生物质合成纤维环保加工技术及其应用

　　日前，由中国纺织工程学会主办的第5期纺织科技新见解学术沙龙——生物质合成纤维环保加工技术及其应用在东华大学举办。

　　本期沙龙由中国工程院院士蒋士成、姚穆，同济大学材料科学与工程学院教授任杰、东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳、总后勤部军需装备研究所教授级高工施楣梧领衔，另有来自另外清华大学、浙江理工大学等10所高校的20余位高校代表，以及宁波天安生物材料有限公司、凯赛生物产业有限公司、中石化上海石化股份有限公司10余位企业代表应邀参加此次学术沙龙。

　　沙龙围绕生物质合成纤维PLA、PTT、PBS、PHA以及聚酯多元醇等在研发和产业化过程中的热点、难点问题，如原料制备中的基础科学问题、高效环保加工方法及关键技术、应用领域、发展趋势等展开讨论。清华大学教授陈国强、浙江理工大学教授陈文兴等分别围绕生物质合成纤维环保加工技术及其应用这一主题展开报告，内容涉及单体合成、聚合物合成、纤维成型加工、生物质合成纤维的开发与应用等。期间，本着公开、平等的原则，与会者在提问与讨论中热切交流，优秀成果的共享形成了“1+1＞2”的良性循环。

　　绿色、可持续发展、环保材料是生物基纤维给人类的美好期许。相关国际组织预测，到2030年，将有35%的化学品和其他工业产品来自生物制造。我国生物质资源储量十分丰富，以农、林、牧、海等生物资源为原料，生产化学纤维具有很好的发展前景，符合绿色、循环、可持续发展战略。“绿金时代”的到来是纺织人为推动社会发展奠定的又一基石。

　　生物基合成纤维前景明朗

　　东华大学材料科学与工程学院研究员王华平

　　生物基合成纤维的研发对行业乃至国家的可持续发展都有非常重要的意义。随着全球人口的增长，人类对能源的需求不断增加，不可再生资源的减少是人类未来发展不得不面对的问题。因此，对可再生能源和原料的追求，是全球发展的趋势，生物制造产业将是影响未来的战略性领域。

　　《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》将生物产业列为七大战略性新兴产业之一；《生物产业发展“十二五”规划》提出生物基材料将替代10%至20%的化学材料；《化纤工业“十二五”发展规划》提出了大力推进生物基化学纤维及其原料的开发。

　　生物质纤维品类很多，现阶段我们的研究有一定进展也遇到一些瓶颈。比如，对PLA的纤维加工及产品应用比较成熟，规模已经达到3000吨/年，已在服装、无纺布、环保材料等领域进行应用，但L-乳酸提纯、丙交酯合成、纤维的手感和染色是制约其发展的一定因素。

　　再比如，PHBV与PLA共混纤维，在PHBV树脂合成及反应性母料制备方面取得关键技术和产业化突破，产能达到500吨/年，主要应用在高档服装、家用纺织品上，目前需要解决共混技术和纺丝技术产业化的问题。

　　生物基合成纤维的总体技术设计思路为跨学科、跨专业、跨领域；连续化、工程化、规模化。未来发展的两大方向：完善的生物基原料应用与评价体系——支撑可持续发展；完整的纤维制备体系——技术升级与产品快速反应体系。

　　生物质聚乳酸纤维的研发与产业化

　　同济大学材料科学与工程学院博士生导师任杰

　　聚乳酸材料（PLA）属于合成类生物质高分子材料，是一种典型的可降解的生物质塑料。从乳酸的全球市场看：2009年全球乳酸市场（不含聚乳酸部分）约26万吨，年成长率约10%。

　　聚乳酸的优势表现为，可减少化石燃料使用、使用天然可再生的绿色植物为原料、采用绿色制造工艺、与现有固废管理系统相适应。

　　聚乳酸具有以下的优点：⑴原材料易得且可再生，适合大规模集约化生产；⑵阻隔性能、透气性能、透明度光泽和硬度、拉伸和弯曲模量均高于传统的塑料树脂；⑶更好的生物相容性。其单体原料L-乳酸是人体内源性活性物质，聚乳酸制品对人体无毒，不排斥并可被人体吸收，能制成医用组织骨架材料和医药载体而安全地用于人体内，获得美国FDA认证；⑷完全可降解性，埋入土壤中6~12个月即可降解成二氧化碳和水。

　　包装、医用和纤维是聚乳酸市场应用的三大热门领域，包装市场消费量约占聚乳酸总消费量的70%，中长期内，纤维和纺织品所占比例将提高到50%，成为聚乳酸最大的消费市场。

　　未来几年，纤维领域将是聚乳酸应用增长最快的市场。聚乳酸树脂经常规纺丝工艺制得的生物合成纤维，其物理性能和生物相容性，透气性和手感都好于涤纶，不易起静电，可制成复丝、单丝、短纤维、针织物、非织造布等。

　　PTT纺织品的优势及待开发方向

　　东华大学纺织学院教授王府梅

　　PTT纺织品的主要卖点，一方面与PET并列复合弹性纤维，另一方面是面料易塑形。PTT的一大特性是可以生产记忆面料，易塑形，能够被折叠、抓捏成“伞式”、“郁金式”等夸张造形，服装廓型不受人体曲面限制，可在体表之上进一步形成曲面、褶裥突起形态等。

　　易护理特性：储运旅行中经过折叠后会产生一些不需要的折痕，通过简单的手摸就可去除折痕，也可够通过简单地抓捏恢复服装原有的漂亮形态。

　　PTT有待研发的方向和不足：缺乏纤维标准或弹性标识；纤维品种多元化问题，如缺乏细旦丝、色丝。在针织领域应用时，缺少与棉型纱交织的内衣、休闲服，与长丝交织面料存在条影性不匀，泳装塑身服领域难以实现等问题；机织制品缺乏新品，只有素色为弹性面料，弹性色织面料、绉类织物的研发有瓶颈；研发投入要持久聚焦。

　　对于聚酯纤维今后的发展，我们不能照搬PTT或其他材料的模式，要用心发现每一材料的特点，巧妙组合特点是强有力的卖点。力争产业链合作、设备工艺同时进步，不能坐等引进，唯一出路是提高技术含量和产品附加值。

　　专注生物产业化技术开发

　　凯赛生物产业有限公司副总裁詹益辉

　　作为全球生物丁醇和生物法生产长链二元酸的领军企业，凯赛生物产业有限公司在生物产业化技术开发方面颇有心得。

　　生物法长链二元酸的核心竞争力体现在生物转化效率的不断提高及聚合级单体质量开发方面。公司通过基因工程改造及高通量筛选平台技术，不断提高生物转化效率，并从源头上控制发酵阶段杂质的产生。聚合级质量技术开发的难度不是“纯度”而是“杂质”，公司在生物法特种尼龙聚合级单体的质量开发方面建立了该产品的行业质量标准。

　　在凯赛戊二胺重大技术突破：一是高生物转化效率：凯赛利用基因工程手段将微生物菌种中的关键酶效率提高了100多倍，并且可以从糖转化戊二胺。

　　二是聚合级产品质量：凯赛成功地解决了戊二胺提取过程中成环的问题，使成本和产品质量都得到控制。

　　三是PA5X连续聚合技术及设备：已经在10升、100升的中试反应装置上研发成功戊二胺与各种二元酸的聚合工艺。1000吨规模尼龙56的连续聚合示范线已经建成，目前正在调试。

　　生物质聚酯纤维技术和产业化发展趋势

　　中国石化上海石油化工股份有限公司涤纶部王鸣义

　　全球生物基原料生产的可降解和非降解聚合物预期到2016年可以达到578万吨，生物基聚酯合成材料，非降解部分生物基PET占38.9%，可降解聚乳酸、脂肪族聚酯占26.1%。预计到2016年生物基聚酯纤维总量可达到300万吨。

　　生物质聚酯纤维产品开发包括生物基非降解聚酯原料、生物基可降解聚酯原料、生物基非降解聚酯纤维、PLA聚酯纤维、脂肪族可降解聚酯纤维。

　　从发展趋势上看，纺丝改性技术成为主流，聚酯技术的快速成长使共聚改性直接纺丝的生产成本比切片纺丝成本降低15%。

　　染色功能性和部分改善穿着舒适性的“超纺棉”无论在加工成本、加工链整体节能环保和功能性的长期保持性都展示出极大的优势。无重金属聚酯在聚酯合成、纺丝、染整工艺和纤维回收再生产业链中将会发挥关键作用。

　　此外，生物基聚酯纤维的应用市场不断拓展，非织造布技术的进步，使非织造布整体成本大幅度下降，也使生物基聚酯纤维的“性价比”优势得以展现。

　　未来，行业需要加大生物基聚酯纤维—纺织产业链的“官—产—学—研”的合作力度；加强国际间交流和合作，进一步培养、培育和创造创新平台；在市场经济的大背景下，协调产业链的利益均衡，更好发挥产业链的经济和社会效益；重视安全技术、环保技术、标准化技术及市场开发技术的发展。

　　聚3-羟基丁酸共聚4-羟基丁酸

　　改性及其成纤技术研究

　　大连工业大学纺织与材料学院教授郭静

　　生物质聚酯PHA属于微生物发酵——原料来源可再生；使用后容易被环境中的微生物降解；生理相容性；PHA有150多种的单体，比例可调，种类丰富。

　　PHA指标多样性、性能多样性体现在：分子量：1000～1000000、Tg：-60℃～80℃、结晶度：10%～60%、断裂伸长率：5%～1000%、对水和空气阻隔性相当于PET、抗紫外线。

　　PHA在高分子领域应用潜力无限，可应用在生物医用材料、包装材料、高性能生化滤膜等领域，但目前其市场占有率不大。

　　对PHA的研发目前面临技术和经济优势不足的问题，比如上游原料价格高、产品性能不理想等。要得到具有较好性能的纤维材料我们还需要解决几个主要的问题，比如在流变理论指导下的纺丝工艺技术提高分子流动性、促进结晶；控制降解、增加熔体强度等。

　　目前，大连工业大学联合相关机构，充分应用辽宁省功能纤维及其复合材料工程技术研究中心、辽宁省材料改性重点实验室、国家级工程实践教育中心的平台，在海藻改性与功能化、改性鳞虾蛋白及其成纤、甲壳素纤维、PET/PTT/PBT并列型复合纤维、PET/PBT并列型复合纤维方面推动着生物质合成纤维的研究。

　　PTT与PLA纤维的发展前景

　　上海华源有限责任公司高级工程师钱以竑

　　在生物质纤维中，PTT纤维和PLA纤维将是迄今最有条件发展的品种。PTT纤维：发酵法制1,3-PDO国内以克雷伯氏肺炎杆菌以及对其采用基因改造的工程菌实施发酵的工艺具有自主知识产权的优势；该工艺将伴随生物柴油产业发展日益显现经济和环保优势。

　　PLA纤维：原料乳酸的发酵产业具有相对1,3-PDO更优越的实业基础，但国内提供化纤生产用L-LA的生产水平还偏低，产品纯度还不能满足化纤生产要求，生产成本也偏高。国内PLA直接纺丝工艺是独创技术，生产的粘结纤维及在卫生材料应用上获得良好开端。

　　重视化纤工程技术的发展对发展生物质纤维有极大的推动作用。发展化纤工艺技术，在当前生物质纤维的发展实践中，建立“聚合级”原料发酵醇的概念，制定用于纤维生产的发酵产品的原料指标标准有助于企业未来发展。

　　同时，重视工艺反应设备的研发。当前在1,3-PDO包括L-LA的发展企业在以基因改造手段培育新的工程菌方面贡献了极大力量。但是，传统的通过发酵及其精制工艺以及相应设备的研究发展或许会更加直接而有效地提高发酵产品的生物质醇类的得率。新型高效的聚合装置也值得下功夫认真研发。

　　生物基1,3-丙二醇的发展与市场

　　盛虹科技股份有限公司高级工程师冯淑芹

　　1，3-丙二醇是不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂的的重要原料；在食品、医药和化妆品工业中广泛用作吸湿剂、抗冻剂、润滑剂和溶剂；丙二醇还用作烟草增湿剂、防霉剂，食品加工设备润滑油和食品标记油墨的溶剂。作为发展生物质纤维PTT的主要原料，其可替代乙二醇、丁二醇生产多醇聚酯。

　　1，3-丙二醇主要有三种生产方法：丙烯醛法、环氧乙烷法、微生物发酵法。盛虹联合清华大学开发了克雷伯氏菌甘油发酵法。

　　未来采用生物工程制备1，3-丙二醇，将使PTT的售价低于PBT和尼龙。3-PDO是生产PTT纤维的重要原料，且具有不可替代性，因此PTT纤维行业的发展将对1，3-PDO市场发展产生重大影响。此外，在过去3年中，1，3-PDO应用最多的领域就是医药行业，它主要用来生产西布曲明减肥药和维生素-H。

　　目前我国1,3-PDO产品总产能为1.3万吨/年，预计未来3年总产能将达到11.5万吨/年。而实际需求的1,3-PDO产品在5万吨左右，国内生产企业最大生产量将保持在5万吨。