聚乳酸市场技术分析.pdf

信息记录材料 年 月 第 卷第 期聚乳酸市场技术分析闫东雨(乐凯华光印刷科技有限公司 河南 南阳)【摘摘要要】本文以聚乳酸材料的性能优势、下游应用、市场概况及制备技术为研究对象对聚乳酸产业化面临的难题及潜在解决方案进行了探讨力图为进入聚乳酸行业可行性分析提供一份信息支持【关关键键词词】聚聚乳乳酸酸 性性能能优优势势 制制备备技技术术【中中图图分分类类号号】【文文献献标标识识码码】【文文章章编编号号】().【】.【】作者简介:闫东雨()女河南南阳本科工程师研究方向:印刷新材料 引言聚乳酸()是一种近年来热度不断上升的新材料它低碳环保、可降解、原料来源广可以缓解人们对石化资源的依赖还能解决“白色污染”的蔓延因此聚乳酸成为了近年来全球开发研究最活跃、发展速度最快的生物可降解材料之一在我国聚乳酸的研发也被列入“中国制造”、国家中长期科学和技术发展规划纲要()、“十四五国家重点研发计划 个重点专项”等多个重点科研攻关项目 年 月国家重点研发计划所属重点基础材料技术提升与产业化专项 高品质聚乳酸纤维及其纺织品规模化制备与应用正式启动对聚乳酸行业的制备与应用建设产生了巨大的推动作用 聚乳酸的性能优势聚乳酸是一种可替代石油基塑料、环境友好的热塑性聚酯又称聚丙交酯 它由乳酸聚合而成而乳酸又可以通过生物质资源中的糖发酵、纯化而成 聚乳酸的自然降解以水解为主要形式通常不需要特殊的水解酶过程无污染可彻底生物降解为二氧化碳和水 二者回归大气通过农作物的光合作用重新参与到生物质资源的再生实现了在自然界中的绿色循环聚乳酸是一种典型的合成类材料 除了优异的生物降解性聚乳酸还具备以下优良性能:()优异的机械性能:聚乳酸制品的机械强度、硬度、透明度、延伸度及耐候性等参数与常规的石化合成塑料无异 因此它可以用于制造各类塑料制品()易加工性:聚乳酸材料可以通过热塑、注塑、挤出、发泡、吹膜等加工方式成型()生物相容度高且安全性好、热稳定性好、不易变色同时对于氧气以及水蒸汽都有较好的穿透性能还具备优异的透明性能、抗菌性和防霉性综上聚乳酸是一种具备优异综合性能的新型可降解材料 聚乳酸下游应用领域由于聚乳酸所具备的优异生物可降解性、良好理化性能以及易加工性能其下游应用行业十分广泛包括医学领域、纤维纺织、农林环保薄膜、打印/电子产品和包装行业众多具有重要商业价值应用的领域大体可分为以下 大领域:其中前景较好的应用领域为包装及生物医学分别予以详细介绍 包装领域随着网络电商的迅猛发展对各类包装材料的需求猛然增加如软包装袋、食品包装盒、购物袋、缓冲材料等聚乳酸因具有透明、无毒、无味、力学强度高生物可降解、容易染色且机械加工性能好的优点可以加工成薄膜、托盘、瓶子、泡沫等各种形状的材料因此得到广泛应用()聚乳酸薄膜聚乳酸薄膜包括:热缩膜、高透明薄膜、吹塑膜袋和聚乳酸基复合薄膜 它可以用来替代以往不具备环保特点的薄膜材料成为一种新型包装材料 例如:在沃尔玛超市就已经开始使用可降解的聚乳酸薄膜逐步停止使用不可降解的 袋 在日本一些电子产品生产商也已采用聚乳酸复合薄膜来完成产品的包装()聚乳酸容器由于聚乳酸自身的可降解性所制成的容器多应用在货架期较短的产品包装上 其透明性和阻氧性均优于 信息记录材料 年 月 第 卷第 期瓶 聚乳酸知名生产商 使用聚乳酸瓶来包装有机的果汁饮料可拥有 的货架期 丹麦 公司使用聚乳酸膜来包装低温沙拉、肉、面食等新鲜的食品可以达到较长保质期 欧洲市场上也推出了聚乳酸包装瓶均达到食品容器标准 在我国杭州的旭晟科技公司开发出一种高透明、耐热的聚乳酸水杯和聚乳酸材质的婴儿奶瓶满足了既要透明又需耐热(水杯、奶瓶的耐热)的条件表 聚乳酸的 大应用领域及产品类型汇总.应用领域具体产品优势劣势生活塑料及包装塑料袋、饮料包装、一次性餐具、生活塑料制品等应用范围广、市场规模大、技术难度较低附加值较低回收、分拣时有一定难度农林环保用塑料农用地棚膜、农林用塑料育苗钵/育苗托盘材料、林用薄膜、防沙固沙用树脂应用集中且量大可土壤降解解决传统塑料污染难题(相比生活塑料)规模较少纺织用纤维内衣等非熨烫类服饰材料、一次性纺织品等附加值高对高成本的承受力更强(相比树脂)复合材料复合纤维材料、复合树脂材料等用于电器、建材、汽车、医疗材料等附加值高 生物医学材料医用骨固定夹板材料、骨钉、人体组织支架、人造眼角膜、人体组织修复材料等附加值极高(传统应用领域)打印材料聚合物材料前景良好 打印机价高尚未普及 ()聚乳酸发泡材料因为聚乳酸拥有优异的生物降解性将其制成发泡材料可用于一次性餐具以及缓冲包装(如气囊、衬垫等)的生产且不会引起白色污染 市场上已推出聚乳酸发泡材质的一次性餐具兼具了环保性与美观性 生物医用领域由于聚乳酸具有良好的生物相容性且它在人体中代谢的中间产物乳酸可以被人体完全代谢掉因而对人体是安全无毒且无刺激性的能够应用于制备生物可降解支架、导管等各种医用生物高分子材料 根据应用目的不同可选用不同规格的聚乳酸材料例如:非晶型聚乳酸降解速度较快适合应用于药物载体、组织再生需要的低强度支架半晶型聚乳酸硬度及强度较高适合应用于骨外科手术耗材(如可吸收植入物、销钉、螺钉、钢板等)为提高骨外科手术中应用的聚乳酸性能可以将它与其他聚合物/蛋白质(例如玻璃纤维、聚乙醇酸、碳纤维、胶原蛋白、羟基磷灰石等)共同使用 此外聚乳酸材质的移植物可以刺激周围细胞的生长有助于组织再生 聚乳酸行业的市场格局 聚乳酸的行业概况聚乳酸的开发最早可追溯到 世纪 年代当时杜邦公司合成一种可抽丝聚酯但被视作一种失败的合成纤维而放弃 后在 年杜邦公司终于通过“二步法”获得高分子量聚乳酸也就是目前业界使用最广泛的一种方法目前聚乳酸行业处于快速发展中其中外国企业处于统治地位国内企业正加速崛起 产能方面外国企业超过中国企业主要是由于外国企业拥有农产品成本低廉优势和技术方面的先发优势因此掌握着全球 左右的产能:美国 和荷兰 公司产能占全球 国内聚乳酸企业的发展起步较晚 年中粮集团首先成立聚乳酸项目随后海正生材、江苏九鼎、安徽丰原纷纷入局 随着技术瓶颈逐一突破国内企业开始大规模扩大生产 年聚乳酸行业迎来首个拐点国内企业具备与国外企业相抗衡的能力:国产聚乳酸市场份额从 年的 跃升到 见证了国内企业的迅猛追赶 聚乳酸的市场规模 年全世界聚乳酸的生产能力已经有 余万 但由于性能优异、应用领域的飞速扩张聚乳酸仍然供给小于需求 据专业市场调研公司 最新报告显示 年全球聚乳酸市场规模将达 亿美元 年 年年复合增长率将达 从细分应用领域来看占比最大的是包装应用为 从区域来看占比最高的是北美地区为 在亚太区域中国市场独占鳌头占比近 聚乳酸的市场需求随着人们对可持续性、可回收性和绿色包装的需求不断提高聚乳酸在国内外呈现出需求旺盛的局面 欧洲和北美是聚乳酸最大的市场同时亚太各国对聚乳酸的需求也持续增长成为全球需求增长最快的市场之一 申万宏源研究数据显示 年我国聚乳酸 市场需求量 为 万 预计 年将达 万 聚乳酸的市场产能随着全球环保政策的出台全球生物基可生物降解材料的应用发展迅速促进了聚乳酸产能的扩张 数据显示全球聚乳酸产能从 年的 万 上升到 年的 万 年均复合增长率 欧洲市场的统计数据显示 年度全世界聚乳酸的产能为 万 中国国内随着一些粮食深加工企业及生物化工企业投资信息记录材料 年 月 第 卷第 期入局聚乳酸项目国内产能接近 万 聚乳酸国外生产企业全球聚乳酸的生产企业主要在北美、亚太地区 其中美国是目前聚乳酸最大的生产基地也是全球最大出口国 公司年产聚乳酸 万 占全球约该公司通过出口、代理等方式将产品销售到了全球各地 如表 所示表 国外聚乳酸的主要产商、产能.企业名称区域产能(万/年)美国()美国荷兰 聚乳酸国内生产企业在国内聚乳酸起步相对较晚主要的生产企业在江浙 目前国内规模最大的是海正生物的聚乳酸生产线年产能为 万 截至目前我国聚乳酸的年生产能力仍在追赶外国企业的过程中但随着国家层面政策的推动、日益严格的环保要求、聚乳酸生产加工技术的发展和产品性能的改善聚乳酸的产能将出现快速增长表 汇总了国内主要的聚乳酸生产企业名称及产能表 聚乳酸我国主要生产企业及产能.企业名称区域产能(万/年)丰原集团安徽惠通科技江苏 寿光巨能金玉米山东海正生材浙江 禾光生物科技内蒙古允友成生材江苏金发科技广东中粮科技吉林目前随着国内聚乳酸合成技术突破瓶颈产业已进入发展“快车道”近年来多家企业纷纷扩建总产能超过了百万吨如表 所示表 聚乳酸规划项目汇总.企业名称建设计划预计产能(万/年)丰原集团安徽(到 年)楚源集团湖北海正生材浙江江西科院生物江西箐海生物安徽金丹生物河南 聚乳酸的制备技术聚乳酸制备技术核心是合成技术 目前通用的合成路径分 种:生物合成和生物化学合成其特点如表 所示表 聚乳酸的两种合成路径及异同.合成路径相同点不同点生物合成生物化学合成都涉及生物发酵不限于单纯的乳酸发酵也可以是聚乳酸发酵对生物质资源进行发酵从中得到乳酸然后将其用化学反应的方式合成聚乳酸 生物质合成法 发酵生物质 得到乳酸以前发酵主要是采用一些粮食产品成本较高有“与民争粮”的缺点现在则主要是采用农产品中不要的部分来制备聚乳酸合成所需要的中间产物 其中在葡萄糖糖化的反应步骤中得到的 乳酸生物相容性好会进入机体代谢不产生毒素因此人们主要进行 乳酸的生产 商业上的乳酸大部分是通过用乳酸菌发酵葡萄糖获得的 乳酸合成 得到聚乳酸聚乳酸最佳的生物合成流程是用高特异性聚合酶来聚合乳酸但尚未发现能产生聚乳酸的自然界微生物 一些科学家使用基因工程等技术培养出了含有聚合酶的工程菌能够从葡萄糖一步生物合成到聚乳酸 该方法条件温和、转化效率高可利用廉价原料仅仅通过一步就合成高分子的聚乳酸比化学方法更有吸引力但仍处在实验室阶段产业化方法仍有待于研究 生物化学合成现行的合成路径是先把生物资源合成出乳酸再把乳酸合成为最终产物聚乳酸 其中第 步与生物发酵途径的过程相同 乳酸的聚合目前主要也有 种方法:直接缩聚法、开环聚合法 直接缩聚这种方法是通过酯化反应把乳酸脱水、缩聚成聚乳酸 其缺点是:随着反应的进行黏度会不断升高除去副产物变得越来越困难但如果没有及时除去副产物反应难以继续向聚合方向进行最终影响得到聚乳酸的分子量及其性能 其优点是:生产的流程较短、具有成本优势为了提高聚乳酸的分子量和机械性能研究人员探索出 种改进方法如表 所示 开环聚合这种方法是把含有杂质的低分子量乳酸制备成聚乳酸先把乳酸脱水、缩合成低聚物然后在醇类等引发剂的作用下裂解成丙交酯之后丙交酯再开环聚合生成聚乳酸信息记录材料 年 月 第 卷第 期表 直接缩聚的 种改进.惰性溶剂共沸熔融缩聚原理将惰性溶剂与水循环共沸来除去水使反应正向进行同时利用溶剂回流将副反应产物带回反应体系来抑制副反应最终可获得含水少且分子量高的聚乳酸对熔融缩聚的低聚物先造粒、结晶并干燥然后再聚合成高分子量的聚乳酸应用实例以锡粉为催化剂溶剂为二苯醚此法制得聚乳酸分子量高达 万该工艺被日本 公司用于工业化生产使用二元催化体系熔融固相缩聚合成的聚乳酸分子量达 万优点提升聚乳酸分子量提升聚乳酸的分子量、结晶度产品性能和纯度更好缺点引入了有机溶剂设备以及工艺更加复杂成本变高有环境污染风险产品可能残留有溶剂无法用于医学产品需要较高真空度设备要求高反应时间长(数十小时)缩短反应时间是工业化主要难题 开环聚合法可分 项:丙交酯的制备、除杂、及开环聚合 表 汇总了聚乳酸开环聚合法 步的机理及具体反应方法表 聚乳酸开环聚合的工艺流程.开环聚合流程原理方法制备丙交酯乳酸在 和减压条件下通过多级酯化反应脱水缩聚成 低 聚 物 再 在和高真空下热分解断链形成丙交酯通过惰性气流将目标产物及时分离出去可以有效降 低副产物 降低氧 化碳化 催化剂以 羧酸盐类为佳丙交酯的除杂 生产中提纯一般采用精馏开环聚合反应制备聚乳酸目前应用最广的机理是配位 插入聚合该法可控性强、副反应少、生成聚乳酸分子量和强度高常用催化剂是金属有机化合物辛酸亚锡催化活性高、用量少、催化效 率高广泛用于工 业生产总的来说开环聚合法是目前聚乳酸工业生产最多、最成熟的方法 其优点包括:反应可控性较强聚乳酸产物分子量高且性能较好其缺点是工艺过程较多且复杂技术含量及成本也高 聚乳酸行业进入挑战及解决方案目前进入聚乳酸行业面临的主要挑战及潜在解决方案见表 结语聚乳酸是目前可生物降解环保材料中综合性能最优、市场前景最可观的一种 我国聚乳酸的生产技术、工程设备制造能力已具备产业化基础随着各地业内企业纷纷加大投资可预见国内外差距将在未来几年逐渐缩小从行业发展来看业界应着力强化工程开发、提高产品性能、建立系列标准体系、同步推进产业配套才能促进聚乳酸产业化快速发展对我国建设生态友好型社会作出实质贡献对业内企业而言能够从淀粉发酵做到丙交酯再聚合制成聚乳酸成品实属不易足以说明聚乳酸产品投入大、技术含量高 如计划涉足聚乳酸产业可从制品入手即:购买聚乳酸原料改性做制品 如快递袋外卖餐具都是可以涉足的领域 聚乳酸制品投资少回报周期短更加符合初加入企业的发展策略表 聚乳酸产业化面临挑战及解决方案.产业化面临的挑战可能的解决方案产业化进程和工程开发不同步企业自行设计部分生产设备不利于规模生产的展开加强工程开发 集成科研、制造、工程等为一体以便开发出更高产能的生产线国产品种少、性能有待提升(熔点较低、亲水性不佳、且硬脆)应用较多局限于低端市场提高产品性能:通过各种物理化学的方法对聚乳酸进行改性提高其性能以及附加值原料成本偏高:作为原料的乳酸主要是来自小麦、玉米等作物生产成本较高不便于推广突破技术瓶颈利用农业废弃物如玉米芯、秸秆等资源来生产乳酸并实现产业化可有效降低成本 以上配套不足:行业下游企业不配合调整设备工艺来生产各类聚乳酸产品提高聚乳酸的经济性和示范效应扩大绿色消费市场缺少回收处理:聚乳酸的降解需合适的垃圾分离系统、堆埋环境和数月时间目前国内废弃物量少尚未有标准化的回收体系逐步建立回收处理体系:包括聚乳酸垃圾的收集、分类、堆肥和回收从而完善绿色发展的聚乳酸产业体系【参考文献】沈富强.聚乳酸市场概况及技术发展.聚酯工业():.汪朝阳赵耀明.生物降解材料聚乳酸合成史略.化学通报():.()().:.辛颖王天成金书含等.聚乳酸市场现状及合成技术进展.现代化工():.():.孙永利邓林肖晓明等.聚乳酸的合成及催化剂研究进展.化学工业与工程():.