聚乳酸生物質(zhì)纖維的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及發(fā)展建議

(嘉興學院材料與紡織工程學院，嘉興，314001)

聚乳酸(PLA)是一種具有優(yōu)良生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料［1］。它以木薯、玉米和小麥等一些植物中提取的淀粉為最初原料，經(jīng)過酶分解得到葡萄糖，再經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵后變成乳酸，多個乳酸分子一起經(jīng)脫水縮合形成聚乳酸［2］。作為一種低能耗產(chǎn)品，聚乳酸比以石油產(chǎn)品為原料生產(chǎn)的合成類聚合物低30%～50%的能耗［3］(圖1為聚乳酸生產(chǎn)溫室效應氣體排放和單位能耗與傳統(tǒng)聚合物的比較)，其生產(chǎn)過程無污染，且產(chǎn)品可以堆肥降解，實現(xiàn)在自然界中的往復循環(huán)，因此是一種理想的綠色高分子材料。

1 聚乳酸切片及纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

1.1 聚乳酸切片

圖1 聚合物生產(chǎn)溫室效應氣體排放及單位能耗

由于聚乳酸利用可再生資源、可堆肥降解、低碳經(jīng)濟，生產(chǎn)成本又可能與現(xiàn)有石油基的塑料制品相當，已成為全球矚目的石油基塑料的替代品。在國外，主要是美國、日本及德國的多家公司對聚乳酸的制造和后加工進行了研究和開發(fā)。美國最大的農(nóng)業(yè)公司Cargill和化學公司Dow Chemicals各出資50%于1997年成立了美國Cargill Dow聚乳酸公司，2001年11月在美國建成一套13.6萬t/a裝置，這是迄今為止世界上最大的聚乳酸生產(chǎn)裝置。2002年聚乳酸裝置開工率為70%，2003年為80%。該裝置投產(chǎn)后，產(chǎn)品受到一些國際知名大公司的重視，如可口可樂、鄧祿普太平洋等公司已將聚乳酸應用于生產(chǎn)杯子、高爾夫球包裝及食品包裝等。為了擴大市場份額，Cargill Dow(后更名為NatureWorks)聚乳酸公司宣布與三井化學品公司合作進行聚乳酸的應用開發(fā)。

NatureWorks公司生產(chǎn)的聚乳酸樹脂有纖維級、注塑級和薄膜級3種，其中纖維級樹脂主要是6000系列，有10多個品種，分別用于短纖、長絲和非織造布等。圖2為NatureWorks聚乳酸產(chǎn)品的主要應用領域和市場。

圖2 NatureWorks聚乳酸產(chǎn)品主要應用領域和市場

近幾年，我國不斷加快聚乳酸及其制品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化步伐，并取得了較大進步，與發(fā)達國家相比差距正在縮小。

浙江海正生物材料股份有限公司利用長春應用化學研究所的技術完成了丙交脂開環(huán)聚合30 t/a小試生產(chǎn)線和5 000 t/a中試生產(chǎn)線，目前主要應用于注塑級領域。

上海同杰良生物材料有限公司是目前國內(nèi)唯一一家既有乳酸技術又有聚乳酸技術的高新技術企業(yè)，致力于乳酸技術和聚乳酸產(chǎn)業(yè)化技術的完善和提高，開發(fā)具有自主產(chǎn)權的聚乳酸制造技術，獨創(chuàng)了直接縮聚法制備聚乳酸的聚合工藝。此項創(chuàng)新縮短了工藝流程，大大降低了生產(chǎn)成本，已建成百噸級中試線，申請發(fā)明專利16項，其中美國專利1項，并同步開發(fā)出與之配套的改性加工技術。在完成上海市“科教興市”重大科技產(chǎn)業(yè)攻關項目“生物可降解材料——聚乳酸的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”百噸中期任務的基礎上，同杰良公司在馬鞍山經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)建設年產(chǎn)1萬t聚乳酸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，并列入“十一五”國家發(fā)改委生物質(zhì)工程高技術產(chǎn)業(yè)化專項。該項目完全自主創(chuàng)新并擁有自主知識產(chǎn)權，生產(chǎn)線于2012年7月正式投產(chǎn)，為大規(guī)模發(fā)展聚乳酸產(chǎn)業(yè)打下了基礎。

1.2 聚乳酸纖維

1.2.1 聚乳酸纖維特性

聚乳酸及其聚合物紡絲可采用干紡和熔紡兩種方式，其中干紡在低溫下進行，熱降解少，雖然機械性能好，但需要溶劑回收裝置，污染環(huán)境，生產(chǎn)成本較高，而熔紡具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢［4］。聚乳酸纖維特性見表1，其中還列出了其他纖維的特性作為對比［5-7］。

由表1可以看出:聚乳酸纖維的強度、伸長等性能與PET和PA相近，其物理性質(zhì)介于PET和PA之間，纖維耐紫外光性能好，燃燒后產(chǎn)生熱量少，不易燃。此外，聚乳酸纖維還具有其獨特性能:①可生物降解。PET、PA和PP三大合成纖維及其制品不能生物降解，而聚乳酸纖維具有良好的堆肥降解性，其廢棄物在土中1～2 a強度逐漸降低，最后分解成CO2和H2O。②天然抑菌性。聚乳酸纖維的pH值為5～6，纖維表面呈弱酸性，具有良好的抑菌和除異味功能，因而特別適合應用于對環(huán)境危害大的一次性醫(yī)療衛(wèi)生用品方面，如衛(wèi)生巾、護墊、紙尿褲、成人失禁用品、醫(yī)用紗布、繃帶、敷料、醫(yī)用床單等一次性醫(yī)院耗材。③安全性好。聚乳酸纖維植入體內(nèi)無毒副作用，因此可用作可吸收的手術縫合線和組織工程材料。

表1 幾種纖維的特性

1.2.2 聚乳酸纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

目前，纖維及其制品已經(jīng)成為聚乳酸最主要的應用領域，吸引了眾多研究機構(gòu)和企業(yè)投入巨資進行開發(fā)。

日本鐘紡纖維公司將聚乳酸纖維與棉、羊毛混紡生產(chǎn)具有絲感外觀的T恤、夾克衫、長襪及禮服，還將聚乳酸纖維的用途擴大到產(chǎn)業(yè)領域:在土木工程中做網(wǎng)、墊子、沙袋等，在種植業(yè)中做養(yǎng)護薄膜等，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)中做播種織物、薄膜防蟲防獸害蓋布、芳草袋等，在漁業(yè)中做漁網(wǎng)、漁線等，在家用器具中做垃圾網(wǎng)、手巾、濾器等。美國NatureWorks公司推出了聚乳酸纖維Ingeo，制成短纖維、雙組分纖維、紡黏非織造布和熔噴非織造布等，在服裝、家用和裝飾、非織造布市場以及雙組分纖維、衛(wèi)生和醫(yī)用等領域有著潛在的應用前景。日本Toray公司已研發(fā)成功了利用聚乳酸纖維生產(chǎn)的Ecodear汽車內(nèi)裝部件。

國內(nèi)也有部分企業(yè)對聚乳酸纖維及其制品進行了開發(fā)和生產(chǎn):上海華源股份有限公司開發(fā)了聚乳酸纖維加彈絲和拉伸絲及其布樣，中國石化儀征化纖股份有限公司開展了聚乳酸的聚合、紡絲技術研發(fā)，上海市合成纖維研究所也于2005年底開始試制聚乳酸短纖，但尚未見到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的報道。常熟長江化纖有限公司與中國科學院長春應用化學研究所合作，完成了國家“863計劃”一步法聚乳酸紡絲工藝與技術項目，開發(fā)了連續(xù)聚合熔體直紡聚乳酸長絲新技術，預計將形成年產(chǎn)2 000 t標準生產(chǎn)線。上海同杰良公司對聚乳酸纖維及其制品進行了大規(guī)模的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)，2006—2008年上海同杰良公司、上海市紡織科學研究院、同濟大學以及上海德福倫化纖有限公司聯(lián)合承擔了上海市科委計劃“聚乳酸纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術研究及應用開發(fā)”項目，成功開發(fā)出聚乳酸長絲、聚乳酸/Tencel、聚乳酸/黏膠混合紗，并制成了高檔內(nèi)衣、T恤衫等，產(chǎn)品質(zhì)量完全達到預期指標。從2010年至今，上海同杰良公司與嘉興學院合作，相繼成功開發(fā)出了全降解聚乳酸衛(wèi)生巾(含護墊)、聚乳酸非織造布(包括紡黏、水刺、針刺、保暖絮片)、聚乳酸襪子和聚乳酸高檔內(nèi)衣用面料，已經(jīng)進行到產(chǎn)業(yè)化階段，現(xiàn)正在進行市場推廣。

2 聚乳酸纖維及其制品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展亟待解決的問題

2.1 耐熱聚乳酸纖維的開發(fā)

由于聚乳酸纖維的構(gòu)成單體為L-乳酸，耐熱性較差，其玻璃化溫度僅為57℃，熔點為175℃，給后續(xù)的紡織、染整加工和服裝熨燙帶來困難。因此聚乳酸纖維耐熱性的提高成為關鍵，需要解決D乳酸的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化問題，開發(fā)立體異構(gòu)復合物的制備技術。

2.2 聚乳酸紡織品及其后整理技術的開發(fā)

(1)聚乳酸或多組分混紡紗線或交織面料的染色技術及方法的研究。尋找適合其染色加工技術及配套助劑，解決分散染料對聚乳酸纖維染色的上染率及交織物的耐水洗色牢度、日曬牢度等技術難題。

(2)對現(xiàn)有分散染料進行合理的篩選，尋求低溫下能對聚乳酸纖維有較好染色性能和適宜染色牢度的分散染料;同時開發(fā)新型染色助劑，以提高聚乳酸纖維的染色性能，改善色光和牢度，并探索聚乳酸纖維染色工藝條件，在獲得理想染色效果的同時盡量降低對織物的損傷。

(3)聚乳酸針織面料集成開發(fā)技術的研究。探索針織物組織與多色集層結(jié)構(gòu)，設計開發(fā)出科學合理的聚乳酸或多組分針織面料(聚乳酸長絲，或多組分:聚乳酸/Tencel、聚乳酸/棉/真絲等組合)，用于生產(chǎn)高檔內(nèi)衣、T恤衫等。

2.3 聚乳酸非織造布技術的開發(fā)

(1)聚乳酸紡黏非織造布。目前國內(nèi)只有溫州昌隆紡織科技有限公司和大連瑞光非織造布集團有限公司批量化生產(chǎn)聚乳酸紡黏非織造布，由于沒有專用生產(chǎn)設備，只是在原有滌綸紡黏線上生產(chǎn)，存在著產(chǎn)品強力低、撕強差和手感硬等問題，因而需要研發(fā)聚乳酸紡黏非織造布專用生產(chǎn)線。

(2)聚乳酸熔噴非織造布。目前國內(nèi)外還沒有企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)聚乳酸熔噴非織造布，只有科研院所相關的研究性報道，距離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。聚乳酸熔噴非織造布是SMS(紡黏+熔噴+紡黏非織造布)以及過濾用品的必需材料，而這些材料又是對環(huán)境危害較大的一次性醫(yī)療和衛(wèi)生用品的主要組成部分，因而熔噴非織造布的研發(fā)成功必將成為推動聚乳酸材料發(fā)展和應用的新經(jīng)濟增長點。

(3)聚乳酸彈力非織造布。聚乳酸彈力非織造布是一次性醫(yī)療衛(wèi)生用品中的必需品，嬰兒尿不濕和成人失禁用品中缺少了可降解的彈性非織造布，對其全降解產(chǎn)品的開發(fā)只能望洋興嘆。因此，必須研發(fā)聚乳酸彈性樹脂及其非織造布的產(chǎn)業(yè)化技術，真正形成高附加值聚乳酸纖維產(chǎn)品的開發(fā)循環(huán)鏈。

2.4 聚合及加工裝備的研發(fā)

為配合上述聚乳酸纖維及其后續(xù)制品的研發(fā)，需要相應的生產(chǎn)設備進行配套。

(1)千噸級聚乳酸成套聚合設備的設計與開發(fā)。形成百噸級向萬噸級及以上產(chǎn)能配套設備擴展的放樣中轉(zhuǎn)站，同時利用該套中試線還可以小批量、多品種生產(chǎn)一些特殊產(chǎn)品，如熔噴非織造布以及彈性纖維專用料等。

(2)專用聚乳酸紡絲設備的開發(fā)。可在現(xiàn)有滌綸紡絲設備上完成，通過紡絲組件改造，調(diào)整孔徑和長徑比、側(cè)吹風和牽伸裝置，解決聚乳酸聚合物熱敏性和熔體高黏度之間的矛盾，紡絲速率與初生纖維拉伸形變大的問題，以便穩(wěn)定地紡制出強力高、延伸性好的聚乳酸纖維，同時為紡制差別化聚乳酸纖維打下基礎。

3 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

目前，聚乳酸產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路正處于關鍵時期，如何規(guī)避風險，使其順利進入產(chǎn)業(yè)化階段并進行良性市場運作，需要政府出臺相應政策，扶持聚乳酸生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，筆者提出如下建議:

(1)給予聚乳酸切片及纖維生產(chǎn)企業(yè)稅收減免或價格補貼的支持。我國聚乳酸纖維面臨普通聚酯和黏膠纖維低成本市場價格的競爭，產(chǎn)品推廣舉步維艱，同時美國NatureWorks聚乳酸切片由于以轉(zhuǎn)基因玉米為原料，至上海到岸價格為2 250美元，低于國內(nèi)生產(chǎn)成本價，對于我國尚處于幼稚期的聚乳酸纖維產(chǎn)業(yè)構(gòu)成了極大的競爭壓力。建議從扶持和保護整個聚乳酸行業(yè)的目標出發(fā)，盡快實施稅收減免或財政補貼等政策支持。

(2)建立聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟。由政府引導建立聚乳酸原料、纖維制造、制品生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，通過產(chǎn)業(yè)鏈的合作，利益合理分配，整合資源，降低發(fā)展成本，發(fā)揮企業(yè)各自的獨立優(yōu)勢，以產(chǎn)學研聯(lián)合的方式進行聚乳酸纖維相關項目的創(chuàng)新性開發(fā)，最終形成具有完全自主品牌的聚乳酸產(chǎn)品。

(3)建立聚乳酸系列標準體系。引導加快聚乳酸纖維及其后續(xù)制品的產(chǎn)品標準、檢測方法、應用規(guī)范等相關標準的建立，使其在生產(chǎn)、銷售和檢測時有據(jù)可循，提高產(chǎn)品競爭力，利于聚乳酸行業(yè)的整體健康發(fā)展。

(4)建立生物質(zhì)纖維技術創(chuàng)新專項資金，對聚乳酸切片、纖維和制品的產(chǎn)業(yè)化給予重點支持。目前聚乳酸及其纖維生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)營狀況不容樂觀，仍處于較大虧損狀態(tài)。建議對企業(yè)前期投資給予適當后期補助，給予總額20% ～30%的資助，使企業(yè)盡快進入良性運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

聚乳酸材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正在世界范圍內(nèi)掀起一場新的環(huán)保革命，聚乳酸產(chǎn)業(yè)鏈的形成及延伸完全符合“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。推動聚乳酸產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，不僅能迅速在國際市場上搶占先機、實現(xiàn)價值，還必將推進聚乳酸在醫(yī)療衛(wèi)生、紡織服裝、農(nóng)業(yè)及電子等領域的推廣和應用，對我國加快建設低碳節(jié)約型、生態(tài)友好型社會及其可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的現(xiàn)實意義和重大社會效應，同時也將產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。因此聚乳酸產(chǎn)業(yè)的市場前景一片光明。

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