大類,石油基可降解塑料包括聚對(duì)苯二甲酸/己二酸丁二醇酯(PBAT)和聚丁二酸丁二 醇酯(PBS)、聚己內(nèi)酯(PCL)等,生物基可降解塑料包括淀粉基、纖維素、聚乳酸(PLA)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)等,煤基可降解塑料有聚乙醇酸(PGA)。另外,在“雙碳”背景下,CO2基可降解塑料PPC具有一定的工業(yè)化價(jià)值,現(xiàn)已初具規(guī)模。2020年全球可降解塑料產(chǎn)能達(dá) 到122.7萬(wàn)t,歐洲 生 物塑料協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)能分布見圖 1,淀粉基 、PLA 、PBAT為主流產(chǎn)品,產(chǎn)能占比分別為32%、32%、23%,三者合計(jì)占比87%。其中,部分淀粉基塑料存在爭(zhēng)議,目前,僅淀粉基完全生物降解塑料被廣泛認(rèn)可,因此,本文不再對(duì)其作詳細(xì)介紹,僅介紹幾種主流的可降解塑料。
圖1 2020年全球可降解塑料產(chǎn)能分布
1.1主流可降解塑料
1.1.1 PLA
聚乳酸又稱為聚丙交酯,由乳酸聚合而成,其聚合單體乳酸以可再生的植物資源(主要是玉 米)所提取的淀粉為原料,經(jīng)糖化得到葡萄糖,再經(jīng)菌種發(fā)酵而成。乳酸聚合制備PLA有乳酸直接縮聚法(一步法)和丙交酯開環(huán)聚合法(二步法)兩種不同的生產(chǎn)工藝,工藝路線見圖2。
圖2 PLA 的生產(chǎn)工藝路線
一步法即乳酸在催化劑作用下脫水縮聚成聚乳酸,該工藝的優(yōu)點(diǎn)包括流程短和成本低等,缺點(diǎn)主要在于縮聚副產(chǎn)物(水)難以從高黏度體系中脫除,難以獲得高分子量的PLA產(chǎn)品。 受此限制,該工藝工業(yè)應(yīng)用程度低,國(guó)內(nèi)目前僅上海同杰良公司采用同濟(jì)大學(xué)的一步法工藝技術(shù)制備PLA 。
兩步法先是乳酸經(jīng)過(guò)縮聚和解聚步驟得到中間單體丙交酯,再經(jīng)開環(huán)聚合制備PLA。該工藝雖存在生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高 、丙交酯難以精制等缺陷,但制備的PLA產(chǎn)品分子量較高,可滿足高端領(lǐng)域的應(yīng)用需求,因而兩步法成為主流的PLA生產(chǎn)工藝。國(guó)內(nèi)PLA聚合技術(shù)商包括中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所 、南京大學(xué)、常州大學(xué)、成都有機(jī)化學(xué)研究所、武漢大學(xué)等[1]。丙交酯的合成和純化是PLA產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)難點(diǎn),國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)不具備丙交酯生產(chǎn)能力,均外購(gòu)NatureWorks 和 Corbion生產(chǎn) 的丙 交酯生產(chǎn)PLA。目前,我國(guó)金丹科技、浙江海正和 安徽豐原具備高分析純、化學(xué)純丙交酯的生產(chǎn)能力,其中,安徽豐原已具備規(guī)?;a(chǎn)能力。此外,國(guó)內(nèi)中糧科技計(jì)劃建立“玉米-乳 酸-丙交酯 -聚乳酸”的全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)基地。
1.1.2 PBAT
PBAT為脂肪族-芳香族共聚酯。聚二元酸二元醇酯工業(yè)化制備方法有擴(kuò)鏈法和酯化-縮聚法,其中,擴(kuò)鏈法由于需要用到具有毒性的異氰酸酯類擴(kuò)鏈劑,所制備的產(chǎn)品在用于食品包裝領(lǐng)域時(shí)存在安全隱患。
PBAT以1,4-丁二醇(BDO)、己二酸(AA)、對(duì)苯二甲酸(PTA)為原料,經(jīng)酯化-縮聚反應(yīng)而制得。 其生產(chǎn)工藝根據(jù)聚合單體參加反應(yīng)順序的不同,可分為共酯化法(直接酯化)、分酯化法和串聯(lián)酯化法[4],具體見圖3。共酯化法為三種聚合單體經(jīng)過(guò)酯化和縮聚反應(yīng)合成PBAT,該工藝具有工藝流程短、原料利用率高、反應(yīng)時(shí)間短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),成為我國(guó)PBAT主流生產(chǎn)工藝 。分酯化和串聯(lián)酯化工藝通過(guò)聚合單體分開進(jìn)行反應(yīng)的方式合成PBAT,優(yōu)點(diǎn)有產(chǎn)品分子量分布窄、設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)體系中間物質(zhì)較少等,缺點(diǎn)是各批次產(chǎn)品質(zhì)量可能存在差異。
圖3 PBAT 的生產(chǎn)工藝路線
PBAT生產(chǎn)工藝最初由德國(guó)巴斯夫開發(fā),國(guó)內(nèi)技術(shù)商包括上海聚友、北京芯友、藍(lán)山屯河公司、金發(fā)科技等。中國(guó)五環(huán)工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)五環(huán))在PBAT和PBS的產(chǎn)品上擁有豐富的設(shè)計(jì)建設(shè)和總承包經(jīng)驗(yàn),先后承接了望京龍、旭科、宇新等多個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。此外,為降低PBAT的成本,提高市場(chǎng)接受度,中國(guó)五環(huán)開發(fā)了低成本 PBAT產(chǎn)品,其綜合性能與市面上通用PBAT相當(dāng),甚至更優(yōu),且原料成本比商品化PBAT低20%左右 。
1.2其他可降解塑料
1.2.1 PGA
PGA又稱聚乙交酯,以乙醇酸或其前驅(qū)體乙醇酸甲酯為原料聚合而成。乙醇酸制備PGA有乙醇酸直接縮聚法(一步法)和乙交酯開環(huán)聚合法(二步法)兩種生產(chǎn)工藝[5]。當(dāng)前PGA的生產(chǎn)以兩步法為主,技術(shù)商包括日本吳宇化學(xué)、上海浦景化工、江蘇金聚、惠生工程和中國(guó)五環(huán)等。
PGA聚合原料乙醇酸可由煤制乙二醇裝置聯(lián)產(chǎn)制備,通過(guò)更換DMO的加氫催化劑,可以在乙二醇裝置上側(cè)線生產(chǎn)乙醇酸甲酯,以及經(jīng)水解結(jié)晶進(jìn)一步生產(chǎn)乙醇酸。中國(guó)五環(huán)聯(lián)合其他技術(shù)方開發(fā)了合成氣制聚合級(jí)乙二醇技術(shù),并采用該技術(shù)以EPC模式建設(shè)了內(nèi)蒙古榮信化工乙二醇 、新疆廣匯荒煤氣制乙二醇等多個(gè)大型項(xiàng)目,具有深厚的技術(shù)積累和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)?;诖耍袊?guó)五環(huán)正進(jìn)行合成氣制高分子量PGA的全流程技術(shù)開發(fā),目前已掌握關(guān)鍵單體—高純乙交酯的合成技術(shù)和乙交酯聚合小試技術(shù),所得乙交酯產(chǎn)品純度和收率均較高,而且生產(chǎn)成本較低,具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)雙重優(yōu)勢(shì)。
1.2.2 PCL
PCL是由ε-己內(nèi)酯開環(huán)聚合制備的一類線性脂肪族聚酯,其生產(chǎn)難點(diǎn)在于原料ε-CL的生產(chǎn),由于ε-CL生產(chǎn)時(shí)需要使用過(guò)氧酸作為氧化劑,儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)較高[1],其生產(chǎn)技術(shù)長(zhǎng)期被德國(guó)Perstorp 公 司和日本大賽璐公司壟斷。 我國(guó)ε-CL長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,近年來(lái)湖南聚仁打破限制,現(xiàn)已具備生產(chǎn)能力并對(duì)外供貨。
1.2.3 PPC
PPC是由二氧化碳和環(huán)氧丙烷共聚而成的脂肪族聚酯,其中二氧化碳含量約40%[6]。PPC聚合的關(guān)鍵技術(shù)在于催化劑以及工藝控制技術(shù),當(dāng)前,國(guó)內(nèi)技術(shù)主要掌握在科研機(jī)構(gòu)及高校手中,中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所研發(fā)的稀土三元催化劑、中山大學(xué)研發(fā)的負(fù)載型催化劑以及中科院廣州化學(xué)所研發(fā)的雙金屬催化劑體系均已工業(yè)化,此外,蘭州大學(xué)和浙江大學(xué)也均有自主研發(fā)的催化劑體系,但尚未工業(yè)化應(yīng)用。目前,我國(guó)PPC已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,江蘇中科金龍化工、浙江臺(tái)州邦豐塑料、河南天冠集團(tuán)、吉林博大東方等采用相關(guān)技術(shù)擬建/建成PPC工業(yè)化裝置,但由于目前催化劑和工藝控制技術(shù)不夠成熟,以及下游應(yīng)用不明確,PPC尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
1.2.4 PHA
PHA 是一類 由3-羥基脂肪酸組成的高分子線性聚酯的統(tǒng)稱,在細(xì)菌體內(nèi)合成,細(xì)菌的種類和攝入的原料決定了PHA 的分子結(jié)構(gòu)[6],不同PHA 的區(qū)別主要在于C-3位上側(cè)鏈基團(tuán)不同,現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的PHA有150余種,以側(cè)鏈為甲基的聚3-羥基甲-酸(PHB)最為常見。目前掌握PHA生產(chǎn)技術(shù)的技術(shù)商主要有日本 Kaneka 、P&G、國(guó)韻生物和藍(lán)晶微生物等,但PHB技術(shù)門檻高且生產(chǎn)成本較高 、產(chǎn)品質(zhì)量難以控制,目前市場(chǎng)規(guī)模較小。近年來(lái),藍(lán)晶微生物的PHA技術(shù)進(jìn)展迅速,已成功融資數(shù)億元,有望在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)化生產(chǎn)。
1.3可降解塑料綜合性能對(duì)比
市場(chǎng)上可降解塑料產(chǎn)品種類繁多,從性能角度來(lái)看各有優(yōu)缺點(diǎn),將典型的可降解塑料的綜合性能進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表1[3]。具體來(lái)看,PLA 拉伸強(qiáng)度和楊氏模量較高,但延伸率最低、韌性差,通常采用合金共混的方式來(lái)改善PLA 的脆性,提高其柔韌性和抗沖擊強(qiáng)度。PBAT力學(xué)強(qiáng)度低,但延伸率是PLA 的數(shù)百倍,韌性好。PBS的綜合性 能優(yōu)異,但由于親水性過(guò)強(qiáng),存在儲(chǔ)存穩(wěn)定性差的問題,而且目前受制于其原料丁二酸供應(yīng)短缺,尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用。PGA 力學(xué)強(qiáng)度最佳,氣體阻隔性好,降解速率快,但是韌性差、加工困難[7]。PCL耐熱性較差,力學(xué)性能一般,降解速率慢。PHA綜合性能優(yōu)異,且可海水降解,但當(dāng) 前價(jià)格太高,難以普及應(yīng)用。PPC 的韌性較好,但為無(wú)定形聚合物,而且耐熱性較差,因此難以單獨(dú)使用,一般作為改性組分進(jìn)行共混應(yīng)用。
2 可降解塑料市場(chǎng)分析
2.1 主流可降解塑料市場(chǎng)分析
當(dāng)前,PBS 、PGA 、PCL 、PPC和PHA的市場(chǎng)容量較小,本文主要介紹市場(chǎng)份額較高的PBAT和PLA的市場(chǎng)情況。
2.1.1 PLA 市場(chǎng)分析
據(jù)華安證券統(tǒng)計(jì),全球PLA 主要生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能情況見表2 。 全球PLA 產(chǎn)能約48.65 萬(wàn)t/a,其中國(guó)外產(chǎn)能約25.15萬(wàn)t/a,國(guó)內(nèi)產(chǎn)能約23.5萬(wàn)t/a。國(guó)外產(chǎn)能集中在西歐和美國(guó),美國(guó)的Nature-works是全球最大的PLA 生產(chǎn)企業(yè),產(chǎn)能達(dá)15萬(wàn)t/a,占據(jù)了全球30% 以上的PLA產(chǎn)能。近年來(lái),國(guó)內(nèi)一些玉米深加工企業(yè)和生物化工企業(yè)開始投資進(jìn)入PLA產(chǎn)業(yè),但受制于乳酸來(lái)源 、丙交酯生產(chǎn)技術(shù)等方面的 原因,我國(guó)PLA產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段,產(chǎn)能分散度較高,單家公司的產(chǎn)能都較小,但隨著安徽豐原及其他生產(chǎn)廠商逐步突破丙交酯生產(chǎn)技術(shù),PLA 放量在即。
2.1.2 PBAT 市場(chǎng)分析
據(jù)德邦證券統(tǒng)計(jì),全球 PBAT主要生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)能見表3。 當(dāng)前,全球 PBAT 產(chǎn)能共約50萬(wàn)t/a, 其中國(guó)外約17.4 萬(wàn)t/a,國(guó)內(nèi)約32.6萬(wàn) t/a。 全球PBAT產(chǎn)能最大的兩家企業(yè)是意大利 Novamont(10萬(wàn)t/a)和德國(guó) BASF(7.4萬(wàn)t/a),國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模較大的為藍(lán)山屯河(12.8萬(wàn)t/a)、金發(fā)科技(6萬(wàn) t/a)和康輝石化(3.3萬(wàn)t/a)等。自2020年1月禁塑令出臺(tái)以來(lái),國(guó)內(nèi)掀起可降解塑料擴(kuò)產(chǎn)潮,其中PBAT規(guī)劃新增遠(yuǎn)超其他可降解塑料,遠(yuǎn)期產(chǎn)能規(guī)劃超800 萬(wàn)t/a,但能否如期開建,取決于PBAT的推廣應(yīng)用程度。
2.2 國(guó)內(nèi)可降解塑料市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)
華安證券研究所根據(jù)國(guó)內(nèi)各省市禁塑政策執(zhí)行時(shí)間和執(zhí)行力度,以及海外可降解塑料的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)國(guó)內(nèi)可降解塑料市場(chǎng)需求進(jìn)行預(yù)測(cè),今后5年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見表4。
假設(shè)我國(guó)廢棄塑料總量維持在4200萬(wàn)t/a不變,預(yù)計(jì)可降解塑料替代率將呈逐年遞增的變化趨勢(shì),從2021年的2.34%增長(zhǎng)至2025年的4.92%。包裝和農(nóng)用地膜是可降解塑料最主要的兩個(gè)下游市場(chǎng),2021年兩者合計(jì)占比約90%以上。2021年,國(guó)內(nèi)可降解塑料的下游需求約為107.5 萬(wàn)t/a,隨著限塑禁塑政策的出臺(tái)和“雙碳”理念的普及,可降解塑料的需求快速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)消費(fèi)量將達(dá)到 225.3 萬(wàn)t,累加凈出口量將達(dá)到 238.5萬(wàn)t。如果按均價(jià)2萬(wàn)元/t計(jì)算,2025年我國(guó)可降解塑料市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到477億元??傮w來(lái)看,我國(guó)可降解塑料需求總體呈現(xiàn)減緩上升的趨勢(shì),未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。
3 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)上文中的分析,可得出如下結(jié)論:①在環(huán)保和政策的雙驅(qū)動(dòng)下,可降解塑料產(chǎn)業(yè)具有極大的發(fā)展空間,預(yù)計(jì)可降解塑料市場(chǎng)將會(huì)加速擴(kuò)張。PLA和PBAT是當(dāng)前主流的可降解 塑料產(chǎn)品,占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。中國(guó)五環(huán)從技術(shù)和工程兩端發(fā)力,在PBAT和 PGA 等產(chǎn)品領(lǐng)域有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)沉淀和豐富的工程經(jīng)驗(yàn),同時(shí)開發(fā)了低成本PBAT產(chǎn)品,極大地迎合了市場(chǎng)對(duì)于低成本可降解塑料的強(qiáng)烈需求。
參考文獻(xiàn)
[1]陳韶輝,李濤.生物降解塑料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2020,32(2):50-54.
[2]林世東,杜 國(guó)強(qiáng),顧君,等.我國(guó)生物基及可降解塑料發(fā)展研究 [J].塑料工業(yè),2021,49(3),10-13.
[3] 謝鴻洲,盧文新,商寬祥.幾種可生物降解塑料的性能與應(yīng)用比較研究[J].化肥設(shè)計(jì),2020,58(4):4-6.
[4] 歐陽(yáng)春平,盧昌利,郭志龍,等.聚對(duì)苯二甲酸-己二酸丁二醇酯 (PBAT)合成工藝技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用展望[J].廣 東 化 工, 2021,48(6):47-48.
[5] 王淑敏,商寬祥,謝鴻洲,王錦玉.聚乙醇酸產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景 [J].化肥設(shè)計(jì),2021,59(4):1-4.
[6] 白聰艷.生物可降解塑料的研究現(xiàn)狀分析[J].當(dāng)代化工研究, 2021(7):4-5.
[7] 陶怡,柯彥,李俊彪,等.我國(guó)生物可降解塑料市場(chǎng)現(xiàn)狀[J].化工管理,2020,33(2):118-119.
[8] 陳岳.聚碳酸亞丙酯及 其 復(fù)合材料的性能研究[D].湘 潭: 湘潭大學(xué),2013.