抓好基础 降低成本 提升产业价值
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进入新世纪,资源和环境制约经济发展的矛盾日益突出,资源节约和环境友好已成为经济发展的主题。生物材料作为最具发展潜力的材料,有其广阔的市场前景。但我国生物基材料目前面临产业规模小、劳动生产率低、技术结构不先进、科研与产业脱节、基础研究水平不高等问题,它们直接制约了新技术和新材料的开发和应用。
纤维产业被普遍认为是生物技术应用的重要领域。在前不久召开的“第四届中国生物产业大会”生物质纤维及生化原料论坛上,行业协会正式提出了生物质纤维及生化原料的定义和分类,将生物质纤维分为生物质原生纤维、生物质再生纤维和生物质合成纤维三大类。中国化纤工业协会理事长郑植艺指出,“十一五”期间,我国化纤行业在生物质纤维及生化原料的研究等方面还没有迈出根本性步伐,对生物化学、分子生物学等的了解相对有限,还没有意识到这些基础科学在提升化纤工业中的重要作用。“十二五”期间,化纤工业将对生物质纤维及生化原料进行重点研究,引导行业利用生物技术提升产业水平,改造传统再生纤维的生产工艺,推广纤维的材料绿色加工和新工艺、集成化技术。
目前,我国生物质纤维及生化原料的研发尚处于起步阶段。首先在生产环节上,大规模工业化技术还不成熟,生产成本还需大幅降低,加工技术水平还不能使产品性能满足需要,且加工成本仍居高不下。虽然我国在PHA、PLA等的研究和产业化中取得了一些进展,但同美国、欧洲、日本等发达国家和地区相比,我国生物基材料产业的发展尚有诸多问题有待解决。到目前为止,生物基材料的主要知识产权仍掌握在美、欧、日等发达国家和地区。
生物产业兼具支柱产业与先导产业的共同特征,作为战略性新兴产业来培育已经形成广泛共识。目前,众多的发展思路大都停留在战略层面,还需进一步细化,应落实到具体的操作和实践上。近期,本刊就纤维界的这一热门话题采访了业内相关专家,他们对生物质纤维材料的过去、现在和未来有着自己独到的见解。
《纺织导报》:近年来出现了一些新型的生物质纤维,您比较关注的有哪些?
赵庆章:生物质纤维是指以可再生的动植物为原料直接或间接加工而成的一类纤维。因此,生物质纤维又可以分为两大类,一类是直接利用动植物的纤维,研究的内容是新型的加工方法,另一类则是以可再生的生物为原料,制备可以用于纤维加工的单体,再经过合成加工制成各类纤维。在加工方法研究中我比较关注纤维素纤维的绿色加工方法,包括纤维素纤维的浆粕制备工艺和溶剂法纤维素纤维的制备工艺,之所以关注是因为其丰富的原材料来源和较为成熟的原料制备和纤维生产工艺。当然从长远看,甲壳素、海藻等都是值得关注的原料,它们也拥有巨大的存量,只是目前还没有从原料采集、存储、加工等环节形成规模。
第二类纤维中我较为关注的是PLA及多元醇酯。PLA以乳酸为原料,乳酸可以用多种方法获得,是一项古老而成熟的工艺,只是需要在纤维级原料上下功夫而已,PLA还因为具有较好的加工性能和物理性能可以在纤维领域获得应用。目前PLA多用玉米为原料,这将限制它的发展,乳酸的获得并不限于玉米,这是研究者们一开始就必须考虑的问题。
利用发酵技术从生物中获得多元醇也是近年来发展较快的一种技术,它的优势在于:我国在聚酯设备的制造方面已经处于国际领先水平,而且已经形成了近 3 000 万t的生产能力,多元醇酯的制造完全可以利用这些现有的设备。从长远看,从生物质原料中制备聚合物单体是后石油时代的一个方向,生物法多元醇为生物法制备合成纤维迈出了第一步。从化学原理上讲,生物法也可以合成芳香烃,只是受到成本和规模等问题的制约。
随着石油的日益短缺和价格提升,生物法合成的单体会越来越占优势。生物质纤维开发中还有诸多新品种,有的甚至已经实现了规模化生产,例如英国ICI公司的PHB系列产品,这类从细胞核中分离出来的β 羟基酸具有很好的生物可降解性,物理性能又较接近于丙纶,但由于技术上的难度因此发展较缓。另外,近年来PBS的发展也比较快,但由于其熔点较低在纺织上的应用范围非常有限。
王华平:近年来由于全球石油资源的日趋匮乏,化学纤维的产量将会受到越来越多的制约,为了满足市场需求,必须有相应的替代资源以满足生产发展和消费增长的需要。以纤维素为代表的生物质纤维,以其吸湿、透气、舒适等优良特性和丰富的资源优势,引起了众多科研人员的关注与开发。
目前,国际上对生物质纤维材料的定义分为生物源(bioresourse)、生物质(biomass)和生物基(biobase)3 种。其中生物源纤维是按照纤维原料来源的不同,生物质纤维可以分为原生纤维、再生纤维以及生物质合成纤维。
以再生纤维素纤维为代表的再生纤维近年来已经成为研究热点。如采用新型溶剂如NMMO溶剂得到的Lyocell纤维,该纤维具有较高的干强、湿强和湿模量,优良的尺寸稳定性,被誉为“21世纪的绿色纤维”。此外,将离子液体等溶剂作为纤维素的直接溶剂也具有非常广泛的应用前景。而将纤维素改性后所得到的纤维素衍生物在一定条件下进行熔融纺丝,可最大程度地降低环境负荷,提高纺丝效率,省去溶剂使用和回收利用的步骤,缩短流程。因此,再生纤维素熔融纺丝法是最具长远竞争力的技术创新加工方法。
生物质合成纤维包括PTT纤维、PLA纤维、PHB/PHBV纤维、PBS纤维等,其产品与加工工艺可与现有产业链衔接,特别引人注目,很有发展前途。
《纺织导报》:据了解,PLA在国外多被用于包装材料等中,而PTT一般用作地毯材料,您怎么看待国内外在这些材料的应用上的差异?
赵庆章:新材料的市场定位取决于它的性价比。PLA作为纤维,其物理及加工性能类似于丙纶,其突出的特点是可降解性,但价格比常规合成纤维高。在合成纤维的价格还未因原料价格大幅度上涨的时候,PLA纤维不具备很强的竞争力,尤其是在纤维领域还没有把废弃后是否降解提到很高的高度时,PLA就很难凭借其可降解性提升其在纤维领域的竞争力。与纤维相比,包装材料更强调其废弃后的可降解性,因此,PLA在国外多用于包装材料。
PTT属聚酯,其特点是有较好的弹性和弹性回复率,但与常规PET相比,价格仍然很贵,国内外在PTT的应用方面确实有较大差异。目前国内企业由于原料供应量有限,大多是在进行探索性的产品开发,由于价格高,必须开发有较高附加值的一类产品,利用其独特的染色效果和弹性开发出来的产品充分利用了PTT的特点,因此在国内市场上有较好的反映。国外开发地毯的原因一方面在于PTT的基本性能,如PTT的弹性、弹性回复率和初始模量都比较适于做地毯;另一原因是在国外地毯生产中,原材料成本的比例相对较低,更重要的是有很大的地毯市场,而国内的地毯市场很小。
王华平:材料的应用开发与材料自身的特性密切相关。PLA纤维是以淀粉为原料,经发酵转化成乳酸再经聚合、纺丝而制成的合成纤维,具有很好的生物降解及生物相容特性,因此广泛用于包装材料。但作为纤维,由于比表面积大,染整与使用过程中易降解等因素,在纺织过程中的应用受限。而PTT材料属于聚酯家族中近几年开发的新品,它综合了锦纶的弹性、耐磨性和较好的耐疲劳性,腈纶的膨松性、柔软性、较好的染色性和优良的色牢度以及涤纶的抗皱性、尺寸稳定性和良好的耐热性等优点,加上本身固有的三维拉伸回复弹性,国外根据市场需求,主要用于地毯材料。但在中国,生产企业充分利用PTT纤维的特性,在PTT纺织面料的开发上已形成产业链,并取得市场认可。
《纺织导报》:目前,我国生物质纤维材料的开发在整体上还处于起步阶段,在其实际的开发、生产或应用中,您觉得企业应注意哪些问题?
赵庆章:一种新产品的市场培育要有一个过程,生物质纤维材料的开发也不例外。总体上讲,生物质纤维材料的最大劣势在于高价,而降低价格最有效的方法就是规模化生产,而规模化生产就需要有一定的市场,开发的过程实际上充满了矛盾和风险。因此必须注意以下几方面的问题。
(1)要注意产业链的整体发展。一种全新的生物质纤维材料的开发仅仅考虑一个环节是不够的,只有各个环节同步进行才有可能将其发展成为一个产业。尽管一个单位或企业目前还不具备从原料到产品开发的整个产业链生产条件,但可以通过合作的方式带动一批企业共同参与。
(2)生物质纤维材料的开发要避免以粮食为原料。尽管我国某些产粮地区的粮食相对富裕,但从世界范围看,粮食形势不容乐观,人首先要解决吃饭问题,因此,从一开始就要考虑生物质纤维材料不能立足于粮食,否则迟早要遇到问题。
(3)注意产业的规模化。技术一旦成熟,在充分进行市场调研的基础上,要发展产业的规模,只有达到一定的规模才有可能降低生产成本,也只有具有竞争力的价格才能打开市场。
(4)开发生产中要注意环保的问题。生物质纤维材料的研究过程往往是一种可行性的研究,较少考虑环保的问题,由于规模小,产生的污染也较小,而一旦进入工业化生产,污染的问题就会暴露出来,在海洋生物材料的处理过程中这类问题尤为突出。因此,企业在投资一个项目时,必须慎重地考虑每一个生产环节可能带来的环境问题。
(5)加强应用研究,使生物质纤维的特点得到充分利用,尤其是复合共混等技术的利用。与成熟的合成纤维相比,生物质纤维在价格上总是处于弱势,利用复合和共混的技术有可能在增加纤维的功能和降低成本方面获得突破。
王华平:在生物质纤维的产业化道路上,企业必须关注以下几个方面的问题。首先从资源角度,需科学认识,既要关注原料资源的储量以及原料的资源消耗、原料的分离处理消耗、产业集成度等,又要关注原料的具体技术指标,如组分、分子量及分布、可加工性等,并确定指标波动的范围,建立选取各种相应纤维加工工艺所需的原料评判标准体系。根据不同的原料,选择合适的工艺路线及工艺装备,注重工艺参数的积累及确定,如麻浆纤维、香蕉纤维、甘蔗纤维等,不同的浆粕适用于不同的加工工艺,且最终产品的性能也不一样。另外,企业需建立生物质纤维材料的专用装备体系、助剂体系,并结合现有的生产加工体系,形成规模化的专用技术与装备体系。
《纺织导报》:请您展望一下纺织行业生物质材料的技术发展趋势。
赵庆章:2009年全球纤维总产量约为 7 000 万t,其中合成纤维 4 160 万t,占了 59%。合成纤维以石油为原料,随着一次性资源的日益枯竭,纤维原料的来源成了纤维生产者必须关注的问题。与此同时,随着人们生活水平的不断提高和人口的增加,世界对于纤维的需求量还会不断增加,解决这一突出矛盾的唯一方法就是开发可持续的生物质纤维原料。如上所述,生物质纤维的开发主要有两个途径,即生物质纤维加工方法的研究和以生物质为最基础原料来制备合成纤维。生物质纤维的开发已有多年历史,也开发出了很多品种,但真正市场化的不多,究其基本原因在于性价比。而从性能的角度看,生物质材料制成的纤维和石油基合成纤维各有千秋,关键是价格问题。
溶剂法纤维素纤维技术将会加速发展,粘胶纤维虽然以纤维素纤维为原料,但即便是目前最先进的回收工艺,每生产 1 t粘胶纤维也会有近 40 kg的硫化物排入大气中,随着我国环保要求的不断提高,这样的污染是不能容忍的。而以NMMO为溶剂的溶剂法纤维素纤维生产工艺可使用与粘胶纤维相同的原料,溶剂可高度回收,几乎对环境没有任何污染。它的潜在发展还在于有可能使用竹、麻、秸秆等多种原料,这一技术的整体开发还包括绿色制浆工艺和新溶剂体系的研究和开发。
从较长一段时间看,随着石油资源的日益短缺,合成纤维涨价是必然趋势,这将有利于生物质纤维的发展,当石油价格高到一定程度后,就有可能用生物质纤维替代石油基纤维。因此,生物质纤维最终替代石油基纤维也是一个必然的趋势,只是时间问题。
技术的发展及规模化将降低生物质纤维的成本,提高其竞争力,新产品、新工艺的开发都有一个从小到大的过程,随着技术和市场的日益成熟,规模化是一个必然趋势。
大多数生物质纤维都具有可降解的特点,加工方法中注重的是应用无污染的绿色加工工艺,随着时代的发展,人们对环保的要求越来越高,这也将有利于生物质纤维的发展。因此,要充分发挥生物质纤维的特质,以独特的性能抵消价格不利的因素。
王华平:生物质纤维的主体是纤维素纤维,而海藻纤维、甲壳素纤维等的发展方向是高附加值化。由于从生物质中提取的天然大分子如纤维素在结构上含有大量强极性基团,分子内和分子间作用力大,导致其熔点高于分解温度,难以直接采用熔融纺丝法进行加工,因此,目前已经工业化的纺丝技术均为溶液纺丝。纤维素的粘胶纺丝等传统工艺目前依然占据着主导地位,但这种工艺不但生产流程长,能源消耗大,生产成本高,而且在生产中会释放出大量的有毒气体,污染环境,破坏生态平衡。
自20世纪60年代以来,科研工作者先后致力于新的纤维素纺丝方法的研究工作,其研究主要有两个方向:一是采用纤维素新溶剂直接溶解纤维素后制备纺丝原液,经纺丝得到纤维素纤维;二是寻找能够形成纺丝溶液的新的纤维素衍生物(非磺酸酯),溶解纤维素衍生物成为纺丝液进行纺丝,制备新型纤维素纤维。其中直接溶剂法的代表是以NMMO为代表的新溶剂体系的开发,目前在欧洲已经工业化,但受溶剂成本等因素的影响,年产量仅为 15 万t左右,但增长趋势明显。国内目前还处于千吨级生产线和小型试验线的阶段,但能耗与运行成本严重影响了其进一步发展。
在新型纤维素溶剂的研究中,目前最受人瞩目的研究成果有两种,一种是武汉大学张俐娜研究小组的低温碱/尿素(硫脲)体系,另一种是以中科院和东华大学为代表研究的新型离子液体法纤维素纤维生产技术。离子体系就是完全由离子组成的液体,在室温和近乎室温时呈液态的熔融盐体系,是近年来兴起的一种极具应用前景的绿色溶剂。自2002年Rogers报导离子液体可以溶解纤维素并可用于纤维素粉体、珠体以及纤维的制备以来,越来越多的研究者加入了离子液体法纤维素纤维的研究。但到目前为止,这些研究尚都停留在实验室阶段。
实际上,生物质纤维清洁化加工最具长远竞争力的技术应该首推熔融纺丝法。通过生物质原料的衍生化制备热塑性纤维原料,然后进行熔融纺丝,在日本已有报道,虽尚未形成商品,但这一发展趋势将首先从理念上打破传统工艺的局限性,最大程度地降低环境负荷,提高纺丝效率,省去溶剂使用和回收利用的步骤,缩短流程。
《纺织导报》:您怎么理解“绿色环保纤维”?
赵庆章:绿色环保纤维应该是指在纤维的整个生命周期中,包括原料的制备至成品加工的整个过程以及丢弃后废纤维的处置,都不会对环境产生不良影响的纤维。因此,绿色环保纤维应该包括两方面的内容,一是纤维本身的性能,如丢弃后是否能够在自然环境中在一定时间内降解成水和二氧化碳;二是纤维的加工过程是不是一个节能环保的过程。
王华平:“绿色环保纤维”中的绿色环保主要体现在以下几方面。首先是纤维的原材料绿色环保,与环境兼容;其次,利用生物质原料得到的生物质纤维的生产加工过程须绿色环保。从狭义上来说,绿色环保纤维的加工过程应满足节能、降耗、减污,符合环保和可持续发展的要求;广义上来说,整个产品生命周期绿色环保,包括占用主要农林产业的土地资源、水、空气及化肥农药、人力资源投入、产品回收消耗资源等,都是循环经济可持续发展的重要因素。此外,绿色环保纤维在消费和使用过程中应对人体友好、舒适,用生物质纤维制备的产品废弃后可以生物降解,其原料需具有优良的再生性能。纤维的绿色成形加工工艺也是今后纺织纤维发展的重要方向。