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可降解塑料产业格局及应用发展
在国家对环境保护越发重视的趋势下,塑料制品行业尤其是一次性塑料制品的企业生存岌岌可危,是否能快速转换生产“可生物降解材料”成为企业未来发展走向的关键。生物可降解塑料其产业链跨越了农业和化学品合成领域。以玉米淀粉为原料的聚乳酸(PLA)为例,整个产业链包括植物原材料获取、原材料制备、化学单体和中间体制备、生物可降解塑料颗粒合成、改性塑料配制到最终塑料制品生产几个环节,整个产业链通常是全球范围跨地区、多个上下游企业一起完成的。

图 生物可降解塑料产业链
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来源:中国环保联合会
European Bioplastics(欧洲生物塑料协会)发布的最新数据显示,全球生物基塑料约占每年生产的塑料中的1%。2020年,全球生物基塑料产能达211.1万吨,其中可生物降解塑料的产能为122.7万吨,不可生物降解产能为88.4万吨。政策利好和预估的需求暴增正在推动着可降解塑料产业的快速发展。
图 2018-2020年全球生物基塑料产能变化情况(万吨)
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数据来源:European Bioplastics,前瞻产业研究院
一、生物可降解塑料类别
生物可降解塑料超过20种,但目前只有三种类型实现商业大规模制造,包括主要以植物淀粉为原料的淀粉基塑料和聚乳酸(PLA),以及以石油副产品为主要原料的二元酸二元醇共聚酯(PBS,PBSA,PBAT,下称PBS类塑料),这三类材料的产能总和达到全部生物可降解塑料的95%。
图 2020年全球生物基塑料产能细分市场分布情况
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数据来源:European Bioplastics
1.淀粉基塑料
淀粉因为便宜、量大、制造容易、且生物可降解,被看作是发展生物可降解塑料的重要材料。早期的淀粉基塑料主要是在不可降解的塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)中添加淀粉,从而达到降低成本、增加降解性的目的。这类材料只有淀粉部分可以在特定条件下降解。目前淀粉基塑料全球产能约45万吨,随着市场对降解性要求的提升,现阶段的淀粉基塑料主要是热塑性淀粉,与其他生物可降解材料混合制备出新的聚合物。
2.PLA
PLA是另外一种主要发展的生物可降解塑料种类,价格相对低廉且具有比较良好的物理特性,截至2020年,全球PLA产能约39万吨。淀粉基塑料和PLA的生产依赖粮食作物,包括土豆、玉米、甘蔗或木薯等。虽然塑料产业在研究使用非粮作物进行生产,如以玉米秸秆、甘蔗渣等木质纤维素,或以二氧化碳、甲烷作为原料,但在短期内粮食作物仍然会是主要原材料。
3.PBS类塑料
PBS类是以石油副产品为原材料聚合而成的生物可降解塑料,目前全球产能约37万吨。从技术层面来讲,PBS可以100%使用生物基原材料制造,PBAT可以达到50%生物基。但由于目前生物基原材料的产业化还不成熟,石化来源的PBS类塑料仍然是市场主流。丁二醇、丁二酸为生产PBS类聚酯生物降解塑料的主要生产原料。
4.PHA
聚羟基脂肪酸酯(PHA)是另外一类重要的生物可降解塑料,目前产能尚少,全球仅25,000吨。PHA是微生物以糖类或油脂为原材料在发酵过程中自身代谢合成的物质。现在的PHA合成主要使用多糖,但科学家在研究是否可以将各种农业副产品、厨余、生活废水、沼气等废弃物用做高效的PHA生产原料。PHA尚未大规模商品化的主要瓶颈是居高不下的生产成本,未来或也将是发展最快的生物可降解材料。
除这四大类商业主流种类之外,还有多种生物可降解塑料,比如可以在水中溶解的PVOH,用二氧化碳制造的PPC,能够与多种材料共混的PCL,聚乙烯醇PGA等等。虽然近年来关于新的生物可降解塑料研究成果的报道层出不穷,但由于技术和成本的限制,这些材料仍然无法满足商业需求,实现大规模生产化还有待时日。
二、全球生物可降解塑料的发展概况
欧洲、美国、日本有多家公司实现了生物可降解塑料的规模化生产。由于原材料供应的便利和生产的价格优势,生产基地近年来逐步向亚洲集中。亚洲新增了很多本地制造商以及欧美公司投资的产能,其中国内和泰国的增长尤为突出。
图 2020年全球生物基塑料产能区域分布情况
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数据来源:European Bioplastics,前瞻产业研究院
淀粉基塑料:意大利的Novamont公司是全球最大的全淀粉基塑料生产企业,产能达到15万吨/年。Novamont公司在意大利境内设有4个生产基地,使用的植物原材料主要包括谷物淀粉和菜籽油。
PLA:全球过半PLA产能集中在美国的Nature Works公司,其15万吨/年的生产线均在美国境内。全球第二大的PLA生产线由荷兰的Total Corbion PLA公司于2019年在泰国建成,年产7.5万吨,使用泰国本地甘蔗为原材料。2020年初,Total Corbion宣布将在法国再建一座年产10万吨PLA的生产线。剩余的主要PLA生产商都集中在中国。江苏允友成生物环保材料有限公司拥有年产5万吨的PLA生产线,其他大多数企业生产线产能在1万吨左右。最近,安徽丰原集团有限公司宣布了“2025年达到PLA年产1500万吨,2030年达到3500万吨”的计划。该公司计划产能若建成,将是现有全球PLA产能的100倍。安徽丰原集团称PLA生产的原材料将以巴西进口玉米为主。最近中粮生物在时隔18个月之后的PLA生产线也已重启。
PBS类塑料:巴斯夫(BASF)现有PBAT产能7.4万吨/年,并且在2020年宣布拟在中国新增6万吨/年的PBAT产能。中国PBAT材料行业内企业集中度高,金发科技为首的多家企业总产能达到20万吨/年,超过全球50%。这些公司的PBS类塑料都使用石油副产品作为原材料。目前日本三菱作为PBS产能最大的日本公司,在泰国新建了产能为3万吨/年的工厂,用来生产玉米基和石油基混合的PBS。PBS类聚酯生产可通过对PET、PBT聚酯设备进行改进生产。目前我国聚酯设备生产能力严重过剩,改造生产PBS为过剩的聚酯设备提供新的机遇。
PHA:PHA的产能曾经远大于现有规模,但由于市场推广没有达到预期,产能利用率低于10%,多家企业相继停止生产。目前美国的Danmier Scientific拥有现在最大的PHA生产线,以油菜籽为原材料在美国进行生产,该公司称未来几年的目标是推动PHA生产技术达到商业量产规模,生产使用的油菜籽有可能会来自美国东南部。在中国,天津国韵生物材料有限公司拥有全国最大的PHA生产线,年产能达1万吨。
三、生物可降解塑料的市场需求
欧洲和北美是现在生物可降解塑料的最大市场,在一些亚洲国家,尤其是中国和印度,减塑政策也推动着生物可降解塑料的需求迅速增长。
一次性包装是生物可降解塑料的最大使用领域,2019年59%生产的生物可降解塑料被做成了可降解塑料袋、食品袋、食品盒、饮料和化妆品塑料包装等等,其中各种软性包装用量最大,使用了近50万吨生物可降解塑料。多家国际消费品公司、全球连锁的餐饮巨头和连锁超市在推广和使用生物可降解塑料,其中生鲜和食品包装、一次性餐具、以及可堆肥降解塑料袋需求量最大。生物可降解食品包装和一次性餐具的需求在2017年达到16.4万吨,预计到2022年将超过18万吨。
可堆肥降解袋是生物可降解包装的第二大应用,2017年达到7.2万吨,预计到2022年将接近8万吨。国际知名电商公司也在政策和环保的双重压力下开始使用生物可降解塑料包装。以中国为例,快递和外卖两个行业在政策推动下,若达到20%外卖包装可降解以及政策所期待的“50%快递包装可降解”,将产生超过74万吨的生物可降解塑料需求。2020年的新版限塑令要求到2025年底全国范围邮政快递网点禁止使用不可降解的塑料包装,若快递业不着力发展塑料减量方案,只是用可降解材料替代,以现在的快递行业增长速度,2025年中国的快递业预计会使用近500万吨的可降解包装。
2019年生产的生物可降解塑料中14%用于农业和园艺领域,包括生物可降解农膜、育苗杯等产品。虽然生物可降解农膜的效果和降解性目前仍然在测试阶段,但由于传统的聚乙烯农膜无法在土壤中降解,破碎后会造成严重的土壤污染,多个国家已尝试推广使用在土壤中生物可降解的塑料农膜以代替传统聚乙烯农膜。目前发展生物可降解农膜的主要材料是非生物基的PBAT。BASF预计全球的生物可降解农膜需求可达到每年200万吨,欧洲市场的需求可达到每年10万吨。中国是最大的覆膜种植国,每一年使用的农用地膜约250万吨;若以10%的替换率计算,中国对生物可降解农用地膜的年需求将超过20万吨。
根据清华大学温宗国教授的估算,若不改变消费增长,并使用生物可降解塑料替代限塑令的禁限品项,中国在未来五年内累计需求量将达到2200万吨,是目前全球全部产能的10倍。
四、生物可降解材料未来发展
虽然发展前景看似可观,生物可降解材料的生产和使用仍面临着很多未解决的挑战。作为新兴材料,无论是产业发展、应用或是相对应的后端处理,生物可降解塑料都面临着很多悬而未决的问题,目前推广和使用面临诸多问题,包括:
一、可降解性的测试标准仍需完善,可降解的认证体系无法反映真实环境中可降解产品的降解情况;
二、可降解产品没有明确、统一的认证标识供消费者辨别,命名也没有法律规范,执法者也难以辨认;
三、可降解产品主要依赖生物原材料,原材料的供应链缺乏规范,将会限制其更大规模的生产;
四、可降解产品的废弃物缺乏对应的处理系统,废弃物无法处理,很难达到塑料污染治理的目标;
五、可降解塑料作为新兴材料,生产过程以及降解过程如何保证绿色无毒,仍需要更多研究和监督管理。

参考资料:

化工新材料

中华环保联合会《破解“可降解塑料”:定义、生产、应用和处置》
European Bioplastics《BIOPLASTICS MARKET DEVELOPMENT UPDATE 2020》
前瞻产业研究院《2020年中国生物降解塑料行业市场现状、竞争格局及发展前景》

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