聚乳酸生物質纖維的研發、產業化及發展建議

(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，經過酶分解得到葡萄糖，再經過乳酸菌發酵后變成乳酸，多個乳酸分子一起經脫水縮合形成聚乳酸［2］。作為一種低能耗產品，聚乳酸比以石油產品為原料生產的合成類聚合物低30%～50%的能耗［3］(圖1為聚乳酸生產溫室效應氣體排放和單位能耗與傳統聚合物的比較)，其生產過程無污染，且產品可以堆肥降解，實現在自然界中的往復循環，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和產業化現狀

1.1 聚乳酸切片

圖1 聚合物生產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、低碳經濟，生產成本又可能與現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。美國最大的農業公司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裝置。2002年聚乳酸裝置開工率為70%，2003年為80%。該裝置投產后，產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。

NatureWorks公司生產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聚乳酸產品的主要應用領域和市場。

圖2 NatureWorks聚乳酸產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和產業化步伐，并取得了較大進步，與發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聚合30 t/a小試生產線和5 000 t/a中試生產線，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唯一一家既有乳酸技術又有聚乳酸技術的高新技術企業，致力于乳酸技術和聚乳酸產業化技術的完善和提高，開發具有自主產權的聚乳酸制造技術，獨創了直接縮聚法制備聚乳酸的聚合工藝。此項創新縮短了工藝流程，大大降低了生產成本，已建成百噸級中試線，申請發明專利16項，其中美國專利1項，并同步開發出與之配套的改性加工技術。在完成上海市“科教興市”重大科技產業攻關項目“生物可降解材料——聚乳酸的產業化開發”百噸中期任務的基礎上，同杰良公司在馬鞍山經濟技術開發區建設年產1萬t聚乳酸產業化生產線，并列入“十一五”國家發改委生物質工程高技術產業化專項。該項目完全自主創新并擁有自主知識產權，生產線于2012年7月正式投產，為大規模發展聚乳酸產業打下了基礎。

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，污染環境，生產成本較高，而熔紡具有一定的經濟優勢［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，其物理性質介于PET和PA之間，纖維耐紫外光性能好，燃燒后產生熱量少，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境危害大的一次性醫療衛生用品方面，如衛生巾、護墊、紙尿褲、成人失禁用品、醫用紗布、繃帶、敷料、醫用床單等一次性醫院耗材。③安全性好。聚乳酸纖維植入體內無毒副作用，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 聚乳酸纖維的研發和產業化現狀

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

日本鐘紡纖維公司將聚乳酸纖維與棉、羊毛混紡生產具有絲感外觀的T恤、夾克衫、長襪及禮服，還將聚乳酸纖維的用途擴大到產業領域:在土木工程中做網、墊子、沙袋等，在種植業中做養護薄膜等，在農業、林業中做播種織物、薄膜防蟲防獸害蓋布、芳草袋等，在漁業中做漁網、漁線等，在家用器具中做垃圾網、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、衛生和醫用等領域有著潛在的應用前景。日本Toray公司已研發成功了利用聚乳酸纖維生產的Ecodear汽車內裝部件。

國內也有部分企業對聚乳酸纖維及其制品進行了開發和生產:上海華源股份有限公司開發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，上海市合成纖維研究所也于2005年底開始試制聚乳酸短纖，但尚未見到產業化生產的報道。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，開發了連續聚合熔體直紡聚乳酸長絲新技術，預計將形成年產2 000 t標準生產線。上海同杰良公司對聚乳酸纖維及其制品進行了大規模的研發和產業化試生產，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合承擔了上海市科委計劃“聚乳酸纖維工業化生產技術研究及應用開發”項目，成功開發出聚乳酸長絲、聚乳酸/Tencel、聚乳酸/黏膠混合紗，并制成了高檔內衣、T恤衫等，產品質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，相繼成功開發出了全降解聚乳酸衛生巾(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衣用面料，已經進行到產業化階段，現正在進行市場推廣。

2 聚乳酸纖維及其制品產業化發展亟待解決的問題

2.1 耐熱聚乳酸纖維的開發

由于聚乳酸纖維的構成單體為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乳酸的開發與產業化問題，開發立體異構復合物的制備技術。

2.2 聚乳酸紡織品及其后整理技術的開發

(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技術的研究。探索針織物組織與多色集層結構，設計開發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)，用于生產高檔內衣、T恤衫等。

2.3 聚乳酸非織造布技術的開發

(1)聚乳酸紡黏非織造布。目前國內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聚乳酸紡黏非織造布，由于沒有專用生產設備，只是在原有滌綸紡黏線上生產，存在著產品強力低、撕強差和手感硬等問題，因而需要研發聚乳酸紡黏非織造布專用生產線。

(2)聚乳酸熔噴非織造布。目前國內外還沒有企業規模化生產聚乳酸熔噴非織造布，只有科研院所相關的研究性報道，距離產業化生產還有一定的距離。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境危害較大的一次性醫療和衛生用品的主要組成部分，因而熔噴非織造布的研發成功必將成為推動聚乳酸材料發展和應用的新經濟增長點。

(3)聚乳酸彈力非織造布。聚乳酸彈力非織造布是一次性醫療衛生用品中的必需品，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，對其全降解產品的開發只能望洋興嘆。因此，必須研發聚乳酸彈性樹脂及其非織造布的產業化技術，真正形成高附加值聚乳酸纖維產品的開發循環鏈。

2.4 聚合及加工裝備的研發

為配合上述聚乳酸纖維及其后續制品的研發，需要相應的生產設備進行配套。

(1)千噸級聚乳酸成套聚合設備的設計與開發。形成百噸級向萬噸級及以上產能配套設備擴展的放樣中轉站，同時利用該套中試線還可以小批量、多品種生產一些特殊產品，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。可在現有滌綸紡絲設備上完成，通過紡絲組件改造，調整孔徑和長徑比、側吹風和牽伸裝置，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 產業化發展建議

目前，聚乳酸產業化發展道路正處于關鍵時期，如何規避風險，使其順利進入產業化階段并進行良性市場運作，需要政府出臺相應政策，扶持聚乳酸生物質產業的發展。為此，筆者提出如下建議:

(1)給予聚乳酸切片及纖維生產企業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，產品推廣舉步維艱，同時美國NatureWorks聚乳酸切片由于以轉基因玉米為原料，至上海到岸價格為2 250美元，低于國內生產成本價，對于我國尚處于幼稚期的聚乳酸纖維產業構成了極大的競爭壓力。建議從扶持和保護整個聚乳酸行業的目標出發，盡快實施稅收減免或財政補貼等政策支持。

(2)建立聚乳酸產業鏈的企業創新聯盟。由政府引導建立聚乳酸原料、纖維制造、制品生產企業的產業聯盟，通過產業鏈的合作，利益合理分配，整合資源，降低發展成本，發揮企業各自的獨立優勢，以產學研聯合的方式進行聚乳酸纖維相關項目的創新性開發，最終形成具有完全自主品牌的聚乳酸產品。

(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制品的產品標準、檢測方法、應用規范等相關標準的建立，使其在生產、銷售和檢測時有據可循，提高產品競爭力，利于聚乳酸行業的整體健康發展。

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

4 結語

聚乳酸材料產業的發展正在世界范圍內掀起一場新的環保革命，聚乳酸產業鏈的形成及延伸完全符合“十二五”科技發展規劃及國家可持續發展戰略。推動聚乳酸產業化的快速發展，不僅能迅速在國際市場上搶占先機、實現價值，還必將推進聚乳酸在醫療衛生、紡織服裝、農業及電子等領域的推廣和應用，對我國加快建設低碳節約型、生態友好型社會及其可持續發展，具有非常重要的現實意義和重大社會效應，同時也將產生較好的經濟效益。因此聚乳酸產業的市場前景一片光明。

［1］ 曹燕琳，尹靜波，顏世峰.生物可降解聚乳酸的改性及其應用研究進展［J］.高分子通報，2006(10):90-97.

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［3］ 錢明球.聚乳酸及其纖維的發展概況和應用前景［J］.合成技術及應用，2006，21(4):45-48.

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［6］ 李義有，牛宇倩.聚乳酸纖維的性能特點與產品開發前景［C］//中國國際毛紡織會議暨IWTO羊毛論壇論文集:上冊，西安:2006.

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