聚乳酸生物质纤维的研发、产业化及发展建议

(嘉兴学院材料与纺织工程学院，嘉兴，314001)

聚乳酸(PLA)是一种具有优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、玉米和小麦等一些植物中提取的淀粉为最初原料，经过酶分解得到葡萄糖，再经过乳酸菌发酵后变成乳酸，多个乳酸分子一起经脱水缩合形成聚乳酸［2］。作为一种低能耗产品，聚乳酸比以石油产品为原料生产的合成类聚合物低30%～50%的能耗［3］(图1为聚乳酸生产温室效应气体排放和单位能耗与传统聚合物的比较)，其生产过程无污染，且产品可以堆肥降解，实现在自然界中的往复循环，因此是一种理想的绿色高分子材料。

1 聚乳酸切片及纤维的研发和产业化现状

1.1 聚乳酸切片

图1 聚合物生产温室效应气体排放及单位能耗

由于聚乳酸利用可再生资源、可堆肥降解、低碳经济，生产成本又可能与现有石油基的塑料制品相当，已成为全球瞩目的石油基塑料的替代品。在国外，主要是美国、日本及德国的多家公司对聚乳酸的制造和后加工进行了研究和开发。美国最大的农业公司Cargill和化学公司Dow Chemicals各出资50%于1997年成立了美国Cargill Dow聚乳酸公司，2001年11月在美国建成一套13.6万t/a装置，这是迄今为止世界上最大的聚乳酸生产装置。2002年聚乳酸装置开工率为70%，2003年为80%。该装置投产后，产品受到一些国际知名大公司的重视，如可口可乐、邓禄普太平洋等公司已将聚乳酸应用于生产杯子、高尔夫球包装及食品包装等。为了扩大市场份额，Cargill Dow(后更名为NatureWorks)聚乳酸公司宣布与三井化学品公司合作进行聚乳酸的应用开发。

NatureWorks公司生产的聚乳酸树脂有纤维级、注塑级和薄膜级3种，其中纤维级树脂主要是6000系列，有10多个品种，分别用于短纤、长丝和非织造布等。图2为NatureWorks聚乳酸产品的主要应用领域和市场。

图2 NatureWorks聚乳酸产品主要应用领域和市场

近几年，我国不断加快聚乳酸及其制品的研发和产业化步伐，并取得了较大进步，与发达国家相比差距正在缩小。

浙江海正生物材料股份有限公司利用长春应用化学研究所的技术完成了丙交脂开环聚合30 t/a小试生产线和5 000 t/a中试生产线，目前主要应用于注塑级领域。

上海同杰良生物材料有限公司是目前国内唯一一家既有乳酸技术又有聚乳酸技术的高新技术企业，致力于乳酸技术和聚乳酸产业化技术的完善和提高，开发具有自主产权的聚乳酸制造技术，独创了直接缩聚法制备聚乳酸的聚合工艺。此项创新缩短了工艺流程，大大降低了生产成本，已建成百吨级中试线，申请发明专利16项，其中美国专利1项，并同步开发出与之配套的改性加工技术。在完成上海市“科教兴市”重大科技产业攻关项目“生物可降解材料——聚乳酸的产业化开发”百吨中期任务的基础上，同杰良公司在马鞍山经济技术开发区建设年产1万t聚乳酸产业化生产线，并列入“十一五”国家发改委生物质工程高技术产业化专项。该项目完全自主创新并拥有自主知识产权，生产线于2012年7月正式投产，为大规模发展聚乳酸产业打下了基础。

1.2 聚乳酸纤维

1.2.1 聚乳酸纤维特性

聚乳酸及其聚合物纺丝可采用干纺和熔纺两种方式，其中干纺在低温下进行，热降解少，虽然机械性能好，但需要溶剂回收装置，污染环境，生产成本较高，而熔纺具有一定的经济优势［4］。聚乳酸纤维特性见表1，其中还列出了其他纤维的特性作为对比［5-7］。

由表1可以看出:聚乳酸纤维的强度、伸长等性能与PET和PA相近，其物理性质介于PET和PA之间，纤维耐紫外光性能好，燃烧后产生热量少，不易燃。此外，聚乳酸纤维还具有其独特性能:①可生物降解。PET、PA和PP三大合成纤维及其制品不能生物降解，而聚乳酸纤维具有良好的堆肥降解性，其废弃物在土中1～2 a强度逐渐降低，最后分解成CO2和H2O。②天然抑菌性。聚乳酸纤维的pH值为5～6，纤维表面呈弱酸性，具有良好的抑菌和除异味功能，因而特别适合应用于对环境危害大的一次性医疗卫生用品方面，如卫生巾、护垫、纸尿裤、成人失禁用品、医用纱布、绷带、敷料、医用床单等一次性医院耗材。③安全性好。聚乳酸纤维植入体内无毒副作用，因此可用作可吸收的手术缝合线和组织工程材料。

表1 几种纤维的特性

1.2.2 聚乳酸纤维的研发和产业化现状

目前，纤维及其制品已经成为聚乳酸最主要的应用领域，吸引了众多研究机构和企业投入巨资进行开发。

日本钟纺纤维公司将聚乳酸纤维与棉、羊毛混纺生产具有丝感外观的T恤、夹克衫、长袜及礼服，还将聚乳酸纤维的用途扩大到产业领域:在土木工程中做网、垫子、沙袋等，在种植业中做养护薄膜等，在农业、林业中做播种织物、薄膜防虫防兽害盖布、芳草袋等，在渔业中做渔网、渔线等，在家用器具中做垃圾网、手巾、滤器等。美国NatureWorks公司推出了聚乳酸纤维Ingeo，制成短纤维、双组分纤维、纺黏非织造布和熔喷非织造布等，在服装、家用和装饰、非织造布市场以及双组分纤维、卫生和医用等领域有着潜在的应用前景。日本Toray公司已研发成功了利用聚乳酸纤维生产的Ecodear汽车内装部件。

国内也有部分企业对聚乳酸纤维及其制品进行了开发和生产:上海华源股份有限公司开发了聚乳酸纤维加弹丝和拉伸丝及其布样，中国石化仪征化纤股份有限公司开展了聚乳酸的聚合、纺丝技术研发，上海市合成纤维研究所也于2005年底开始试制聚乳酸短纤，但尚未见到产业化生产的报道。常熟长江化纤有限公司与中国科学院长春应用化学研究所合作，完成了国家“863计划”一步法聚乳酸纺丝工艺与技术项目，开发了连续聚合熔体直纺聚乳酸长丝新技术，预计将形成年产2 000 t标准生产线。上海同杰良公司对聚乳酸纤维及其制品进行了大规模的研发和产业化试生产，2006—2008年上海同杰良公司、上海市纺织科学研究院、同济大学以及上海德福伦化纤有限公司联合承担了上海市科委计划“聚乳酸纤维工业化生产技术研究及应用开发”项目，成功开发出聚乳酸长丝、聚乳酸/Tencel、聚乳酸/黏胶混合纱，并制成了高档内衣、T恤衫等，产品质量完全达到预期指标。从2010年至今，上海同杰良公司与嘉兴学院合作，相继成功开发出了全降解聚乳酸卫生巾(含护垫)、聚乳酸非织造布(包括纺黏、水刺、针刺、保暖絮片)、聚乳酸袜子和聚乳酸高档内衣用面料，已经进行到产业化阶段，现正在进行市场推广。

2 聚乳酸纤维及其制品产业化发展亟待解决的问题

2.1 耐热聚乳酸纤维的开发

由于聚乳酸纤维的构成单体为L-乳酸，耐热性较差，其玻璃化温度仅为57℃，熔点为175℃，给后续的纺织、染整加工和服装熨烫带来困难。因此聚乳酸纤维耐热性的提高成为关键，需要解决D乳酸的开发与产业化问题，开发立体异构复合物的制备技术。

2.2 聚乳酸纺织品及其后整理技术的开发

(1)聚乳酸或多组分混纺纱线或交织面料的染色技术及方法的研究。寻找适合其染色加工技术及配套助剂，解决分散染料对聚乳酸纤维染色的上染率及交织物的耐水洗色牢度、日晒牢度等技术难题。

(2)对现有分散染料进行合理的筛选，寻求低温下能对聚乳酸纤维有较好染色性能和适宜染色牢度的分散染料;同时开发新型染色助剂，以提高聚乳酸纤维的染色性能，改善色光和牢度，并探索聚乳酸纤维染色工艺条件，在获得理想染色效果的同时尽量降低对织物的损伤。

(3)聚乳酸针织面料集成开发技术的研究。探索针织物组织与多色集层结构，设计开发出科学合理的聚乳酸或多组分针织面料(聚乳酸长丝，或多组分:聚乳酸/Tencel、聚乳酸/棉/真丝等组合)，用于生产高档内衣、T恤衫等。

2.3 聚乳酸非织造布技术的开发

(1)聚乳酸纺黏非织造布。目前国内只有温州昌隆纺织科技有限公司和大连瑞光非织造布集团有限公司批量化生产聚乳酸纺黏非织造布，由于没有专用生产设备，只是在原有涤纶纺黏线上生产，存在着产品强力低、撕强差和手感硬等问题，因而需要研发聚乳酸纺黏非织造布专用生产线。

(2)聚乳酸熔喷非织造布。目前国内外还没有企业规模化生产聚乳酸熔喷非织造布，只有科研院所相关的研究性报道，距离产业化生产还有一定的距离。聚乳酸熔喷非织造布是SMS(纺黏+熔喷+纺黏非织造布)以及过滤用品的必需材料，而这些材料又是对环境危害较大的一次性医疗和卫生用品的主要组成部分，因而熔喷非织造布的研发成功必将成为推动聚乳酸材料发展和应用的新经济增长点。

(3)聚乳酸弹力非织造布。聚乳酸弹力非织造布是一次性医疗卫生用品中的必需品，婴儿尿不湿和成人失禁用品中缺少了可降解的弹性非织造布，对其全降解产品的开发只能望洋兴叹。因此，必须研发聚乳酸弹性树脂及其非织造布的产业化技术，真正形成高附加值聚乳酸纤维产品的开发循环链。

2.4 聚合及加工装备的研发

为配合上述聚乳酸纤维及其后续制品的研发，需要相应的生产设备进行配套。

(1)千吨级聚乳酸成套聚合设备的设计与开发。形成百吨级向万吨级及以上产能配套设备扩展的放样中转站，同时利用该套中试线还可以小批量、多品种生产一些特殊产品，如熔喷非织造布以及弹性纤维专用料等。

(2)专用聚乳酸纺丝设备的开发。可在现有涤纶纺丝设备上完成，通过纺丝组件改造，调整孔径和长径比、侧吹风和牵伸装置，解决聚乳酸聚合物热敏性和熔体高黏度之间的矛盾，纺丝速率与初生纤维拉伸形变大的问题，以便稳定地纺制出强力高、延伸性好的聚乳酸纤维，同时为纺制差别化聚乳酸纤维打下基础。

3 产业化发展建议

目前，聚乳酸产业化发展道路正处于关键时期，如何规避风险，使其顺利进入产业化阶段并进行良性市场运作，需要政府出台相应政策，扶持聚乳酸生物质产业的发展。为此，笔者提出如下建议:

(1)给予聚乳酸切片及纤维生产企业税收减免或价格补贴的支持。我国聚乳酸纤维面临普通聚酯和黏胶纤维低成本市场价格的竞争，产品推广举步维艰，同时美国NatureWorks聚乳酸切片由于以转基因玉米为原料，至上海到岸价格为2 250美元，低于国内生产成本价，对于我国尚处于幼稚期的聚乳酸纤维产业构成了极大的竞争压力。建议从扶持和保护整个聚乳酸行业的目标出发，尽快实施税收减免或财政补贴等政策支持。

(2)建立聚乳酸产业链的企业创新联盟。由政府引导建立聚乳酸原料、纤维制造、制品生产企业的产业联盟，通过产业链的合作，利益合理分配，整合资源，降低发展成本，发挥企业各自的独立优势，以产学研联合的方式进行聚乳酸纤维相关项目的创新性开发，最终形成具有完全自主品牌的聚乳酸产品。

(3)建立聚乳酸系列标准体系。引导加快聚乳酸纤维及其后续制品的产品标准、检测方法、应用规范等相关标准的建立，使其在生产、销售和检测时有据可循，提高产品竞争力，利于聚乳酸行业的整体健康发展。

(4)建立生物质纤维技术创新专项资金，对聚乳酸切片、纤维和制品的产业化给予重点支持。目前聚乳酸及其纤维生产企业经营状况不容乐观，仍处于较大亏损状态。建议对企业前期投资给予适当后期补助，给予总额20% ～30%的资助，使企业尽快进入良性运转。

4 结语

聚乳酸材料产业的发展正在世界范围内掀起一场新的环保革命，聚乳酸产业链的形成及延伸完全符合“十二五”科技发展规划及国家可持续发展战略。推动聚乳酸产业化的快速发展，不仅能迅速在国际市场上抢占先机、实现价值，还必将推进聚乳酸在医疗卫生、纺织服装、农业及电子等领域的推广和应用，对我国加快建设低碳节约型、生态友好型社会及其可持续发展，具有非常重要的现实意义和重大社会效应，同时也将产生较好的经济效益。因此聚乳酸产业的市场前景一片光明。

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［3］ 钱明球.聚乳酸及其纤维的发展概况和应用前景［J］.合成技术及应用，2006，21(4):45-48.

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［6］ 李义有，牛宇倩.聚乳酸纤维的性能特点与产品开发前景［C］//中国国际毛纺织会议暨IWTO羊毛论坛论文集:上册，西安:2006.

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