生物降解塑料三大主流技术市场价值分析

2009-11-23

在建设创新型国家中,科技成果转化已成为人们十分关注的问题。据有关方面统计,我国每年有30 000余项重大科技成果和10余万项专利,但是其中最终转化为工业产品的成果不足10%,大量有价值的科技成果变成了无价值的知识沉淀,而欧美发达国家的转化率则高达55%。根据著名的熊比特创新理论,技术创新主要体现在市场价值上。我国科技成果转化率低的主要原因之一是技术成果的市场价值太低,不少科技成果只有学术价值而无市场价值,无法产业化,更无法形成工业化商品。当前,随着人们环保意识的提高、油价的飙升和限塑令的实行,生物降解塑料产业正面临新的形势。本文即对当前高新技术产业中的生物降解塑料三大主流技术的市场价值进行分析,以促进其更进一步的发展和壮大。

一、生物降解塑料的发展

    资源和环境问题是人类社会发展面临的两大挑战,也是塑料工业实现可持续发展的两大瓶颈。传统塑料工业的发展在满足社会需求,丰富人们生活的同时也伴随着大量的石油等不可再生资源的耗费以及大量不可降解垃圾的产生,导致日益严峻的能源危机和环境危机。2003年以来,随着油价持续上涨,人们对可再生能源的关注以及对环境安全的日益重视,引起了全球对生物降解塑料的高度关注,生物降解塑料作为治理塑料废弃物白色污染、保护环境和生态平衡、缓解石油资源矛盾、减少污染物排放的有效途径之一,受到了世界各国政府、科研机构及产业界的广泛关注,目前已成为世界各国竞相开发和生产的热点。

    生物降解塑料的发展自20世纪70年代起经历了填充型淀粉塑料、光/生物双降解淀粉塑料、淀粉共混塑料、以及到本世纪初成为主流的全生物降解塑料4个阶段。由于全生物降解分解材料在微生物或动植物体内酶的作用下,可最终分解为CO,和H2O而回归自然,与天然大分子,如淀粉、纤

维素等相比具有更好的力学性能和耐水性,易加工,能够达到塑料的使用要求,是目前降解塑料发展的主要方向和内容,并将是今后中长期的产业发展方向。

近年来,由于石油价格上涨,加上公众环保意识及政府政策倡导等因素,美国、日本和欧洲国家对生物降解塑料的开发有了较大进展。美国陶氏、杜邦、荷兰帝斯曼、德国巴斯夫、日本三菱、东丽、丰田、意大利诺瓦蒙特等国际生物降解塑料巨头,通过不断技术创新和产业化,不仅获得自身迅猛发展,促进了生物降解塑料产业的日益崛起,并引领着国际生物降解塑料产业蓬勃发展。据国际权威的CEH(Chemical Economics Handbook)报道,1998年全球生物降解塑料年产量不到2t,到2002年,美国、西欧、日本的产量已增至57t2004年已达到12t,而到2007年底,这三大市场的总量已达到21t,年增长率超过30%。CEH预计今后510年国际生物降解塑料市场将继续保持30%左右的高速增长率。

二、生物降解塑料三大主流技术及其产业化现状

目前,全球已开发了多种基于不同原料的生物降解塑料,主要品种包括淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚己内酯(PCL)、二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯(APC)、脂肪-芳香共聚酯等,其中,淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是当前国内外研究和开发最多、技术相对成熟、产业化规模最大的生物降解塑料品种,也是目前市场消费的主要品种,可以认为是当前国际生物降解塑料的三大主流技术。

1  淀粉基生物降解塑料

    淀粉基生物降解塑料,是淀粉经过改性、接枝反应后与其他聚合物共混加工而成的一种塑料产品,具有生产成本低、投资少、使用方便、可生物降解的特点。它属于可热塑加工型塑料产品,能用普通的塑料热塑加工机器加工,在工业上可以代替聚苯乙烯等塑料,产品硬度可以根据接枝率和后加工工艺的不同而变化,可以用作包装材料,防震材料,地膜,食品容器,玩具等。在各类生物降解塑料中,淀粉基生物降解塑料已有30年的研发历史,是研发历史最久、技术最成熟,产业化规模最大、市场占有率最高的一种生物降解塑料。

目前国内外已有不少淀粉基塑料产品生产,意大利Novamont公司生产的Mater-Bi塑料、美国Warner- Lambert公司生产的Novon系列产品和德国Biotec公司生产的Bioplast塑料,已成为目前国际上最受瞩目的三种淀粉基生物降解塑料。国内淀粉基生物降解塑料主要生产单位有天津丹海、武汉华丽、广东上九、南京比奥格、河北昭和、浙江华发、肇庆华芳、成都新柯力等公司,淀粉与PE PVAPCLPLA等聚合物共混粒料已批量生产,其中几个大型企业均达到年产万吨级生产规模,总产量占到我国生物降解塑料产量的60%以上,并出口日本、韩国、马来西亚、澳大利亚、美国欧盟等国家。另据报道,中石油拟投资3亿元建设5t淀粉基生物降解塑料项目,表明淀粉基生物降解塑料是当前极具市场价值的主流技术。

2.聚乳酸生物塑料(PLA)

    聚乳酸(PLA)是以乳酸为原料聚合生成的高分子材料,具有无毒、无刺激性,强度高,易加工成型和优良的生物相容性等特点,制品在使用后可完全降解,因此,聚乳酸是一种能真正达到生态和经济双重效应的生物环保材料,是近年来开发研究最活跃、发展最快的生物降解塑料。聚乳酸的力学性能与聚丙烯相似,同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、清晰度和加工性,并提供了比聚烯烃更低温度的可热合性,可以通过通用塑料的加工方法如注塑、挤出、吸塑、吹塑、纺丝等技术加工成各种包装用材料,在各种民用、工业、农业和医疗特殊领域等广泛使用。

    目前,世界聚乳酸生产能力约20万~25ta。美国Cargill Dow聚合物公司2002年在美国建成14ta聚乳酸生物降解塑料装置,约占世界总产能的40%。该装置以玉米等谷物为原料,通过发酵得到乳酸,再聚合生产生物降解塑料聚乳酸,该产品主要应用于包装和纤维市场,各占50%。过去4年,该公司生产的Nature Works PLA产品的需求量以45%的年均增长率增长。在聚乳酸产能和消耗量都不断扩张的同时,聚乳酸的应用也日益走向成熟。在日本,岛津、三菱化学和丰田汽车使用PLA制造的汽车部件;三井化学使用PLA制造餐具;松下电器、索尼、富士通、三洋电器、NEC公司等企业用PLA生产电子产品的外壳;尤尼吉卡公司、钟纺公司、东丽公司也都在进行聚乳酸的产业化开发,但年产量都在万吨以下。此外,丹麦、加拿大、韩国等国也都在进行聚乳酸的产业化研究。

在国内,浙江海生生物降解塑料股份有限公司采用中科院长春应用化学研究所技术建成的5000ta聚乳酸生产线于20077月投产,是目前国内唯一实现了规模化和商业化的PLA项目,其产品分为:注塑级REVODE201和挤片级REVODE1O1两大类,主要有碟子、包装袋、高尔夫球钉、一次性餐具、冷饮杯、MP3外壳、文具和餐具等制品。另外,在建的还有上海同杰良生物材料有限公司和江苏九鼎集团的千吨级生产线。随着聚乳酸生产成本与石油基树脂价格越来越接近,以及聚乳酸应用市场的不断开拓,聚乳酸已开始进入产业化发展时期。

3.聚丁二酸丁二醇酯(PBS)

    聚丁二酸丁二醇酯(PBS)由丁二酸和丁二醇经缩聚而得,与其他生物降解塑料相比,PBS力学性能十分优异,耐热性能好,热变形温度接近100℃,是目前世界公认的综合性能最好的生物降解塑料。由于PBS综合性能优异,性价比合理,用途极为广泛,可用于包装、餐具、化妆品瓶及药品瓶、一次性医疗用品、农用薄膜、农药及化肥缓释材料、生物医用高分子材料等领域。

    目前,全球能够产业化并且已经市场化生产PBS的国家只有美国和日本,日本昭和高分子公司和美国Eastman公司建有规模分别为5000 ta15000ta的生产装置。

我国PBS产业化进程也在积极推进中。20074月,杭州鑫富药业公司采用中科院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心自主研发的PBS生产技术,建成20 000ta PBS生产线,终结了我国长期以来没有规模化PBS装置的历史,这也是目前世界上最大的PBS生产装置。与国际常用的扩链法生产PBS相比,工程塑料国家工程研究中心开发的PBS在健康、卫生及应用于食品、药品、化妆品包装等方面具有显著的优势。海尔工程塑料中心、上海申花集团、福建恒安集团等企业对PBS在一次性包装用品、卫生用品、餐具等领域的应用和推广进行了有效开拓。目前,上海申花集团PBS制品已经面市,改性材料、挤出片材已经小批量出口韩国。此外,浙江鑫富药业公司3000ta生产线已投产,广东金发公司已建成年产1 000ta生产线,安徽安庆和兴化工和清华大学合作也已筹建5000t规模生产线。

三.三大主流技术市场价值分析

技术的价值应主要体现在市场上,而市场则反映在其产品的原料来源、性能与成本、市场应用前景、知识产权、技术标准和相关政策等方面。下面就这5个方面来对生物降解塑料三大主流技术的市场价值进行分析:

1.原料来源

大部分生物降解塑料的原料主要来源于可再生资源,最突出的优点是生物可降解性,既实现了对石油资源的节约和替代,又能有效地消除白色污染,保护环境。淀粉基生物降解塑料的原料来源非常广泛,可以是各种天然淀粉,如玉米淀粉、木薯淀粉、小麦淀粉、豌豆淀粉、土豆淀粉等,还可以是植物纤维等天然作物材料。聚乳酸可由来源于玉米、木薯、土豆等农作物的淀粉发酵生产乳酸再聚合制得。 PBS既可以通过石油化工产品满足需求,也可通过纤维素、葡萄糖、果糖、乳糖等可再生农作物产物经生物发酵生产。在环境保护和粮食安全并重的今天,科学家们正寻求更安全的原料途径来避免引发新的粮食安全问题,如大量采用木薯等非粮作物淀粉、转基因作物淀粉和微生物发酵等方法获得原料,确保生物降解塑料源于自然、回归自然的绿色循环的优势,体现其技术的市场价值,推进生物降解塑料的产业化进程。

2.性能及成本分析

将石油基塑料与生物降解塑料进行对比,其结果列于表l。从性能对比来看,由于原料、合成方法的不同,上述3种生物降解塑料除了均具有良好的生物降解性外,在力学性能、加工性能、应用性能上与普通塑料存在一定差异。总体上讲,以石油基为原料的合成降解塑料加工性能和力学性能优于以可再生资源为原料的生物降解塑料。

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    从成本的对比来看,目前石油基塑料的成本比生物可降解塑料要低。淀粉基生物降解塑料是目前生产成本有可能下降以便实用的普通塑料,也是市场前景最好的生物降解塑料之一。据美国Freedonia报道,由于价格更具竞争力和树脂等级的改进,市场对基于淀粉原料的塑料的需求有望每年增长116%,到2008年该市场需求量将达到38 000t。经过不断的技术创新,聚乳酸出厂成本已经有了很大降低,目前,cargill Dow聚合物公司14ta的聚乳酸装置生产成本约为1万元/t,上海同杰良公司声称其产品出厂成本在每吨万元左右。此外,石油价格不断上涨,导致石油基树脂价格不断提高,也使聚乳酸与传统合成树脂价差减小。PBS既可以通过石油化工产品满足需求,也可通过纤维素、葡萄糖、乳糖等自然界可再生农作物产物,经生物发酵生产,从而实现来自自然、回归自然的绿色循环生产,而且采用生物发酵工艺生产的原料,还可大幅降低原料成本,从而进一步降低PBS成本。

    随着世界石油资源的日益短缺,以石油为原料的聚合物价格持续上扬,而生物降解塑料环保优势进一步凸显,技术改进使其成本下降,促使生物降解塑料与石油基塑料之间的价差缩小,从综合性能和价格因素考虑,以可再生资源的生物降解塑料,如淀粉基生物降解塑料、PLAPBS等生物降解塑料最具有发展潜力。未来10年,生物降解塑料因环保性、经济性及使用性3方面的综合优势,必将成为新一代最有发展前景的材料之一。

3.市场前景

虽然各类生物降解塑料的成本比传统塑料高出10%甚至更多,但由于消费者环保意识的增强和世界各地禁塑限塑政策及环保法规的实施,生物降解塑料的市场需求正在快速增长。世界许多传统聚合物和塑料材料生产公司一致看好全球生物降解塑料市场,纷纷加盟开发生物聚合物或生物降解塑料,如德国巴斯夫、陶氏化学、杜邦公司、帝斯曼等均加大了生物技术的研发投资,一些材料消费巨头也都积极开发,把生物降解塑料应用到他们的产品中,这无疑将刺激国内外生物降解塑料市场需求的增长。据报道,全球生物降解塑料生产将从20072624t提高到2011年的9988t,显示出可再生资源生产聚合物的技术进步,推动了全球生物降解塑料市场持续升温。目前全球消费的生物降解塑料仅占全部消费量231亿t塑料的07%,应用市场空间与潜力较大。巴斯夫预计,全球可生物降解塑料及生物基塑料市场今后几年将以超过20%的年均速度增长,丰田的官方机构预期到2020年世界塑料市场的五分之一将会是可生物降解塑料,相当于3000t。随着石油产品的价格上涨,淀粉基生物降解塑料、PLAPBS等降解产品的环保性能优势逐渐体现,生物降解塑料将占有更多的市场份额。

4.专利现状

    1985年中国实施专利法以来,国外生物降解塑料企业纷纷在中国申请专利,以期占领下游市场,随着技术的不断发展和知识产权意识的不断加强,近年来,国内生物降解塑料企业的专利申请也呈迅速增加趋势。总体上讲,生物降解塑料领域专利申请具有以下4个突出的特点:

    (1)申请量不断增长:统计表明,200O年以前,生物降解塑料专利相对较少,而2000以后至今,相关专利申请迅速增加,尤其是2005年以来,生物降解塑料专利如雨后舂笋般涌现出来,专利申请数量的显著增加突显了生物降解塑料产业目前处于蓬勃发展状态。

    (2)专利类型以发明专利为主:根据文献报道,1989年至2006年,国内外共申请生物降解塑料532件,其中,发明专利400件,实用新型117件,外观设计15件。从专利总量上来看,发明专利要远远多于实用新型和外观设计专利,根据专利定量分析理论,说明生物降解塑料技术目前正处于技术和市场的发展期。近两年来公开的生物降解塑料相关的实用新型和外观设计专利数量有所增加,但维持有效的很少。

(3)申请人构成国内外有别:目前,国内外有关生物降解塑料生产和加工的专利在数千件以上,相关专利数量最多的是日本、美国和德国,其中,日本可谓一枝独秀,在专利申请量、研发投入、产品开发等方面均处于优势地位,成为生物降解塑料主流研发国。从中国专利数据库看,国外生物降解塑料专利申请人绝大部分为企业,而且许多为国际知名的企业,如日本三菱塑料、美国杜邦、德国巴斯夫、意大利诺瓦蒙特等。值得一提的是,在企业申请人构成中,国内企业发明专利申请量仅为国外企业申请量的一半。国内高校和科研机构申请量远高于国内企业申请总量,如同济大学、浙江大学、华南理工大学和中国科学院长春应用化学研究所等有大量生物降解塑料专利涌现,但总量还不及个人申请人数量占据比例。总体上讲,目前我国生物降解塑料企业还没有充分发挥技术创新主体地位的作用,知识产权意识还有待增强。国内生物降解塑料申请人构成见图1

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(4)淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)、可降解聚酯(PBS)为主流技术:根据对生物降解塑料领域的专利进行统计和分析表明,目前各类生物降解塑料专利中,淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)、可降解聚酯(包括 PBS)的专利申请量排列前三,说明这3种降解塑料作为当前生物降解塑料领域的主流技术而受到广泛关注,其中,近两年来公开最多的相关聚乳酸的发明专利。

5.标准现状

    随着生物降解塑料研发和产业化的发展,材料生物降解能力评价方法和标准也在发展,国际上已经有很多国家出台了生物降解塑料标准。当前国际上通用的标准中,ISO 14855 ASTM5338ASTM6400DIN54900主要是测定受控堆肥化条件下可堆肥化塑料的最终需氧堆肥能力,而IS01485lISO 14852JISK 6590主要是测定水体系中需氧条件下塑料材料生物降解的能力。我国近几年也在加速研究和建立统一的降解塑料的定义、降解机理、评价方法和标准,已经颁布的标准主要有QBT 246l-1999包装用降解聚乙烯薄膜,HJ 233-2006环境标志产品技术要求,QBT 2670-2004降解塑料片材定义、分类、标志和降解性能要求,QBT 2671-2004生物分解塑料片材定义、标志和生物分解性能要求,QBT2672-2004可堆肥塑料片材定义、标志和可堆肥性能要求,GBT 19277-2003受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解和崩解能力的测定采用测定释放的CO2的方法,GBT20197-2006降解塑料的定义、分类、标识和降解性能要求等。这些降解塑料标准的相继出台将对我国降解塑料产业发展起到推动和规范作用,同时对我国降解塑料产品出口国际市场起到积极作用。

200861,关于塑料购物袋的3项国家标准《GB 21660-2008塑料购物袋的环保、安全和标识通用技术要求》、《GBT 2166-2008塑料购物袋》、《GBT 21662-2008塑料购物袋的快速检测方法与评价》正式实施。在《塑料购物袋标准》里,降解塑料购物袋和淀粉基塑料购物袋都作为单独的一个品种,被特意列了出来,这一标准无疑给降解塑料的推广带来巨大的机遇。

6.政策分析

    随着世界各国环保浪潮一浪高过一浪,目前已经有多个国家实施了禁用或限用塑料袋的法律法规。在美国,旧金山已经成为美国第一个封杀塑料袋的城市,超市若再向消费者提供塑料袋就属于违法行为,美国其它的城市正在酝酿相关的环保新举措;法国、意大利和西班牙政府已经为全面停止使用塑料袋设置了最后期限,即2010年;英国也将从2008年开始全面禁止使用塑料袋;另外,一些发展中国家也在积极制定禁用或限用塑料袋的法律法规。与此同时,发达国家也在为推进生物塑料使用出台政策,日本政府近期已确定目标,到2020年将使日本消费的所有塑料的20%来自可再生资源;德国已经禁止将含有大于5%有机物含量的固体废弃物掩埋地下,这将对德国2012年生物降解塑料的推行产生很大影响;美国要求每一个联邦机构都必须制定使用生物基塑料的计划。这些措施正在对全球塑料袋产业发生深刻影响,同时也为生物降解塑料产业提供方了前所未有的发展机遇。

    近年来,我国陆续出台了各种政策和法规鼓励生物降解塑料的推广使用。2006年,国家发改委启动了关于推广生物降解材料发展的专项基金项目;我国生物产业十一五规划将生物降解塑料列为国家科技重点支撑项目,指出要大力发展生物基产品,实现对化石原料的部分替代,到2010年,淀粉基可生物降解塑料达到年产20 t级规模,其他生物可降解功能高分子材料达到年产10t级规模;高技术产业十一五规划也指出,要积极推进具有经济价值、可部分替代石油化工产品的生物基材料产业化,鼓励可降解的生物高分子材料的发展,建设年产10t级聚乳酸、20t级完全降解材料生产示范工程;20081月,国务院办公厅下发了《关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知》,指出今后禁止生产、销售、使用超薄塑料购物袋、并将实行塑料购物袋有偿使用制度;然后相关部门根据国务院办公厅的要求又制订了3项《塑料购物袋标准》,这些都对促进生物降解塑料产业快速成长具有积极作用。

    国内外的形势都十分清晰地表明,传统的一次性塑料购物袋将面临被取缔的现实,生物降解塑料袋必须抓住这个重要的机遇迅速发展.必须依赖企业的自主创新和产业化,逐步提高生物降解塑料的技术性能水平,逐步增加生物降解塑料的产业化能力,逐步开拓生物降解塑料更广阔的市场。四.前景广阔,道路曲折

经过一段时间的发展,淀粉基、聚乳酸(PLA)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等生物降解塑料都实现了工业化生产,但目前还处于市场推广阶段,还需要在改进产业化技术、降低生产成本、下游产品应用开发等方面进一步努力。目前还存在一些尚待解决的问题:    

1.成本

  成本问题一直是困扰生物降解塑料产业发展的核心。降低成本的主要措施有两方面,一是降低原料成本,二是通过技术进步降低成本,还可以随着产量的增加而降低成本。未来的发展趋势是进一步扩大生产规模,提高产品性能,以规模效应降低成本,提高性价比,满足市场需求。降解塑料的成本与石油基塑料接近,解决了降解塑料走向市场、走进寻常百姓家中的最大难题。

2.性能

目前市场上已有的生物降解塑料品种众多,生物降解塑料虽然在环保方面具有优势,但每种材料本身的机械和加工性能只是某一方面有突出的特性,综合性能还存在些许不足,这也是制约其市场应用推广的瓶颈之一。应进一步改进技术,提高产品的加工和使用性能。

3.资源消耗

尽管生物降解塑料作为石油资源的替代,可有效地节约资源、保护环境。然而,一些反对的声音指出,利用土豆或者玉米制造生物塑料将造成粮食作物作为食品消费价格的提升。为了避免这个问题的出现,其办法之一是开发微生物发酵和转基因生物塑料;办法之二是开发利用作物秸秆、树枝、植物油等来自自然界的高分子物质开发生物降解塑料,同样可以达到节约资源,保护环境的目的,而且还将带来巨大的经济效益。

4.加强自主创新和知识产权保护

    国外对生物降解塑料制品研发和生产应用相对较早,已经申请了许多专利,从而给国内企业开发新产品时,造成了一定的技术壁垒。目前,我国还有相当数量的生物降解塑料企业缺乏自主开发的产品和专利技术;同时,拥有自主开发的产品和专利技术的企业对专利技术和专利产品的开发也还不够,还需要大幅度提高自主知识产权和原创性发明专利的数量和质量。鉴于目前国内外生物降解塑料技术水平基本同步,也都处于不同程度的市场开发阶段,我国的生物降解塑料企业尤应注意尽早申请专利,未雨绸缪,保护好自己的知识产权,防范未来可能产生的知识产权纠纷。

综上所述,作为目前生物降解塑料的三大主流技术,淀粉基生物降解塑料、聚乳酸(PLA)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)尽管还存在一些尚待解决的问题,但相对于其他生物降解塑料品种,其技术和产品在产业化规模、价格及性能、市场应用和知识产权保护等方面最为成熟,且当前国家已颁布了相应的技术标准和产业政策,达到了产业化和市场应用要求,是当前最具有市场价值的三大生物降解塑料技术。

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