薛月圓

（呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 呂梁 033000）

聚乳酸行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

薛月圓

（呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 呂梁 033000）

聚乳酸作為一種新型材料，具有優(yōu)良的物理性能、良好的生物相容性及生物降解性，因而被廣泛地應(yīng)用于日用、醫(yī)用等領(lǐng)域。對聚乳酸的生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)用進行了論述，對聚乳酸行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳細的描述；就目前而言，受原料及聚合技術(shù)的影響，聚乳酸真正替代石油基的塑料制品還需要很長的路要走。

聚乳酸；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1 概述

1.1 歷史背景

塑料曾經(jīng)一度被稱為20世紀最偉大的發(fā)明之一，塑料的誕生無疑給人們的生活帶來了巨大的便利和深遠的影響，人類在享受它帶來的便利的同時，也遭受著它帶來的巨大的環(huán)境問題。據(jù)報道，人類生活每天所產(chǎn)生的垃圾大部分都通過不同的渠道流向海洋。除了人們所知的七個大陸，在太平洋最人跡罕至的地方，又有一個“新大陸”正在生成——這個“新大陸”完全是由塑料垃圾堆起來的，人們把它稱為“第八大陸”。這個巨大的垃圾島，面積是英國的六倍，這些塑料垃圾自身降解需要兩百年的時間；且制造這些塑料垃圾的原料基本都源于不可再生能源——石油，人類在排放大量塑料垃圾的同時也造成了巨大的能源浪費[1]。

面對塑料帶來的環(huán)境問題，尋找一種非石油基、易降解的塑料替代品是人類共同的愿望。聚乳酸（PLA）合成技術(shù)便在這樣的背景下應(yīng)運而生。作為一種新型材料，聚乳酸具有許多優(yōu)良的物理機械性能、良好的生物相容性及生物降解性，已成為一種重要的降解材料之一[1-5]。

環(huán)境友好、節(jié)約不可再生能源、循環(huán)經(jīng)濟是聚乳酸制品的最大特點，因而也成為近年來開發(fā)研究最活躍、發(fā)展最快的生物可降解材料；也是目前唯一一種可與石油基塑料相競爭的植物基塑料。

聚乳酸的聚合是以乳酸為單體，而目前國內(nèi)外乳酸的生產(chǎn)方法主要為生物發(fā)酵法，所用的原料多為玉米、馬鈴薯等富含淀粉的農(nóng)作物。聚乳酸制品廢棄后，掩埋在土壤中6～12個月便可發(fā)生降解[6]，降解后生成二氧化碳和水，二氧化碳通過農(nóng)作物的光合作用吸收之后循環(huán)利用，便形成了循環(huán)經(jīng)濟。

1.2 聚乳酸的用途

1.2.1 日用品

聚乳酸有良好的可生物降解性，能被酸、堿、生物酶、微生物等降解，這些特性使得它在生活用品領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用?？煽诳蓸饭驹邴}湖城冬奧會上用了50萬只一次性杯子，全部是用聚乳酸塑料制成的，這些杯子只需40天就可在露天環(huán)境下消失得無影無蹤。2004年，美國College Farm牌糖果開始采用以生物降解聚乳酸樹脂生產(chǎn)的包裝薄膜，這種薄膜外觀和性能與傳統(tǒng)糖果包裝膜（玻璃紙或雙向拉伸聚丙烯膜）相同，具有結(jié)晶透明性、極好的扭結(jié)保持性、可印刷性和強度，并且阻隔性較高，能更好地保留糖果的香味。特拉華州Monte新鮮產(chǎn)品公司于2004年底開始在其Wild Oats市場采用聚乳酸包裝材料；俄亥俄州的Avery Dennison公司也采用聚乳酸薄膜作為自粘性標(biāo)簽底膜；從2004年12月開始，美國Biota礦泉水公司采用聚乳酸材料制飲料瓶。2005年比利時零售商Delhaize開始使用聚乳酸新鮮生菜包裝箱，并進一步用于糧食、水果和蔬菜包裝。2005年11月全球零售業(yè)巨頭沃爾瑪將所有產(chǎn)品包裝改換成聚乳酸（PLA）塑料制品。此外，一些像麥當(dāng)勞這樣的跨國公司也已開始使用聚乳酸制成的一次性餐具和其他用品。目前在國內(nèi)，受產(chǎn)品成本影響，聚乳酸制品還沒有大規(guī)模的使用。

1.2.2 纖維

聚乳酸纖維具有很多優(yōu)異的性能，如比PET親水性好、懸垂性、舒適性和手感好、回彈性好、較好的卷曲性和卷曲持久性、收縮率可以控制；強度高、抗紫外穩(wěn)定性好、比PET密度小、可以用分散性染料染色、成型加工性好、熱粘結(jié)溫度可以控制、結(jié)晶熔融溫度可以在120～170℃范圍內(nèi)變化、可燃性低、發(fā)煙量小。這些特性刺激了聚乳酸纖維在纖維和非織造布領(lǐng)域的應(yīng)用，并且聚乳酸纖維可以制成圓截面的單絲或復(fù)絲、三葉形截面的BCF（可用于織造地毯和毛氈）、卷曲或非卷曲的短纖維、雙組份纖維、紡粘非織造布和熔噴非織造布等，這使聚乳酸纖維在服裝市場、家用及裝飾市場、非織造布市場、雙組份纖維領(lǐng)域有重要的用途[7-11]。

1.2.3 醫(yī)療器械

除了環(huán)境友好外，聚乳酸纖維還有一個重要的優(yōu)點就是生物相容性好，在這方面它有一些傳統(tǒng)醫(yī)療器械無可比擬的優(yōu)點。例如以前治療骨折等骨科疾病使用的是不銹鋼骨釘，病人必須經(jīng)過兩次手術(shù)才能治愈；而使用聚乳酸骨釘只需一次手術(shù)植入骨釘，病愈的同時，骨釘也降解在人體內(nèi)，可以在很大程度上緩解患者的痛苦。此外聚乳酸纖維已在一些專門領(lǐng)域獲得較為成功的應(yīng)用，如生產(chǎn)一次性輸液用具、免拆型手術(shù)縫合線、骨科用固定件及手術(shù)器件、醫(yī)用支架、生物導(dǎo)管等，這在很大程度上減輕了醫(yī)用垃圾對環(huán)境的壓力[9]。

1.3 聚乳酸的生產(chǎn)工藝

目前掌握聚乳酸大批量生產(chǎn)技術(shù)的國家為數(shù)不多，所以工藝技術(shù)保密性非常高，已知其工藝路線大致可分為兩類：（1）聚乳酸直接聚合法。先將富含淀粉的農(nóng)作物轉(zhuǎn)化成葡萄糖溶液；然后將葡萄糖溶液經(jīng)過特殊的發(fā)酵過程（以生物酶為催化劑）轉(zhuǎn)化成乳酸；最后經(jīng)過提純和濃縮的乳酸采用直接聚合（見圖1）。（2）丙交酯開環(huán)聚合法。乳酸脫水環(huán)化制成環(huán)狀二乳酸（丙交酯）；環(huán)狀二乳酸再開環(huán)聚合的方法得到聚乳酸（見圖2）[12-14]。

圖1 聚乳酸直接聚合法

圖2 丙交酯開環(huán)聚合法

2 聚乳酸的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

2.1 聚乳酸產(chǎn)業(yè)在國外的發(fā)展歷史

早在20世紀30年代末，美國、日本的科學(xué)家就開始進行聚乳酸的合成研究，但由于原料成本高，一直未得到推廣。進入20世紀80年代，受石油短缺和環(huán)保壓力的驅(qū)使世界對生物可降解材料的研究和發(fā)展再次活躍。在玉米的深加工技術(shù)中努力研制聚乳酸的先驅(qū)是日本的鐘紡合纖公司和美國的卡吉爾·道（Cagill Daw）聚合物公司。早在20世紀60～70年代，日本鐘紡合纖公司在生物可降解塑料篩選中發(fā)現(xiàn)了聚乳酸的生物可降解性。在此期間Cargill Daw公司開發(fā)了能從玉米產(chǎn)生聚乳酸纖維的工藝。最后由日本鐘紡合纖公司聯(lián)合島津制作所于1994年共同開發(fā)出了商品名為Lactron的PLA纖維，又稱作玉米纖維。

1997年，Dow聚合物公司看好聚乳酸纖維的后期發(fā)展，與Cargill Daw公司以各占50%的股份建造了年產(chǎn)量達14萬噸的生產(chǎn)線，并于2002年投產(chǎn)，商品名為“Nature Works”。2005年，Nature Works公司從Dow和Cargill Daw公司中獨立出來，更名為英吉爾（Ingeo），至此英吉爾公司成為世界上最大的聚乳酸生產(chǎn)廠家。目前全世界有100多家使用英吉爾生產(chǎn)的原料和消費品，其中包括了食品包裝、餐具、服裝、家居用品、個人護理產(chǎn)品以及消費類電子產(chǎn)品。此外，德國Uhde Inventa - Fischer公司、意大利Snamp rogetti公司、荷蘭Hycail公司、德國巴斯夫公司等也開發(fā)了聚乳酸生產(chǎn)技術(shù)。

毫無疑問，日本是最精明的。日本并沒有豐富的玉米資源，不可能像美國、中國等玉米資源大國一樣不斷地生產(chǎn)聚乳酸，但日本人善于設(shè)計和創(chuàng)造。自從美國卡吉爾陶氏（Cargill-Dow）公司發(fā)明聚乳酸后，日本就開始了他們的玉米塑料產(chǎn)品加工的研制和創(chuàng)新，據(jù)世界聚乳酸發(fā)展勢態(tài)專利系列分析報告稱，在1985-2005年的20年間申請專利數(shù)目最多的前十位專利擁有權(quán)人都是日本人，他們在聚乳酸方面申請的專利占到了在此期間總專利數(shù)的50%，日本人在聚乳酸的改性和產(chǎn)品的開發(fā)力上可見一斑。

2.2 聚乳酸產(chǎn)業(yè)在中國的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

在中國，聚乳酸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要相對滯后，中科院長春應(yīng)化所自2000年開始把研究重點聚焦到聚乳酸的研究這一重大方向上，與浙江海正集團開展了聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過7年多的不懈努力，課題組深入開展了從乳酸到丙交酯單體的制備及其聚合得到聚乳酸的最佳反應(yīng)條件和工藝探索，將丙交酯的收率從90%提高到97%；設(shè)計并合成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的用于低聚乳酸裂解制備丙交酯單體、本體聚合的催化劑。他們以L-乳酸為起始原料通過若干步驟化學(xué)合成和聚合方法，優(yōu)化工藝條件，進行生產(chǎn)設(shè)備改造，最終得到可工業(yè)應(yīng)用的聚L-乳酸樹脂（PLA）及PLA一次性應(yīng)用制品。PLA的基本物理性能達到了國外同類產(chǎn)品的指標(biāo)，為萬噸級產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供了合理的技術(shù)參數(shù)。該項目于2008年投產(chǎn)，5 000噸/年聚乳酸生產(chǎn)線已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品60%出口歐洲和日本等國。

除海正外，南通九鼎生物工程有限公司和江西武藏野生物化工有限公司都分別有3 000噸的年生產(chǎn)能力。南通九鼎生物工程有限公司預(yù)計于今年將產(chǎn)量擴大到20 000噸/年。

同時不可忽視的是位于汕頭市的羅賓生化科技有限公司和成祥高聚物科技有限公司，他們雖不生產(chǎn)原料但提供改性聚乳酸原料和成品的能力驚人，達到了25 000噸，這兩個公司的技術(shù)支持分別是美國Nature Works公司和Shinoka公司。

此外深圳市光華偉業(yè)實業(yè)有限公司、上海同杰良生物材料有限公司也是專門生產(chǎn)并提供聚乳酸原料和產(chǎn)品的廠家，其中上海同杰良生物材料有限公司稱該公司擁有乳酸最新技術(shù)和聚乳酸技術(shù)，但目前尚未實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

寧波環(huán)球生物材料有限公司是一家外商投資企業(yè)，他們由美國CDP公司提供技術(shù)支持，專門從事聚乳酸的改性和產(chǎn)品的研發(fā)，目前該公司在流延薄膜加工上尋求加工工廠，且每月僅提供流延膜加工的原料達200噸，由此可知該公司每年能提供的原料量至少不會低于2 400噸。

最后值得注意的是安徽蚌埠的豐原集團，該公司的L-乳酸產(chǎn)量亞洲最大，據(jù)悉國內(nèi)幾家生產(chǎn)聚乳酸的廠家原料都是來自該公司。但該公司僅提供L-乳酸及其鹽類系列產(chǎn)品，聚乳酸技術(shù)正在研制當(dāng)中。毫無疑問，安徽豐原如果加入聚乳酸生產(chǎn)企業(yè)的行列，僅在原料成本上就足以對其它企業(yè)構(gòu)成威脅。

3 市場前景

3.1 市場前景

據(jù)國際模具及五金塑膠產(chǎn)業(yè)供應(yīng)商協(xié)會秘書長羅百輝介紹，全球塑料消費量2010年超過2.5億噸，中國2010年合成樹脂表觀消費量為6 500萬噸；加上循環(huán)利用的和填充物及各種助劑，塑料的實際消費量在8 000萬噸左右。且全球的每年塑料的消費量持續(xù)以每年超過3%的速率增長，如果將其中的百分之一用聚乳酸代替就有250萬噸的市場容量，而目前粗略統(tǒng)計的全球聚乳酸產(chǎn)量遠小于250萬噸，所以聚乳酸的發(fā)展前景非常好。

3.2 現(xiàn)階段我國聚乳酸產(chǎn)業(yè)存在的問題

3.2.1 成本問題

目前生產(chǎn)1噸聚乳酸大約消耗1.6噸的乳酸，按目前的乳酸市場價格計算，加上其它成本，生產(chǎn)1噸聚乳酸的成本要遠高于石油基的塑料產(chǎn)品，所以聚乳酸制品要大規(guī)模的替代石油基的塑料產(chǎn)品，首先在很大程度上依賴于生物發(fā)酵和乳酸的提純技術(shù)，只有乳酸的成本真正下降到一個合理的區(qū)間，聚乳酸制品才會有競爭力。

3.2.2 技術(shù)問題

目前國內(nèi)真正掌握聚乳酸生產(chǎn)技術(shù)并實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)并不多，這和國內(nèi)的研發(fā)模式有很大關(guān)系。目前國內(nèi)的研發(fā)主要集中在高校，很難和企業(yè)直接對接，真正走海正——長春應(yīng)化所這條路線的還不多，這樣很難在技術(shù)上形成百花齊放的局面。掌握了技術(shù)的企業(yè)因為在研發(fā)上投入較大，所以在技術(shù)上保密工作也做得非常到位，這就形成少數(shù)廠家掌握技術(shù)而導(dǎo)致聚乳酸制品價位高的局面。

4 結(jié)束語

就目前國內(nèi)關(guān)于聚乳酸的報道，可謂“雷聲大雨點小”，各個公司對外宣稱實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)且產(chǎn)能較大，但真正達產(chǎn)的企業(yè)鳳毛麟角，且在生產(chǎn)過程中遇到的問題也非常多。

除上述成本和技術(shù)因素外，聚乳酸制品的推廣很大程度上依賴于國家政策的導(dǎo)向[15]，如果國家對相關(guān)企業(yè)予以扶持，在產(chǎn)品的推廣方面加大宣傳力度，同時限制石油基塑料產(chǎn)品的使用，將會適當(dāng)提高聚乳酸制品的競爭力。但就目前而言，聚乳酸替代石油基的塑料制品，還需要很長一段時間。

[1]Lunt J. Large-scale production, properties and commercial applications of polylactic acid polymers[J]. Polymer Degradation and Stability, 1998, 59: 145-152.

[2]Suming Li, Mathieu Tenon, Henri Garreau, et al. Enzymatic degradation of etereocopolymers derived from L, DL and meso lactide[J]. Polymer Degradation and Stability, 2000, 67: 85-90.

[3]Malcolm H. Chisholm, Suri S. Iyer, et, al. Microstructure of poly(lactide). Phase-sensitive HETCOR spectra of poly(meso-lactide), and poly(rac-lactide), and atactic[J]. Macromolecules, 1999, 32: 963-973.

[4]Chau-Hui Wang, Ging-Ho Hsiue. New Amphiphilic Poly (2-ethyl-2-oxazoline)/Poly(l-lactide) Triblock[J]. Copolymers Biomacromolecules, 2003, 4: 1487-1490.

[5]Cui Yanjun, Tang Xiaozhen, Huang Xiaobin. Synthesis ofcaprolactone and L-lactide from a cyclotriphosphazenecore[J]. Biomacromolecules, 2003, 4: 1491-1494.

[6]雷燕湘.聚乳酸技術(shù)與市場現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].當(dāng)代石油石化,2007,15(1):39-43.

[7]俞建勇,趙恒迎,程隆棣.新型綠色環(huán)保纖維一聚乳酸纖.維性能及其應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報,2003,3:63-64.

[8]金立國,倪如青.聚乳酸及其纖維研究開發(fā)現(xiàn)狀[J].合成纖維,2003,2:25-27.

[9]顧書英,袁華.可生物降解纖維——聚乳酸(PLA)纖維第II報. 性能特征及其應(yīng)用前景[J].合成纖維,2003,4: 14-16.

[10]楊革生,沈新元,楊慶,聚乳酸及其共聚物纖維的制備及應(yīng)用[J].合成技術(shù)及應(yīng)用,1999,2:23-26.

[11]任杰,董博,聚乳酸纖維制備的研究進展[J].材料導(dǎo)報, 2006,2:82-85.

[12]沈生奇,聚乳酸在可生物降解材料中應(yīng)用前景廣闊[J].天津化工,2002,3:38-39.

[13]邢玉清,吳貴國,邢軍,化學(xué)合成全降解塑料——聚乳酸[J].工程塑料應(yīng)用,2002,12:57-58.

[14]Kulkarni R K, Moore E G, Hegyeli A F, et al. Biodegradable poly (lactic acid) polymers[J]. Biomed Mater Res, 1971, 5(3): 169-181.

[15]王俊,生物降解材料國內(nèi)外發(fā)展綜述[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2008(8):42-48.

（責(zé)任編輯、校對：琚行松）

Current Situation and Future Development Trends of the Polylactide

XUE Yue-yuan
(Department of Chemistry, Lvliang College, Lvliang 033000, China)

As a new material, polylactic acid has excellent physical properties, good biocompatibility and biodegradability. For this reason, it is widely used in daily use, medical and other fields. The production technology and applications of polylactic acid, carried out a detailed expression of the development of the industry status quo of the polylactic acid have been described in detail. As so far, for the impact of raw materials and polymertechnology the polylactide real alternative to petroleum based plastics will take a very long way to go.

polylactic acid; development status; development trends

F416.72

A

1009-9115(2012)05-0026-04 V

2012-05-04

薛月圓（1978-），女，山西呂梁人，碩士，講師，研究方向為有機化學(xué)。