張宗飛，王錦玉，謝鴻洲，湯連英，盧文新
（中國五環(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品及其市場情況。介紹了聚乳酸（ＰＬＡ）、聚（對苯二甲酸／己二酸丁二醇酯）（ＰＢＡＴ）等可降解塑料的生產工藝和技術進展，并對其綜合性能進行了對比 。 此外，還介紹 了ＰＬＡ 和 ＰＢＡＴ的市場現(xiàn)狀，并對我國可降解塑料未來的市場需求進行了預測。
關鍵詞：可降解塑料；生產工藝；市場分析
ｄｏｉ：10．3969／ｊ．ｉｓｓｎ．1004－8901．2021．06．002
中圖分類號：ＴＱ320．7 文獻標識碼：Ａ 文章編號：1004-8901（2021）06-0010-04
塑料自20世紀50年代問世以來，給人們的生活帶來了極大的便利，曾被譽為20 世紀最偉大的發(fā)明之一。然而，當前廣泛使用的塑料，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行處理，由此帶來的環(huán)境污染問題日益嚴峻。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1950 年至今合計產生約 83 億ｔ塑料，其中回收利用率僅9％。目前，全球每年塑料產量約3.7 億ｔ，預計到2050年將增加2倍。
可降解塑料被認為是解決塑料污染問題的有效途徑之一，全球多個國家和地區(qū)相繼出臺了限制或禁止使用一次性不可降解塑料制品的相關政策 或規(guī)定，以推動可降解塑料的發(fā)展。我 國在2020年初出臺了被業(yè)界稱為“最嚴限塑令”的《關于進一步加強塑料污染治理的意見》，提出了可降解塑料推廣應用的時間表［１，２］。隨著國內各地禁塑政策的逐步制定和執(zhí)行，我國可降解塑料迎來了空前的發(fā)展機遇，未來市場使用率有望和歐美發(fā)達國家平齊。
1 可降解塑料產品介紹
可降解塑料是指各項性 能可滿足使用要求，在保存期內性能不變，而使用后在自然環(huán)境條件下能降解成對環(huán)境無害的物質的塑料［３］。 按原料來源主要分為石油基、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)化價值，現(xiàn)已初具規(guī)模。2020年全球可降解塑料產能達 到１２２．７萬ｔ，歐洲 生 物塑料協(xié)會統(tǒng)計的產能分布見圖 １，淀粉基 、ＰＬＡ 、ＰＢＡＴ為主流產品，產能占比分別為32％、32％、23％，三者合計占比87％。其中，部分淀粉基塑料存在爭議，目前，僅淀粉基完全生物降解塑料被廣泛認可，因此，本文不再對其作詳細介紹，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，經糖化得到葡萄糖，再經菌種發(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）兩種不同的生產工藝，工藝路線見圖2。
圖2 ＰＬＡ 的生產工藝路線
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)點包括流程短和成本低等，缺點主要在于縮聚副產物（水）難以從高黏度體系中脫除，難以獲得高分子量的ＰＬＡ產品。 受此限制，該工藝工業(yè)應用程度低，國內目前僅上海同杰良公司采用同濟大學的一步法工藝技術制備ＰＬＡ 。
兩步法先是乳酸經過縮聚和解聚步驟得到中間單體丙交酯，再經開環(huán)聚合制備ＰＬＡ。該工藝雖存在生產工藝流程長、生產成本高 、丙交酯難以精制等缺陷，但制備的ＰＬＡ產品分子量較高，可滿足高端領域的應用需求，因而兩步法成為主流的ＰＬＡ生產工藝。國內ＰＬＡ聚合技術商包括中科院長春應化所 、南京大學、常州大學、成都有機化學研究所、武漢大學等［１］。丙交酯的合成和純化是ＰＬＡ產業(yè)鏈的技術難點，國內多數(shù)企業(yè)不具備丙交酯生產能力，均外購ＮａｔｕｒｅＷｏｒｋｓ 和 Ｃｏｒｂｉｏｎ生產 的丙 交酯生產ＰＬＡ。目前，我國金丹科技、浙江海正和 安徽豐原具備高分析純、化學純丙交酯的生產能力，其中，安徽豐原已具備規(guī)?；a能力。此外，國內中糧科技計劃建立“玉米-乳 酸-丙交酯 -聚乳酸”的全產業(yè)鏈生產基地。
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)化制備方法有擴鏈法和酯化-縮聚法，其中，擴鏈法由于需要用到具有毒性的異氰酸酯類擴鏈劑，所制備的產品在用于食品包裝領域時存在安全隱患。
ＰＢＡＴ以1，4-丁二醇（ＢＤＯ）、己二酸（ＡＡ）、對苯二甲酸（ＰＴＡ）為原料，經酯化-縮聚反應而制得。 其生產工藝根據(jù)聚合單體參加反應順序的不同，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過酯化和縮聚反應合成ＰＢＡＴ，該工藝具有工藝流程短、原料利用率高、反應時間短、生產效率高等優(yōu)點，成為我國ＰＢＡＴ主流生產工藝 。分酯化和串聯(lián)酯化工藝通過聚合單體分開進行反應的方式合成ＰＢＡＴ，優(yōu)點有產品分子量分布窄、設備簡單、反應體系中間物質較少等，缺點是各批次產品質量可能存在差異。
圖3 ＰＢＡＴ 的生產工藝路線
ＰＢＡＴ生產工藝最初由德國巴斯夫開發(fā)，國內技術商包括上海聚友、北京芯友、藍山屯河公司、金發(fā)科技等。中國五環(huán)工程有限公司（以下簡稱中國五環(huán)）在ＰＢＡＴ和ＰＢＳ的產品上擁有豐富的設計建設和總承包經驗，先后承接了望京龍、旭科、宇新等多個項目的設計工作。此外，為降低ＰＢＡＴ的成本，提高市場接受度，中國五環(huán)開發(fā)了低成本 ＰＢＡＴ產品，其綜合性能與市面上通用ＰＢＡＴ相當，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）兩種生產工藝［５］。當前ＰＧＡ的生產以兩步法為主，技術商包括日本吳宇化學、上海浦景化工、江蘇金聚、惠生工程和中國五環(huán)等。
ＰＧＡ聚合原料乙醇酸可由煤制乙二醇裝置聯(lián)產制備，通過更換ＤＭＯ的加氫催化劑，可以在乙二醇裝置上側線生產乙醇酸甲酯，以及經水解結晶進一步生產乙醇酸。中國五環(huán)聯(lián)合其他技術方開發(fā)了合成氣制聚合級乙二醇技術，并采用該技術以ＥＰＣ模式建設了內蒙古榮信化工乙二醇 、新疆廣匯荒煤氣制乙二醇等多個大型項目，具有深厚的技術積累和豐富的工程經驗。基于此，中國五環(huán)正進行合成氣制高分子量ＰＧＡ的全流程技術開發(fā)，目前已掌握關鍵單體—高純乙交酯的合成技術和乙交酯聚合小試技術，所得乙交酯產品純度和收率均較高，而且生產成本較低，具有技術和經濟雙重優(yōu)勢。
1.2.2 ＰＣＬ
ＰＣＬ是由ε-己內酯開環(huán)聚合制備的一類線性脂肪族聚酯，其生產難點在于原料ε-ＣＬ的生產，由于ε-ＣＬ生產時需要使用過氧酸作為氧化劑，儲運過程中安全風險較高［１］，其生產技術長期被德國Ｐｅｒｓｔｏｒｐ 公 司和日本大賽璐公司壟斷。 我國ε-ＣＬ長期依賴進口，近年來湖南聚仁打破限制，現(xiàn)已具備生產能力并對外供貨。
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聚合的關鍵技術在于催化劑以及工藝控制技術，當前，國內技術主要掌握在科研機構及高校手中，中科院長春應化所研發(fā)的稀土三元催化劑、中山大學研發(fā)的負載型催化劑以及中科院廣州化學所研發(fā)的雙金屬催化劑體系均已工業(yè)化，此外，蘭州大學和浙江大學也均有自主研發(fā)的催化劑體系，但尚未工業(yè)化應用。目前，我國ＰＰＣ已實現(xiàn)工業(yè)化，江蘇中科金龍化工、浙江臺州邦豐塑料、河南天冠集團、吉林博大東方等采用相關技術擬建／建成ＰＰＣ工業(yè)化裝置，但由于目前催化劑和工藝控制技術不夠成熟，以及下游應用不明確，ＰＰＣ尚未實現(xiàn)大規(guī)模生產和應用。
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，在細菌體內合成，細菌的種類和攝入的原料決定了ＰＨＡ 的分子結構［６］，不同ＰＨＡ 的區(qū)別主要在于Ｃ-3位上側鏈基團不同，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的ＰＨＡ有150余種，以側鏈為甲基的聚３-羥基甲-酸（ＰＨＢ）最為常見。目前掌握ＰＨＡ生產技術的技術商主要有日本 Ｋａｎｅｋａ 、Ｐ＆Ｇ、國韻生物和藍晶微生物等，但ＰＨＢ技術門檻高且生產成本較高 、產品質量難以控制，目前市場規(guī)模較小。近年來，藍晶微生物的ＰＨＡ技術進展迅速，已成功融資數(shù)億元，有望在未來幾年實現(xiàn)萬噸級工業(yè)化生產。
1.3可降解塑料綜合性能對比
市場上可降解塑料產品種類繁多，從性能角度來看各有優(yōu)缺點，將典型的可降解塑料的綜合性能進行對比，結果見表１［３］。具體來看，ＰＬＡ 拉伸強度和楊氏模量較高，但延伸率最低、韌性差，通常采用合金共混的方式來改善ＰＬＡ 的脆性，提高其柔韌性和抗沖擊強度。ＰＢＡＴ力學強度低，但延伸率是ＰＬＡ 的數(shù)百倍，韌性好。ＰＢＳ的綜合性 能優(yōu)異，但由于親水性過強，存在儲存穩(wěn)定性差的問題，而且目前受制于其原料丁二酸供應短缺，尚未實現(xiàn)規(guī)?；瘧?。ＰＧＡ 力學強度最佳，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 前價格太高，難以普及應用。ＰＰＣ 的韌性較好，但為無定形聚合物，而且耐熱性較差，因此難以單獨使用，一般作為改性組分進行共混應用。
2 可降解塑料市場分析
2.1 主流可降解塑料市場分析
當前，ＰＢＳ 、ＰＧＡ 、ＰＣＬ 、ＰＰＣ和ＰＨＡ的市場容量較小，本文主要介紹市場份額較高的ＰＢＡＴ和ＰＬＡ的市場情況。
2.1.1 ＰＬＡ 市場分析
據(jù)華安證券統(tǒng)計，全球ＰＬＡ 主要生產企業(yè)及產能情況見表2 。 全球ＰＬＡ 產能約48.65 萬ｔ／ａ，其中國外產能約25.15萬ｔ／ａ，國內產能約23.5萬ｔ／ａ。國外產能集中在西歐和美國，美國的Ｎａｔｕｒｅ-ｗｏｒｋｓ是全球最大的ＰＬＡ 生產企業(yè)，產能達15萬ｔ／ａ，占據(jù)了全球30％ 以上的ＰＬＡ產能。近年來，國內一些玉米深加工企業(yè)和生物化工企業(yè)開始投資進入ＰＬＡ產業(yè)，但受制于乳酸來源 、丙交酯生產技術等方面的 原因，我國ＰＬＡ產業(yè)仍處于起步階段，產能分散度較高，單家公司的產能都較小，但隨著安徽豐原及其他生產廠商逐步突破丙交酯生產技術，ＰＬＡ 放量在即。
2.1.2 ＰＢＡＴ 市場分析
據(jù)德邦證券統(tǒng)計，全球 ＰＢＡＴ主要生產企業(yè)及產能見表3。 當前，全球 ＰＢＡＴ 產能共約50萬ｔ／ａ， 其中國外約17.4 萬ｔ／ａ，國內約32.6萬 ｔ／ａ。 全球ＰＢＡＴ產能最大的兩家企業(yè)是意大利 Ｎｏｖａｍｏｎｔ（10萬ｔ／ａ）和德國 ＢＡＳＦ（7.4萬ｔ／ａ），國內生產規(guī)模較大的為藍山屯河（12.8萬ｔ／ａ）、金發(fā)科技（6萬 ｔ／ａ）和康輝石化（3.3萬ｔ／ａ）等。自2020年1月禁塑令出臺以來，國內掀起可降解塑料擴產潮，其中ＰＢＡＴ規(guī)劃新增遠超其他可降解塑料，遠期產能規(guī)劃超800 萬ｔ／ａ，但能否如期開建，取決于ＰＢＡＴ的推廣應用程度。
2.2 國內可降解塑料市場需求預測
華安證券研究所根據(jù)國內各省市禁塑政策執(zhí)行時間和執(zhí)行力度，以及海外可降解塑料的發(fā)展現(xiàn)狀，對國內可降解塑料市場需求進行預測，今后5年預測數(shù)據(jù)見表4。
假設我國廢棄塑料總量維持在4200萬ｔ／ａ不變，預計可降解塑料替代率將呈逐年遞增的變化趨勢，從2021年的2.34％增長至2025年的4.92％。包裝和農用地膜是可降解塑料最主要的兩個下游市場，2021年兩者合計占比約90％以上。2021年，國內可降解塑料的下游需求約為107.5 萬ｔ／ａ，隨著限塑禁塑政策的出臺和“雙碳”理念的普及，可降解塑料的需求快速增長，預計2025年國內消費量將達到 225.3 萬ｔ，累加凈出口量將達到 238.5萬ｔ。如果按均價2萬元／ｔ計算，2025年我國可降解塑料市場規(guī)模將達到477億元?？傮w來看，我國可降解塑料需求總體呈現(xiàn)減緩上升的趨勢，未來市場空間巨大。
3 結語
根據(jù)上文中的分析，可得出如下結論：①在環(huán)保和政策的雙驅動下，可降解塑料產業(yè)具有極大的發(fā)展空間，預計可降解塑料市場將會加速擴張。ＰＬＡ和ＰＢＡＴ是當前主流的可降解 塑料產品，占據(jù)較大的市場份額。中國五環(huán)從技術和工程兩端發(fā)力，在ＰＢＡＴ和 ＰＧＡ 等產品領域有堅實的技術沉淀和豐富的工程經驗，同時開發(fā)了低成本ＰＢＡＴ產品，極大地迎合了市場對于低成本可降解塑料的強烈需求。
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