中國(guó)攻克高端地膜—專訪中國(guó)石化上海石油化工研究院首席專家王洪學(xué)

○ 文／本刊記者 鄭 丹／聶曉帆

中石化研發(fā)出國(guó)產(chǎn)全生物可降解地膜，有望助力我國(guó)農(nóng)膜產(chǎn)業(yè)由大走強(qiáng)。

●地膜的使用期往往只有一季，但卻需要幾十年甚至幾百年時(shí)間才能降解掉。供圖/視覺(jué)中國(guó)

農(nóng)業(yè)，為民生之本。當(dāng)各種各樣的農(nóng)田作物成為人們的盤中餐時(shí)，被棄用的農(nóng)用地膜的去向卻成了一大難題。因?yàn)椴豢山到馇一厥粘杀局鹉暝黾?，年?fù)一年，農(nóng)民們只能任由廢棄的農(nóng)膜堆在田間地頭，隨風(fēng)漫天飛舞，白色垃圾貽害萬(wàn)年。

中國(guó)石化集團(tuán)公司高級(jí)專家、中國(guó)石化上海石油化工研究院首席專家、美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)士、美國(guó)高分子材料科學(xué)與工程會(huì)士、美國(guó)高分子化學(xué)會(huì)士、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—化學(xué)與結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)農(nóng)膜項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王洪學(xué)博士解決了這一難題。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的全生物可降解PHA農(nóng)膜，使用壽命可根據(jù)作物生長(zhǎng)需求調(diào)節(jié)，提高地膜強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)機(jī)械鋪膜，進(jìn)一步提高了種植效率，并且通過(guò)降低地膜厚度為農(nóng)民節(jié)省了開(kāi)支。PHA農(nóng)膜被評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)材料專項(xiàng)2017年標(biāo)志性成果及2017-2018十大成果之一。

農(nóng)膜產(chǎn)品亟待升級(jí)

中國(guó)石油石化：王博士，您好！我國(guó)是名副其實(shí)的農(nóng)膜大國(guó)，農(nóng)用地膜產(chǎn)量和使用面積居全球首位，但高端農(nóng)膜比例僅占10%，大部分農(nóng)膜仍是不可降解的。在您看來(lái)，不可降解農(nóng)膜的危害體現(xiàn)在哪些方面？

王洪學(xué)：在農(nóng)用地膜領(lǐng)域，傳統(tǒng)不可降解材料的弊端尤其明顯。其長(zhǎng)期使用已經(jīng)使土地中的地膜殘留量逐年上升，土壤質(zhì)量逐年下降，危及國(guó)家耕地紅線和土地的可持續(xù)性利用。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力減少，用工成本增加，對(duì)超薄不可降解地膜進(jìn)行機(jī)械回收仍然面臨許多困難。再者，廢舊地膜回收成本逐年增加，再生塑料價(jià)格卻持續(xù)走低，降低了地膜回收的經(jīng)濟(jì)性?；厥蘸蟮牡啬び捎谑艿酵寥牢廴?，清洗用水量大，而且運(yùn)輸?shù)剿芰显偕S的物流體系尚不完善，因而很多從農(nóng)田里撿出的地膜堆在田間地頭，有的地區(qū)干脆把收集到的地膜燒掉，造成空氣污染和碳排放增加。

中國(guó)石油石化：在您看來(lái)，我國(guó)高端農(nóng)膜產(chǎn)品研發(fā)面臨的主要問(wèn)題是什么？

王洪學(xué)：我國(guó)農(nóng)膜市場(chǎng)對(duì)價(jià)格低廉的中低端產(chǎn)品需求旺盛，2015年前多年維持兩位數(shù)的年增率。低端農(nóng)膜產(chǎn)品的性能、技術(shù)含量低使產(chǎn)業(yè)進(jìn)入門檻不高，形成同質(zhì)化、低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)局面，造成中低端產(chǎn)品利潤(rùn)較薄，反過(guò)來(lái)極大地限制了企業(yè)的利潤(rùn)空間，企業(yè)沒(méi)有足夠的利潤(rùn)再投資開(kāi)發(fā)高端農(nóng)膜新產(chǎn)品。我國(guó)農(nóng)膜企業(yè)中，中小型占比很高，而且基本在盈虧線附近尋求生存，在技術(shù)和人才積累方面有嚴(yán)重的短板；大型農(nóng)膜企業(yè)相對(duì)較少，且投入能力和研發(fā)實(shí)力尚不足以支撐類似于國(guó)外同類企業(yè)的研發(fā)水平。

高端農(nóng)膜產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)，一方面投入比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中低端農(nóng)膜，另一方面需要先進(jìn)的高分子新材料技術(shù)、高分子加工技術(shù)以及界面和表面材料科學(xué)技術(shù)，且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、對(duì)研發(fā)人員創(chuàng)新能力和素質(zhì)要求高。另外，開(kāi)發(fā)高端農(nóng)膜需要高盈利率公司運(yùn)營(yíng)和管理結(jié)構(gòu)的支持。

新型材料全新路線

中國(guó)石油石化：制約我國(guó)生物降解農(nóng)膜技術(shù)取得突破的瓶頸是什么？

王洪學(xué)：我國(guó)生物降解材料的主要技術(shù)瓶頸包括三方面。一是生物降解材料性能達(dá)不到傳統(tǒng)聚乙烯地膜的水平，其加工性能普遍比聚烯烴差，在生產(chǎn)設(shè)備上難以加工成很薄的高強(qiáng)度、高斷裂伸長(zhǎng)率的地膜，水蒸氣透過(guò)率高，保墑性能較差；二是生物降解地膜田間應(yīng)用壽命過(guò)短，提前降解使其失去保墑、保溫和除草的作用，滿足不了作物生長(zhǎng)的需求；三是成本過(guò)高成為應(yīng)用推廣的瓶頸。

中國(guó)石油石化：您的團(tuán)隊(duì)如何突破上述瓶頸，研發(fā)出全生物可降解農(nóng)膜？

王洪學(xué)：我們采用全新的技術(shù)路線，通過(guò)使用新型生物降解材料，如微生物發(fā)酵制備的聚羥基脂肪酸酯（PHA）作為低成本新原料，采用高分子改性技術(shù)及先進(jìn)的高分子加工技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出提高生物降解材料加工性能和力學(xué)性能的技術(shù)，同時(shí)提高地膜材料的保墑、保溫性能和使用壽命。

我們采用了化學(xué)與結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)新戰(zhàn)略，出發(fā)點(diǎn)是新的化學(xué)方法可以開(kāi)發(fā)出全新的、市場(chǎng)上沒(méi)有的新結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)帶來(lái)新性質(zhì)，因而可以創(chuàng)造出新的生物降解地膜材料性能。高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及微觀聚集態(tài)結(jié)構(gòu)決定其物理和力學(xué)性質(zhì)。采用生物合成方法制造出新型結(jié)構(gòu)的嵌段PHA聚合物，經(jīng)過(guò)化學(xué)改性使其具備成膜性質(zhì)并提升應(yīng)用性能，再通過(guò)建立世界先進(jìn)的薄膜加工過(guò)程在線微觀結(jié)構(gòu)表征方法和技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生物降解地膜制造過(guò)程中結(jié)構(gòu)形成及演化規(guī)律，并以此進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)膜加工技術(shù)，從而開(kāi)發(fā)出世界先進(jìn)的生物降解地膜新材料和加工制備技術(shù)。

優(yōu)勢(shì)明顯效益顯著

中國(guó)石油石化：在您看來(lái)，PHA全生物可降解農(nóng)膜的主要優(yōu)勢(shì)是什么？

王洪學(xué)：PHA可降解農(nóng)膜克服了傳統(tǒng)不可降解材料的弊端，具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。第一，材料的加工性能大幅提升。在工業(yè)級(jí)地膜生產(chǎn)設(shè)備上可制造出6微米以下的地膜，薄膜厚度最薄達(dá)到3微米左右。第二，地膜的綜合材料性能大幅提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性，拉伸強(qiáng)度超過(guò)35MPa，斷裂伸長(zhǎng)率超過(guò)670%，滿足機(jī)械鋪膜要求。第三，地膜的使用壽命可根據(jù)作物的生長(zhǎng)需求調(diào)節(jié)，可滿足不同氣候條件、不同作物的需要。第四，完全符合生物降解要求，相對(duì)生物分解率高。第五，材料成本較現(xiàn)有生物降解地膜降低40%左右，單位面積農(nóng)田的覆膜用量有所減少，可節(jié)省農(nóng)民購(gòu)買地膜開(kāi)支和回收地膜的用工成本。

中國(guó)石油石化：PHA全生物可降解農(nóng)膜的應(yīng)用效果和綜合效益如何？

王洪學(xué)：PHA新型生物降解地膜已應(yīng)用于水稻、玉米、花生、蔬菜、藍(lán)莓等作物，使用生物降解地膜可使水稻增產(chǎn)達(dá)20%，增加了農(nóng)民收入。按照歐洲和日本可降解地膜替代30%不可降解地膜的比例，預(yù)計(jì)全國(guó)每年生物降解地膜使用量可以達(dá)到幾十萬(wàn)噸，可減少近億畝耕地的污染。按地膜中生物基含量50%計(jì)算，未來(lái)每年可減少碳排放超過(guò)20多萬(wàn)噸，將產(chǎn)生顯著的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

我們開(kāi)發(fā)的新型PHA使用節(jié)能節(jié)水生產(chǎn)工藝，可大幅度降低生產(chǎn)成本，減少二氧化碳排放，是綠色生物化工過(guò)程。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，PHA 生產(chǎn)成本有望進(jìn)一步降低，帶來(lái)更為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)有助于創(chuàng)造就業(yè)，具有一定的社會(huì)效益。擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PHA產(chǎn)業(yè)鏈，有利于提升我國(guó)生物降解材料行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。