精品資料（2021-2022年收藏）綠色塑料聚乳酸初步可行性報告

1、綠色塑料聚乳酸材料項目初步可行性報告一、聚乳酸材料項目背景聚乳酸（PLA）是一種以可再生的植物資源為原料經(jīng)過化學(xué)合成制備的生物降解高分子。它是一種熱塑性脂肪族聚酯，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點分別是60和175左右，在室溫下是一種玻璃態(tài)的硬質(zhì)高分子，其熱性能與聚苯乙烯相似。它具有完全生物降解性和植物來源兩個特性，機械性能良好，柔性和熱穩(wěn)定性高，不變色，對O 2和H2O有良好的透過性，又有良好的透明性和抗菌、防霉性，使用壽命可達(dá)2-3年，是一種真正的生物塑料，30天內(nèi)在微生物的作用下可徹底降解生成C2O和H2O。缺點是脆性高，結(jié)晶慢可分別通過和己內(nèi)酰胺等共聚和添加結(jié)晶促進劑（滑石粉）后退貨處理加以改性，

2、結(jié)晶度可達(dá)40%及熱變溫度提高到116-121。目前塑料制品被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，它在給人們生產(chǎn)、生活帶來極大方便的同時，“白色污染”也對生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的威脅。而且，其原料主要來源于石油類不可再生資源，這勢必將引起嚴(yán)重的能源和人類生存危機。聚乳酸比石油產(chǎn)品為原料生產(chǎn)的聚合物低30%-50%能耗，它作為一種可生物降解的低能耗高分子聚合物具有優(yōu)良的生物相容性和生物降解性，對解決長期以來困擾國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的“白色污染”問題有積極的作用，聚乳酸塑料同時還具有韌性好的特點，可以直接采用通用塑料的設(shè)備進行擠出、注射、拉伸、紡絲、吹塑等加工成型，在包裝材料、纖維加工、農(nóng)業(yè)、汽車及電子領(lǐng)域等都有廣泛的

3、應(yīng)用前景，本文主要研究其可用來生產(chǎn)農(nóng)用地膜、農(nóng)副產(chǎn)品保險袋、快餐盒及其它食品、飲料等外包裝產(chǎn)品的可行性。聚乳酸有良好的機械性能及物理性能，適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，而且它能防潮、耐油脂并具有良好的密閉性。聚乳酸在常溫下性能穩(wěn)定，但在溫度高于55或富氧及微生物的作用下會自動分解，最終生成CO2和H20，不污染環(huán)境。因此，聚乳酸作為可完全生物降解性塑料，越來越受到人們重視可將聚乳酸制成農(nóng)用薄膜、紙代用品、紙張塑膜、包裝薄膜、食品容器、生活垃圾袋、農(nóng)藥化肥緩釋材料、化妝品的添加成分等。二、聚乳酸材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Pelouze首先發(fā)現(xiàn)了乳酸線性二聚體-乳酰乳酸的形成。最早具有實用價值的PLA纖

4、維是1970年左右美國Ethicon公司于PLA及其共聚物制備的能夠被人體吸收的手術(shù)縫合線，后來都是以開發(fā)醫(yī)用材料為目的進行生產(chǎn)的。直到1986年P(guān)LA才被認(rèn)為可以作為一種潛在的日用塑料，Battle公司和杜邦公司各自開始了把PLA作為日用塑料應(yīng)用的生產(chǎn)和加工技術(shù)的研究。1997年，Cargill公司和Dow化學(xué)公司各自出資50%成立了Cargill-Dow聚合物公司使PLA產(chǎn)品和技術(shù)完全商品化，商品名為Nautureworks，當(dāng)時年生產(chǎn)能力僅為1.6萬噸。2005年Cargill收購Dow化學(xué)公司啟用新的公司名為Natureworks LLC,是目前世界上最大的PLA生產(chǎn)公司，擁有11-1

5、2種不同等級的PLA，適用于吹膜、熱塑、注射成型、瓶子及纖維等不同用途。日本三井化學(xué)公司于2001年開始與Cargill公司合作開展PLA業(yè)務(wù)，日本豐田汽車公司于2002年4月轉(zhuǎn)接島津制作的PLA生產(chǎn)業(yè)務(wù)，商品名為Ecoplastic，年產(chǎn)量1000噸。直到2010年，Natureworks公司先后與日本的三菱樹脂公司Unitika公司、Kurary公司以及東麗公司簽約直接向其提供PLA樹脂和纖維。Natureworks公司是以玉米淀粉為原料生產(chǎn)PLA的，而豐田汽車公司曾經(jīng)提出要建立以馬鈴薯淀粉為原料的PLA生產(chǎn)裝置。目前，松下電池工業(yè)公司開始與三菱樹脂公司合作，把一種干性電池的包裝材料全部換

6、為聚乳酸； 日本東麗公司成功研發(fā)了聚乳酸和以纖維素為主要成份的植物纖維混煉的、提高了耐熱性、剛性及成形性的植物纖維強化聚乳酸塑料。該生物降解塑料具有世界最高的耐熱性(150)，剛性是以往的聚乳酸塑料的2倍，大大縮短了成形時間。Natureworks公司的PL纖維2004年開始進入我國市場，非纖維用途的PLA樹脂2005年2月進入我國市場。我國目前已建的聚乳酸生產(chǎn)線規(guī)模普遍較小，通常為幾十噸或幾百噸。2006年中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)所的聚乳酸生產(chǎn)技術(shù)已取得了突破性進展，該研究所與企業(yè)合作已經(jīng)擁有30噸/年的PLA生產(chǎn)能力；成都迪康中科生物醫(yī)學(xué)材料有限責(zé)任公司已經(jīng)建成了年產(chǎn)“聚-DL-乳酸500公

7、斤”的中試生產(chǎn)線，完成了按GMP標(biāo)準(zhǔn)3000平方米生物醫(yī)學(xué)制成品車間的建設(shè)工作，實現(xiàn)了聚乳酸可吸收骨內(nèi)固定螺釘?shù)纳唐坊?，該公司?002年完成銷售收入1000余萬元，年產(chǎn)聚乳酸2000公斤以及可吸收醫(yī)用防粘連膜100萬張等，成為我國生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)化示范基地；  江蘇九鼎集團自2000年開始涉足聚乳酸產(chǎn)品的研究開發(fā)工作，致力于開發(fā)低成本的通用型聚乳酸，2004年獲得成功，同時開始和德國合作，目前該公司已能生產(chǎn)出薄膜級、纖維級等多個分子量級別的通用型聚乳酸，產(chǎn)品可用于加工從工業(yè)到民用的各種塑料制品如農(nóng)用地膜、聚乳酸纖維、高檔的可降解餐具、食品包裝，超市方便袋、衛(wèi)生用品、室外防

8、紫外線織物、帳篷布、可降解旗幟布等等，目前該公司正建1000噸/年生產(chǎn)線，擬建10,000噸/年薄膜、包裝用聚乳酸生產(chǎn)線等等，由此可以看出PLA在我國具有良好的市場潛力和開發(fā)前景。三、聚乳酸材料項目研究內(nèi)容1.項目可行性評價如前所述，從1935年杜邦公司成功地合成出尼龍66至現(xiàn)在，短短70多年的時間，高分子材料已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟各個部門和人民生活的各個方面。然而與此同時石油資源大量消耗，塑料垃圾與日俱增，造成了不可忽視的能源危機和環(huán)境污染。處理各種塑料不僅僅是一個簡單的環(huán)境問題，在許多國家已經(jīng)發(fā)展成為社會和政治問題。為此，各國政府制定相應(yīng)的政策，加大投入，研究開發(fā)廢塑料處理的各種技術(shù)，其中發(fā)展

9、可生物降解高分子技術(shù)是主要途徑，從可持續(xù)發(fā)展的意義上分析，“源于自然，歸于自然”完全符合其要求。化學(xué)合成生物降解高分子中PLA是唯一以生物資源為原料的，它具有的優(yōu)良特性這里不再贅述。2.技術(shù)可行性評價聚乳酸的合成路線主要有三條：一是以含糖類的生物質(zhì)材料為原料，提取淀粉，糖化、發(fā)酵得到乳酸，再聚合成PLA；二是以家庭產(chǎn)生的垃圾為原料，從垃圾中含有的糖類發(fā)酵得到乳酸再聚合成PLA，此法有日本北九州產(chǎn)業(yè)學(xué)術(shù)推進機構(gòu)和國立環(huán)境研究所發(fā)現(xiàn)；三是以農(nóng)作物、樹木的根莖葉等廢棄生物質(zhì)酸再聚合成PLA，日本功能木質(zhì)新材料技術(shù)研究所進行該研究。 PLA與乳酸結(jié)構(gòu)如下： 目前聚乳酸的合成主要有兩種方法：由丙交酯開環(huán)

10、聚合法由于此法可通過改變催化劑的種類和濃度使所得聚乳酸的相對分子質(zhì)量高達(dá)0.7×1061×106，機械強度高，適用于作醫(yī)用材料、塑料制品等包裝領(lǐng)域，這一技術(shù)較為成熟，通過形成丙交酯在進行開環(huán)聚合的方法是目前Natureworks公司和豐田汽車公司為得到商業(yè)用途的高分子量聚乳酸采用的方法，我國的海正與中科院共同研制的聚乳酸生產(chǎn)技術(shù)也與此相似，主要過程是原料經(jīng)微生物發(fā)酵制得乳酸后，再經(jīng)過精制、脫水低聚、高溫裂解，最后聚合成聚乳酸，也是本文所要采用及研究可行性工業(yè)化的方法。由乳酸直接縮聚法該法具有反應(yīng)成本低、聚合工藝簡單、不使用有毒催化劑等優(yōu)點。但是由于直接縮聚存在之二乳酸、水、

11、聚酯及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚合物。聚乳酸來源于植物資源，可完全生物降解，但是結(jié)晶速度很慢，成型制品的收縮率大以及加工熱穩(wěn)定性差等缺點限制了其作為工程塑料的應(yīng)用，這就需要對聚乳酸進行增強改性。本文主要研究天然植物纖維增強聚乳酸的制備，天然植物纖維增強高分子能提高材料的強度和硬度。從節(jié)約資源和保護環(huán)境的角度考慮，大多數(shù)天然植物纖維添加以后，材料的拉伸強度和熱變形溫度等都得到不同程度的提高，其中對PLA增強效果最顯著的是洋麻纖維。洋麻是自然界吸收C O2水平最高的一種植物，其生長速度非常快，光合作用的速度是普通植物的39倍，具有卓越的固碳作用，1t洋麻能夠吸收1.5tCO2，因此普遍認(rèn)為

12、它具有極高的防止地球溫室效應(yīng)的功能。現(xiàn)在，從澳大利亞開始，世界各地都在種植洋麻，它除了用作造紙和飼料原料外，其他用途都還沒有很好的開發(fā)，價格便宜，在經(jīng)過試驗提高聚乳酸剛性和耐熱性等的前提下，同時有利于降低聚乳酸塑料成本。 3.環(huán)境及經(jīng)濟可行性評價“綠色包裝材料“是在1987年聯(lián)合國與發(fā)展委員會的我們共同的未來的報告中首次提出的概念，1992年通過了里約環(huán)境與發(fā)展宣言在世界范圍內(nèi)開始掀起了一個以保護生態(tài)環(huán)境為核心的綠色浪潮。對于我國加入WTO后，發(fā)展“綠色包裝工程”是迎接世界經(jīng)濟全球化，沖破國際綠色貿(mào)易壁壘和促進可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施的必然選擇。我國是一個出口大國，同時也是一個包裝廢棄物產(chǎn)生大國，所

13、以我國包裝行業(yè)從保護環(huán)境、節(jié)約能源、節(jié)約資源的角度出發(fā)，走可持續(xù)發(fā)展的道路已經(jīng)成為必然的選擇。2004年12月我國修訂了中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法，許多地方性法規(guī)如杭州，規(guī)定從2005年1月1日起禁止當(dāng)?shù)厥袌龊蜕痰晔褂貌豢山到馑芰洗?008北京奧運會，北京將借此機會重塑形象，其中三大主題是綠色奧運、科技奧運和人文奧運；2010上海世博會已經(jīng)開始長期規(guī)劃，政府將支持十五攻關(guān)L-乳酸和聚乳酸（特別是“一步法”聚乳酸）項目、“863”計劃農(nóng)膜等的開發(fā)項目；國家中長期發(fā)展規(guī)劃的初步確定在聚乳酸/生物降解塑料/生物質(zhì)能領(lǐng)域投資11億美元；同時國家發(fā)改委支持改性淀粉塑料企業(yè)，如天津丹海等。以上

14、是近年來我國對生物可降解材料相關(guān)法律法規(guī)，可以看出政府對此高度重視，以各種方式支持和推進生物降解塑料，并出臺了多項優(yōu)惠政策如無息貸款、免征稅收以及多項政府補貼等。四、聚乳酸材料項目技術(shù)方案和設(shè)備方案1.工藝流程及主要設(shè)備選型PLA的結(jié)構(gòu)就是乳酸單體的重復(fù)結(jié)構(gòu)，乳酸的獲取主要有兩種途徑，即化學(xué)合成和微生物發(fā)酵法。國外發(fā)酵法占70%，化學(xué)合成法占30%,我國目前則全部采用發(fā)酵法。微生物發(fā)酵法制備乳酸可以用各種精制的、未精制的甚至廢棄的糖類用作生產(chǎn)乳酸。目前已開發(fā)的連續(xù)細(xì)胞循環(huán)系統(tǒng)是一種有效提高乳酸產(chǎn)率的生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器配有一個超濾單元的連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器，可以利用葡萄糖生產(chǎn)出乳酸，濃度為35g

15、/L,生產(chǎn)效率為75g/L·h，采用這一方法，估算DL乳酸生產(chǎn)的成本是1.2美元/kg。下表列出了實驗原料。名稱分子式分子量密度 g/ml沸點（熔點）純度（含量）生產(chǎn)廠家形狀乳酸C3H6O3901.20601885%山東淄博乳酸廠淺黃色液體。無氣味，具有吸濕性金屬鋅粉Zn657.14419.5AR國藥集團化學(xué)試劑有限公司粉狀乳酸鋅C6H10ZnO6·3H2O29781.5%上海君創(chuàng)生物科技有限公司白色顆粒或結(jié)晶粉末、味甘甜、易溶于熱水乙酸乙酯C3H6O274AR上海聯(lián)試化工試劑有限公司無色透明液體，能刺激眼，皮膚二氯甲烷CH2Cl2851.32639.8AR上海試劑廠無色透

16、明易揮發(fā)液體。具有類似醚的刺激性氣味無水乙醚C4H10O740.7145-49AR上海光鏵科技有限公司無色易揮發(fā)的流動液體無水乙醇C2H6O460.789378.5無AR上海振興化工廠色透明，具有特殊香味的液體用間歇式攪拌反應(yīng)器和雙螺旋擠出機組合,進行連續(xù)的熔融聚合實驗,可獲得由乳酸通過連續(xù)熔融縮聚制得的分子量達(dá)150000的聚乳酸。利用雙螺桿擠出機將低摩爾質(zhì)量的乳酸預(yù)聚物在擠出機上進一步縮聚,制備出較高摩爾質(zhì)量的聚乳酸。在反應(yīng)溫度為150、催化劑用量為0.5%、螺桿轉(zhuǎn)速為75 r/min時可通過雙螺桿反應(yīng)擠出縮聚法快速有效地提高聚乳酸的摩爾質(zhì)量,而且反應(yīng)擠出產(chǎn)物分散系數(shù)減小,均勻性變好。通過

17、DSC曲線的比較發(fā)現(xiàn),通過反應(yīng)擠出縮聚法制得的聚乳酸的結(jié)晶度有所降低,這對改善聚乳酸材料在使用過程中表現(xiàn)出較大的脆性是有益的。下圖是PLA生產(chǎn)的主要工藝流程圖。NEC公司和UNITIKA公司已經(jīng)聯(lián)合將利用洋麻纖維改性PLA符合材料實現(xiàn)商品化，這種近乎100%由植物成分組成的復(fù)合材料于200年在NEC的手提電腦部件使用。該法制備的洋麻纖維含量為40%的洋麻纖維束增強PLA材料，其材料的各項力學(xué)性能均有顯著提高，最突出的是彎曲強度提高了323.2%，沖擊強度提高了774.4%，拉伸強度提高了622.5%，彎曲模提高了201.3%。2.實驗及設(shè)備的最佳工藝數(shù)據(jù)對于乳酸除水，適宜采用低壓蒸餾去水，溫度

18、不超過60，時間2h到3h，壓強保持負(fù)壓640mmHg左右。對于反應(yīng)中除水，應(yīng)采用通入N2排空。攪拌器攪拌逐步加熱，待酯化反應(yīng)至一定程度后，加入活化后的分子篩進一步去水抽真空處理，升溫減壓控制溫度逐步升高，控制溫度保持在170左右，壓強最后控制在100Pa左右，反應(yīng)時間大約10h。催化劑使用二元復(fù)合催化劑（SnOct2和TSA）,結(jié)果所合成PLA分子量相對其他催化劑提高了28%，當(dāng)SnOct2為乳酸單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%、TSA為0.3%時，產(chǎn)物的分子量達(dá)到最大值。五、聚乳酸材料項目所在市場發(fā)展前景預(yù)測有前可知，PLA最大的制造商是美國Nautureworks公司，其次是中國的海正，他們目前的

19、產(chǎn)量分別是7萬噸和5千噸。PLA有很多的應(yīng)用，可以在擠出、注塑、拉膜、紡絲等多領(lǐng)域應(yīng)用。以下列舉了2004年中國塑料價格。其中樹脂有PET2004年上漲了40%以上，達(dá)到約10,000元/t；PVC約10,000元/t；PE根據(jù)等級不同在10,000-13,000元/t之間；PP約11,500元/t（1450美元/t）；PS約12,000元/t(1500美元/t)；熱塑級PLA長期大宗定單約 14,000元/t(稅前11,000元/t出廠價)；紡粘級PLA長期大宗定單約 20,000元/t(稅前14,000元/t出廠價)。纖維有棉花纖維約1800美元/t (14000元/t)；粘膠纖維約200

20、0美元/t (16000元/t )；PLA 纖維約4500美元/t (35000元/t )。如果免稅在中國制造聚乳酸，熱塑級聚乳酸價格與傳統(tǒng)塑料相當(dāng)。而對于中國未來聚乳酸與降解塑料市場，一次性包裝約150萬噸/年，PP無紡布約30-60萬噸/年，PE 地膜約100萬噸/年，短保質(zhì)期PET瓶子約1萬噸/年，其它領(lǐng)域有一次性醫(yī)用材料（輸液管等）聚乳酸及降解塑料的未來市場大小取決于其價格和性能（如更好的氣體阻隔性）。2010年塑料使用總量已達(dá)8000萬噸（中國科技部中國生物技術(shù)發(fā)展報告），如利樂紙盒生產(chǎn)120億盒/年，0.38-0.28元/盒(來源：中國包裝協(xié)會）?，F(xiàn)階段聚乳酸瓶是短保質(zhì)期、無碳酸產(chǎn)

21、品可用于儲存鮮牛奶、鮮橙汁、礦泉水等，但由于其氣體透過性強，不能用于碳酸飲料（如可口可樂、百事可樂）。下圖是聚乳酸的價格趨曲線，可以看出聚乳酸的價格在過去的12個月里降低了60%。這將有利于降低PLA等生物降解樹脂和袋制品的成本，隨著石油價格上漲以及PLA大量推廣使用帶來的樹脂成本下降，PLA和石油基塑料PET的價格差將會逐漸縮小，最終有望完全取代PET等其他石油基塑料。六、聚乳酸材料項目投資估算我國政府于2005年3月批準(zhǔn)了生物質(zhì)能項目，啟動聚乳酸計劃預(yù)估2020年中國聚乳酸需求量達(dá)800-1000萬噸/年。我國首家工業(yè)化規(guī)模計劃須大于50,000 噸/年甚至100,000 噸/年的聚乳酸工

22、廠規(guī)模效應(yīng)，然而，一個70,000噸/年的聚乳酸廠需要90,000噸/年L-乳酸（大于全國目前乳酸產(chǎn)能），所以我國可能是未來聚乳酸的最大市場。在美國的布萊爾市內(nèi)布拉斯加有一年產(chǎn)14萬噸聚乳酸廠，其在1994年投資辦廠共3億美元建造了6000噸中試廠，破土動工到首次生產(chǎn)歷時19個月，在2002年1月正式投產(chǎn)生產(chǎn)，直到同年的12月，其生產(chǎn)能力已達(dá)18萬噸聚乳酸。由于聚乳酸良好的完全生物降解性能和環(huán)保，健康，以淀粉為原料可持續(xù)供應(yīng)的優(yōu)點，完全符合循環(huán)經(jīng)濟原則，同時不受油價影響，其市場已逐漸擴大的各個領(lǐng)域。例如食品包裝市場有熟食、面包、糕點包裝、蔬果農(nóng)產(chǎn)品包裝、瓶子（只適用冷藏、短保質(zhì)期產(chǎn)品）、一次性

23、餐盒和托盤；收縮薄膜包裝有家電及消費品市場、家電外殼和剛性包裝、信封透明窗口膜；纖維市場有服裝被褥、毯子和毛巾、無紡布等等。為最大程度的減少成本，在我國建設(shè)5萬噸/年的生產(chǎn)裝置至少需五到十億人民幣，并且要花費數(shù)年時間，其生產(chǎn)配合和工藝技術(shù)等方面比起國外已有經(jīng)驗的廠商來說還有許多不足，所以根據(jù)與市場部的綜合調(diào)查，目前世界上最大的PLA生產(chǎn)公司Natureworks LLC正在有意向在我國建廠并尋找合作伙伴，這樣就可以借用其成熟的工藝生產(chǎn)技術(shù)，同時利用我國廉價的勞動力成本和享受政府推出的無息貸款、免征稅收等一系列相關(guān)的優(yōu)惠政策，最大程度的降低成本，估算需投資36億人民幣初步建設(shè)10000噸/年的生產(chǎn)設(shè)備