专利分析视角下的聚乳酸产业竞争情报研究——以菏泽市为例

于连生

专利分析视角下的聚乳酸产业竞争情报研究——以菏泽市为例

于连生

（菏泽市科学技术情报研究所，山东 菏泽 274000）

采用文献分析、产业动态情报跟踪等手段分析了聚乳酸合成改性技术、应用领域及产业现状前景，以IPtech全球专利数据库为基础，利用专利集聚方法研究分析了聚乳酸产业相关技术申请趋势、技术生命周期、区域分布、主要申请人和IPC分类等，并结合菏泽市聚乳酸产业现状提出了发展建议。

聚乳酸；专利分析；竞争情报；产业发展

聚乳酸（PLA），又称聚丙交酯，分子式为（C3H4O2）n，是以微生物的发酵物——乳酸为单体聚合成的一类脂肪族聚酯，主要以来源充分且可再生的玉米、木薯等为原料。聚乳酸（PLA）的生产过程无污染，且可生物降解，实现在自然界中的循环，因此成为近年来开发研究最活跃、发展最快的生物可降解材料。作为一种新型的生物可降解材料，聚乳酸在微生物的作用下可彻底降解为CO2和H2O，因此聚乳酸（PLA）是一种优良的生物相容性和生物可降解性的合成高分子材料。同时，聚乳酸无毒、无刺激性，兼具高强度、良好的机械性能，高抗冲击度，高柔性和热稳定性，对氧和水蒸气有良好的穿透性，具有良好的透明性和抗菌性、防霉性。

1 聚乳酸合成技术

合成聚乳酸（PLA）的单体乳酸具有左旋（L）和右旋（D）2种旋光异构体，因而乳酸的环状二聚体具有4种异构体：L-丙交酯、D-丙交酯、消旋（D，L）-丙交酯和非旋光性（meso）-丙交酯，对应合成的聚乳酸有PLLA、PDLA、PDLLA和meso-PLA 4种。合成聚乳酸（PLA）的方法主要有直接缩聚和开环聚合法。

1.1 直接缩聚法

直接缩聚法包括溶液缩聚法和熔融缩聚法，图1为聚乳酸直接缩聚反应式。MASANOBU等人通过溶液缩聚法制备了分子量为300 000的PLA，在整个反应过程中生成的丙交酯和有机溶剂经循环后继续参与反应，避免了聚乳酸的降解现象。日本三菱化学公司采用溶液缩合的方法实现了聚乳酸的工业化生产；KIMNRA等人采用二水合氯化锡和对甲苯磺酸二元催化体系经熔融缩聚制备了分子量达500 000的PLA。

图1 聚乳酸直接缩聚反应式

该法优点在于单体转化率较高、工艺简单，不需要经过中间体的纯化，因而成本较低，主要问题是产物的分子量及其分布难以控制，不易得到高分子量的聚合物。目前国内仅有同杰良公司采用同济大学研发的一步法生产聚乳酸。

1.2 开环聚合法

开环聚合常被用于高分子量、高立体规整度聚乳酸（PLA）的合成，1932年CAROTHERS首次提出通过环状二聚体丙交酯开环聚合聚乳酸（PLA）的方法，制备的聚乳酸（PLA）分子量高达70万～100万。图2为聚乳酸开环聚合化学反应式。

图2 聚乳酸开环聚合

开环聚合法可以得到分子量和微观结构均可调的聚乳酸，但要经过丙交酯纯化的步骤，生产流程长，成本较高。目前聚乳酸的生产主要采用丙交酯开环聚合工艺。

2 聚乳酸耐热改性技术

工业化生产的聚乳酸（PLA）产品，其热变形温度较低，约为58 ℃，限制了其应用领域。为满足一些耐高温产品（如食品容器、家电、电子、汽车部件等）的使用要求，可通过以下几个方面对聚乳酸进行改性，以提高其耐热性。

2.1 填充改性

通过添加结晶成核剂来提高聚乳酸的结晶度可使其耐热性提高。可通过添加成核剂（如滑石粉、蒙脱土、二氧化硅、金属磷酸盐等）来提高聚乳酸的结晶度，从而达到提高其耐热性的目的。此外，还可将无机/有机填料与成核剂一起使用，利用无机填料热导率较低的特性，降低聚乳酸的冷却速度，提高聚乳酸的结晶度，从而提高其耐热性。

纤维增强属物理改性，纤维的刚性使其在聚合物基体中起到骨架支撑作用，聚合物在受热情况下，链段运动受到限制，从而起到提高材料耐热性的作用。目前，可用于对聚乳酸进行增强改性的纤维有天然植物纤维、天然动物纤维、矿物纤维、化学纤维。在这些纤维中，碳纤和玻纤因其具有高强度和高模量而被广泛应用；天然植物纤维因其来源广、可降解，且添加后制得复合材料的热性能和力学性能均有不同程度提高而被广泛关注和研究。此外，可同时添加具有协同作用的两种或多种材料，以提高聚乳酸的热性能。

2.2 共混改性

共混改性分为两种，即PLA与高Tg化合物及与高耐热高分子材料共混。其原理是将具有极性和刚性基团的聚合物引入PLA基体中，以提高共混物中聚合物链之间的相互作用，从而提高材料的耐热性。共混改性因操作简便成为改性的主要方法。由于一些高Tg化合物和高耐热高分子材料不能降解，目前研究重点倾向于与可降解高分子材料共混。

2.3 立构络合改性

将PLLA和PDLA等比例混合，可得到一种熔点为230 ℃的立构复合物，该立构复合物可大幅提高PLA的使用温度，是目前重点研究方向之一。

2.4 交联改性

交联改性的原理是将聚乳酸分子进行一定程度的交联，由原来的线型或轻度支链型大分子形成三维网状结构，一定程度地束缚分子链的运动，使聚乳酸在高温或加热到Tg时，其非结晶部分也不能自由运动。改性后的聚乳酸材料不仅耐热性得到改善，强度、韧性也有所提高。

3 聚乳酸应用领域

除了良好的生物可降解性之外，聚乳酸还具有很多的优良性能。相比于传统生物可降解塑料，聚乳酸拥有可媲美一般石化合成塑料的强度、透明度以及对气候的抵抗能力，因而可广泛用于制造各种应用产品，聚乳酸的应用领域主要有以下几个方面。

3.1 生活用塑料

生活用塑料包括塑料袋、一次性餐具、饮料包装、生活用塑料制品等。该领域的应用范围广、规模大、技术难度相对较低，但是其也有缺点：①附加值较低；②较难回收再利用，而且需要堆肥设施，甚至需要在现有的堆肥设施上进一步改进，因为在大规模应用时，降解产生的乳酸可能会对堆肥产生影响。

3.2 农林环保用塑料

农林环保用塑料包括农用地棚膜、农林用塑料育苗钵/育苗托盘材料、林用薄膜（用于保水、防冻等）、防沙固沙用树脂等。相比生活用塑料，该领域的应用规模相对较小，但多可集中应用，而且可以在土壤中降解，解决了传统塑料应用的难题。

3.3 复合材料

复合材料包括复合树脂材料、复合纤维材料等，可应用于电器、汽车、建材等多个领域。在应用上，又可细分为两类：①应用于耐用消费品的复合材料，该类产品附加值相对较高，但在技术上需要有较高的性能，因此往往需要基于聚乳酸立构复合物进行开发；②应用于特定领域，如医用领域的一次性使用医疗注（输）器械材料、医用一次性氧合器材料、医疗一次性血液透析器材料、医用一次性导管及微创介入导管材料、一次性滤膜材料、一次性防护镜等，可以充分地利用聚乳酸本身的特性来实现相对较高的附加值。

3.4 组织工程材料

组织工程材料包括医用骨固定夹板材料、骨钉材料、人体组织支架材料、人造眼角膜材料、人体组织培养基材料、人体组织修复材料等，是聚乳酸开发应用的传统领域，该领域附加值极高。

3.5 3D打印材料

3D打印技术使用的材料分聚合物和粉末材料两种，其中聚合物材料多使用液体材料（目前最为常用的是ABS），在这方面聚乳酸的特性可以得到充分的利用（熔点相对较低，可处于熔融状态，而且在未来规模化应用时可开发不同D-乳酸/L-乳酸配比的树脂，以达到不同的熔点要求）。尽管目前3D打印尚未全面普及推广（目前一台3D打印机的平均售价为数十万元人民币，受打印速度、打印材料成本等因素制约，3D打印目前主要应用于模具制造），但这一领域的发展前景不容忽视。

4 全球聚乳酸产业现状

4.1 主要生产企业

表1展示了全球聚乳酸主要生产企业。美国Nature Works公司长期占据聚乳酸行业半数以上市场；道达尔和科碧恩成立合资公司Total Corbion，于2017年在泰国投建万吨级聚乳酸工厂，2018-12正式投产；浙江海正于2015年扩建1万吨聚乳酸，在当时产能位列全球第二。

随着中国聚乳酸合成技术打破国外垄断并日趋成熟，中国聚乳酸产业已经进入发展的快车道，企业开始以万吨级甚至十万吨级、百万吨级规模规划和建设聚乳酸项目。于2015年立项启动的浙江海正5万吨聚乳酸项目预计将在2019年四季度释放产能，届时海正将形成聚乳酸产能6.5万吨/年。九江科院生物化工有限公司2017年中首期千吨级工程建成投产，二期万吨级高性能聚乳酸及改性生物降解材料生产线在建设中。2018-08，吉林中粮生物万吨级聚乳酸装置试车成功，已开始筹划建设年产10万吨聚乳酸项目。2018年，金丹生物新材料采用南京大学首创的有机胍催化定向聚合生产丙交酯和聚乳酸的工艺技术，已于河南建成“1万吨/年L-丙交酯联产1 000吨/年聚L-乳酸”连续化生产装置，预计2020年扩建规模至10万～15万吨。无锡南大绿色环境友好材料技术研究院有限公司采用南京大学“生物质有机胍催化法全绿色工艺合成聚乳酸”原创技术，正在建设 “5 000吨/年聚L-乳酸”连续化生产装置，计划实现稳定生产后立即开展10万吨/年聚L-乳酸连续化生产装置的设计与建设。2018年上半年，恒天长江建成国际上第一条万吨聚乳酸连续聚合熔融直纺纤维及制品生产线。采用自主研发的“聚乳酸熔体直纺”技术，不经切片，能耗成本降低30%，整体可节省成本2 100元/吨。2018-06，丰原集团年产10万吨聚乳酸项目于安徽固镇县奠基，目前固镇丰原生物产业基地玉米—乳酸—丙交酯—聚乳酸的全产业链加工线正在建设中。2019-03，通辽经济技术开发区与丰原集团签约“百万吨级生物新材料聚乳酸”项目，该项目总投资120亿元，计划分三期建设，一期项目投资50亿元，年产30万吨聚乳酸，2019年开工建设，2021年建成投产。

表1 全球聚乳酸主要生产企业

企业项目地点产能/（千吨/年）主要应用 Nature Works美国150挤出和热成型、注塑、吹塑、发泡、薄膜、片材、纤维、3D打印等 Total Corbion泰国75注塑、薄膜、片材、纤维、热成型等 Teijin日本1纤维 Synbra荷兰5发泡 海正生物浙江15注塑、薄膜等 同杰良上海+安徽11注塑、薄膜、片材、纤维等 吉林中粮吉林10注塑、片材、纤维等 允友成江苏10注塑等 恒天长江江苏10纤维 光华伟业湖北103D打印等 河南龙都天仁河南6薄膜、片材等 江苏九鼎江苏5薄膜、纤维等 九江科院生物江西1纤维、3D打印等

4.2 聚乳酸（PLA）产业前景

聚乳酸（PLA）工业是一个朝阳产业，市场增长点正在到来。然而，由于技术障碍和下游需求不饱和的风险，导致目前制造业集中度非常高，Nature Works占2018年全球总量的73%。就地区而言，美国是聚乳酸最大的生产基地；第二大生产基地是中国，2018年的生产市场份额为14%。而在地区消费方面，美国依旧保持了领先地位，同时，美国也是全球最大的出口国。通过出口和代理的形式，Nature Works的产品已经销往全球各地。2018年全球对聚乳酸（PLA）的需求从2014年的16万吨增加至17.7万吨，市场价值为6.59亿美元。在全球禁塑令的影响下，下游需求增长是必然的趋势。预计到2025年，整个市场规模将达到9.43亿美元。

“中国制造2025”将聚乳酸等生物降解材料列入高分子材料重点发展对象，科技部《“十三五”材料领域创新专项规划》明确提出耐高温聚乳酸等新型生物基材料的技术提升与产业升级是发展重点之一。中国聚乳酸的市场正在保持稳步增长，且有加速增长的趋势，而聚乳酸出口退税率在2018年内两度上调，从5%提高至10%，有利于聚乳酸企业开拓国际市场。

降解塑料的前景毋庸置疑，但目前国家对其的政策多集中在技术研究层面，在降解塑料市场相关激励机制明确之前，对于中国聚乳酸行业，应不断降低生产成本，提高产品竞争力；加强产业链上下游合作，原材料制造商应密切关注下游制品需求，不断改进材料性能，以市场为导向，扩大聚乳酸应用。

5 聚乳酸专利分析

5.1 世界专利分析

数据库：IPtech。

分类标准：IPC分类。

检索时间：2019-09-30。

检索式：TA：（polylactide）OR TA：（PLA）OR TA：（聚乳酸）AND PD：[1960-01-01 TO 2019-09-30]。

检索数据量：16 722件专利。

5.1.1 申请量趋势

通过IPtech数据库对全球专利进行了检索。图3为聚乳酸领域全球专利数量（基于专利公告年）变化的趋势。可以看出，聚乳酸相关专利的申请在20世纪60年代就已出现，但随后发展较为缓慢。从2005年开始，聚乳酸这种新型环保材料激发了全世界的研发热潮，专利申请数量开始持续大幅增长且热度至今不减。

图3 全球聚乳酸相关专利申请量（基于公告年）趋势

5.1.2 技术生命周期分析

基于聚乳酸相关专利的历年申请数量，结合文献调研可以看出：①1981年之前为聚乳酸相关专利技术的萌芽阶段，年申请量均不超过20件。尽管聚乳酸相关研究已有较长的时间，但全球环保意识较为淡薄，聚乳酸可降解的优点尚未被应用，大多数公司和研究机构未开展聚乳酸领域的研发工作。②1981—2005年为平稳增长阶段。③2005年之后聚乳酸相关专利技术开始进入快速成长阶段。全球范围环保意识逐渐增强，各个国家纷纷制定环保法律，聚乳酸生物可降解性这一优点凸显，在各个领域应用逐步扩大。全球科学界和产业界纷纷加强了聚乳酸相关技术研究，专利成果申请数量持续快速增长。

5.1.3 区域分布

图4和图5为聚乳酸相关专利申请国家分布情况。通过对聚乳酸专利公开区域分布的分析，可以看出中国处于专利公开量的首位，以10 130件专利大幅领先于随后其他国家/地区，占据了73%的份额；美国、日本随其后分居二、三位，但数量上与中国相比有较大差距。可以看出中国对聚乳酸相关技术研究聚集了大量资源，产出了大量专利成果，可看出中国对以聚乳酸为代表的环保材料产业高度重视。这与中国乃至全世界各个国家地区环保意识的增强和环保法律法规的完善息息相关。

图4 全球聚乳酸相关专利申请国专利数量

图5 全球聚乳酸相关专利申请国家占有率

5.1.4 主要申请人

表2列出了全球聚乳酸相关专利主要申请人。全球聚乳酸相关专利前十大申请人全部来自中国，既有高校院所等研究机构，也有化工医药领域企业，充分说明了聚乳酸相关技术从高校院所的基础性研究走向了以企业为代表的产业化生产研究。

表2 全球聚乳酸相关专利主要申请人

公司名称专利件数活动年期发明人数平均专利年龄 中国科学院长春应用化学研究所169161805 济南帅华医药科技有限公司14962511 东华大学134153485 济南康泉医药科技有限公司11362112 黑龙江鑫达企业集团有限公司1128532 山东理工大学1087293 四川大学96152314 同济大学89151056 江南大学87102223 山东蓝金生物工程有限公司8073112

5.1.5 IPC分类分析

图6显示了全球聚乳酸专利研究最多的5个领域，可以看到排名第一的是C08L 67/04领域，其后依次为A61K 47/34、C08K 3/34、C08G 63/08和C08K 3/22领域，表3为相关IPC领域分类。全球聚乳酸相关专利技术集中在聚乳酸的合成制备、医学配制品及聚乳酸改性研究等方面。

图6 全球聚乳酸相关专利IPC分类

表3 IPC分类说明

IPC分类号说明 C08L 67/04高分子化合物的组合物，由羟基酸得到的聚酯，如内酯（C08L67/06优先） A61K 47/34以所用的非有效成分为特征的医用配制品，由涉及碳-碳不饱和键以外的反应获得的高分子化合物 C08K 3/34有机高分子化合物；其制备或化学加工；以其为基料的组合物，使用无机配料，含硅化合物 C08G 63/08有机高分子化合物；其制备或化学加工；以其为基料的组合物，用碳-碳不饱和键以外的反应得到的高分子化合物，由在高分子主链上形成羧酸酯键的反应制得的高分子化合物 C08K 3/22有机高分子化合物；其制备或化学加工；以其为基料的组合物，使用无机物或非高分子有机物作为配料，使用无机配料

5.2 中国专利分析

数据库：IPtech。

分类标准：IPC分类。

检索时间：2019-09-30。

检索式：TA：（聚乳酸）OR TA：（PLA）AND PD：[1960-01-01 TO 2019-09-30]。

检索数据量：11 022件专利。

5.2.1 申请量趋势

从图7聚乳酸中国专利申请量（基于公告年）趋势可以看出，聚乳酸相关技术研究开始于20世纪80年代末，与全球专利申请量趋势基本一致。从年申请量上比较，从2005年以来，聚乳酸相关专利的申请主要集中在中国，体现了国内对聚乳酸技术领域研发的重视和投入，也释放了中国将成为全球聚乳酸产业基地和最重要市场的信号。

图7 中国聚乳酸相关专利申请量（基于公告年）趋势

5.2.2 主要申请人

通过表4可以发现，聚乳酸中国专利前十主要申请人与全球专利主要申请人高度一致，表明前十主要申请人专利申请所在国均在中国，并未在世界其他国家开展专利申请 工作。

表4 聚乳酸相关技术中国专利主要申请人

公司名称专利件数活动年期发明人数平均专利年龄 中国科学院长春应用化学研究所169161805 济南帅华医药科技有限公司14962511 东华大学134153485 济南康泉医药科技有限公司11362112 黑龙江鑫达企业集团有限公司1128532 山东理工大学1087293 四川大学96152314 同济大学89151056 江南大学87102223 山东蓝金生物工程有限公司8073112

6 菏泽市聚乳酸产业情况

目前菏泽市聚乳酸产业规模较小，目前仅有山东好朋友生物科技有限公司一家。

6.1 企业情况

好朋友生物科技公司成立于2017-06，坐落于山东省郓城经济开发区，主要以PP、PS、HIPS、ABS、ESP、OPS、PET及一次性可降解生物材料（PLA、BSR等）为原料，开展塑料及绿色可降解材质餐具的研发、生产及销售。公司目前拥有20余名技术研发人员以及先进的制杯、吸塑、注塑等系列设备。

公司与台湾MINIMA（铭安）科技股份有限公司达成战略合作，重点开展可降解材质产品的研究开发，主要包括聚乳酸（PLA）和可降解淀粉树脂（BSR）等。台湾铭安科技有限公司是亚洲地区最早拥有生物可降解（可堆肥）产品的认证制造厂之一，技术领先，其可替代一般塑料的产品销售至欧美等国家。

公司将继续致力于可降解材质产品的研发和应用，加大资金投入，引进更多研发型人才和技术人才，提高自身的技术创新能力，实现关键材料的自给和生产技术的改进升级，为促进绿色消费、保护环境、推动当地经济的发展贡献自己的力量。

6.2 发展面临的问题

发展面临的问题主要有：①关键原材料受制于人。目前所采用聚乳酸原材料仅来源于台湾公司，原材料价格和供给及时性等受制于供应商，处于产业价值链弱势位置。②专业技术人才匮乏，自身创新能力不足。公司自有专业技术人员少，特别是高分子材料专业人才、材料成型加工人才、高层次管理人才等缺少，不能满足科技创新需要。③关键生产技术依赖委托研发，自主研发偏少。由于企业成立时间较短、创新人才缺乏等因素，公司以委托研发为主，自主研发较少。委托研发在企业成立初期具有一定优势，节省了时间和技术人才投入，但对于新材料产业来讲，企业发展后期应以自主研发为主，形成和拥有具有自我知识产权的关键核心技术。

6.3 发展建议

发展建议如下：①建立健全科技创新制度，组建科技创新团队。企业要加大自有人才的培养和合理使用，组建公司科技研发团队，建立健全企业科技创新管理、激励等制度，激发科技人员的创新热情，鼓励科技人员发表科技论文、申报科技成果、参加职称评定等。②加强科技合作，与高校院所建立产学研合作。通过与中科院长春应用化学研究所、东华大学、山东理工大学等国内聚乳酸领域知名高校院所建立产学研合作关系，联合开展现有专利技术成果转化、关键产业化技术攻关、企业科技人员培训等工作，加快企业产业创新发展，提升科技人员研发能力，壮大科技研发团队。③加大资金投入补全产业链条，建设聚乳酸等关键原材料生产线，开展自主研发生产，掌握关键核心技术，增强自主生产供应能力，打破产业发展受制于人的桎梏。

［1］王跃，江洪波，陈大明，等.聚乳酸技术与市场现状及发展趋势分析［J］.生物产业技术，2017（6）：17-22.

［2］陈杰，胡荣荣，刘环宇，等.聚乳酸耐热改性研究进展［J］.塑料科技，2018，46（5）：115-119.

［3］丁海兵，顾爱军，许贤文.我国聚乳酸产业化现状与发展［J］.合成纤维工业，2015，38（6）：58-61.

［4］杜德焰，钟培金，杨艳，等.纤维/聚乳酸复合材料的研究进展［J］.广州化学，2019，44（4）：69-75.

F426.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.004

2095－6835（2020）08－0008－05

于连生（1985—），男，硕士研究生，助理研究员，主要研究方向为科学技术情报研究。

〔编辑：王霞〕