1、生物基完全降解塑料可行性研究报告 生物基完全降解塑料可行性研究报告第一章 项目建设的意义及必要性-21.1 项目国内外现状和技术发展趋势1.2 对产业发展的作用与影响1.3 产业关联度分析1.4 市场分析第二章 项目技术基础-252.1 成果来源及知识产权情况2.2 已完成的研究开发工作及中试情况和鉴定年限2.3 技术或工艺特点以及与现有技术或工艺比较所具有的优势 2.4 该重大关键技术的突破对行业进步的重要意义和作用第三章 市场分析、预测-403.1 国外市场分析和预测3.2 国内市场分析和预测第四章 生产原料及辅料供应-44 4.1 生产原料的供应 4.2 生产辅料的供应 4.3 主要原料
2、的储备 4.4 主要原料表第五章 技术特点，工艺技术路线，设备选型及主要技术指标-45 5.1 技术特点 5.2 工艺技术路线 5.3 设备选型 5.4 主要技术指标 5.5 产品采用的质量标准 5.6 主要原材料、燃料、动力消耗指标 5.7 总平面布置与运输 5.8 土建工程 5.9 给排水工程 5.10 供电 5.11 供热 5.12 辅助生产设施 5.13 地震设防 5.14 消防 5.15 职工安全卫生第六章 原材料供应及外部配套条件-70 6.1 原材料供应 6.2 项目水、电、气供应情况第七章 环境保护-72 7.1 所选厂址在环境保护方面的优缺点分析 7.2 主要污染源、污染物及
3、在厂区内分部的位置 7.3 污染物排放量及治理方法 7.4 绿化 7.5 环境影响评估第八章 建厂条件和厂址选择-77 8.1 建厂条件 8.2 厂址选择第九章 项目实施管理、劳动定员及人员培训-77 9.1 生产组织及机构形成 9.2 动定员 9.3 生产管理人员 9.4 培训计划第十章 基础设施建设-78 10.1 用地面积 10.2 厂房建筑面积 10.3 库房建筑面积 10.4 行政设施建筑（含办公、检测中心） 10.5 生活设施建筑 10.6 配电房 10.7 运输设施 10.8 修理设施 10.9 厂区道路、排水、绿化、大门围墙等建设第十一章 建设工期-80第十二章 总投资估算-8
4、0第十三章 投资估算-80 13.1 投资估算依据 13.2 建设投资估算 13.3 流动资金估算 13.4 项目投入总资金第十四章 生产成本和经济效益分析-83 14.1 生产成本分析 14.2 经济效益分析第十五章 社会效益和风险分析-86 15.1 社会效益分析 15.2 风险因素分析 第一章 项目建设的意义及必要性一、项目的意义和必要性1.1 项目国内外现状和技术发展趋势近年来，随着塑料工业的发展，塑料已应用到工业、农业、食品业等许多行业和日常生活的各个方面。在农业上，采用地膜覆盖栽培技术已为农业增产起到了关键性的作用，在我国被誉为农业上的“白色革命”。对于包装业，塑料制品不断取代玻璃
5、和纸张，大量用作包装材料，但这些短期性和一次性使用的塑料制品在完成其使用功能后，废弃在土壤环境中不易降解，目前的回收工作并不奏效，致使在城市垃圾中和铁路沿线，乃至江山河海、旅游景点随处可见废弃的一次性塑料制品，给环境造成了严重的污染，而且废弃在长江里的餐盒甚至影响了水电工程的顺利进行，形成“塑料垃圾”公害；对于废弃的农地膜，给土壤造成污染，使农业减产，牲畜误食后致死。所有这些，在我国被形象地称为“白色污染”。 21世纪是保护地球的时代，作为解决塑料垃圾对地球环境污染的措施之一，一些经济发达国家纷纷立法，对某些特定塑料制品（如购物袋、垃圾袋、饮料瓶杯、快餐盒等）规定不能使用不能在环境中降解的塑料
6、。我国政府对此也非常重视，国务院对治理“白色污染”早已有所指示，相关部委也采取了相应的措施。为了有效解决“白色污染”所引起的上述问题，除了加强国民的环境意识和回收再利用外，对于那些不易回收或回收后没有利用价值的一次性使用塑料(如超薄地膜、垃圾袋、快餐具等)应用领域，研究开发使用后在自然环境中能自行降解的环境友好塑料势在必行。 可降解塑料其废弃物在一定的环境条件下和经历一定周期，可以使塑料垃圾减容、减量，从而可以起到减轻环境污染、缓解环境矛盾的作用，符合固体废弃物污染防治法中减量化，资源化、无害化的要求。而且由于其全部或部分原料采用可再生天然资源，因此，作为有限的、不可再生的、日渐减少的石油资源
7、的补充替代品具有重要意义，并有利于可持续发展战略的实施。1.1.1国外研究现状目前，美日德等许多发达国家十分重视生物可降解塑料的研究开发，投入了大量资金。日本通产省已将生物可降解塑料作为继金属、无机、高分子之后的“第四类新材料”，并拨专款支持生物可降解塑料（EDP）的开发。国外的研究开发起始于上世纪70年代，80年代经历了较大的起伏，90年代进入比较冷静和稳步地发展。进入21世纪生物降解塑料有了较大的进展。国外研发的EDP主要包括光降解、生物降解、化学降解塑料等类型。其中光降解塑料技术最为成熟、全生物降解塑料的研发最为活跃。由于光降解塑料降解性能受限于地理、环境、气候等条件，用途受到较大的制约
8、。而全生物降解塑料虽可较短时间回归自然，但高昂的价格又成为其推向市场的严重障碍，因此欧美国家虽已建立了万吨级生产线，但目前用途有等进一步开拓，成本有待大幅度降低。国外生产EDP的主要国家有美、日、德、意等。近年来着重在生物降解塑料方面开发，已取得较大成就。据ECN报导，2001年世界生物降解塑料产量约35kt40kt，到2010年将形成100kt的市场规模，目前世界多家大型石化公司如Dupont、Eastman、Dow Chemical、BASF、Bayer等均进入了生物降解塑料领域。目前，国际标准化组织已发布的生物降解塑料标准有ISO/TR15462、ISO14593、ISO14851、IS
9、O14852、ISO14855，美国、德国、欧盟、日本均已制订了可生物降解、可堆肥化的认证标志和标准。1. 美国是世界上EDP研发品种最多、能力最大、研发力量最强的国家。合成型光降解（乙烯/一氧化碳ECO）是世界唯一生产的国家；淀粉添加型（制品中淀粉含量15%以下）降解塑料80年代中末期在美国市场曾风靡一时，并作为对付某些禁、限用塑料包装材料法规的权宜对策，由于销售中的不实宣传和夸大作用受到环境部门的质疑和反对，而逐渐降温，并转向大力加强全生物降解塑料的研发，如美国Cargill-Dow公司2001年已建成140kt/a聚乳酸的生产规模，并已开工生产和正在致力开拓市场。其它如Novon lnt
10、ernational公司的淀粉基本生物降解塑料Solvay公司，U.C.C.公司的聚己内酯。Dupont和Eastman chemical公司的脂肪族/芳香族共聚酯，Environmental Products公司的聚乙烯醇等都已建成了工业规模生产线（详见表）。据美国Business communication报导：2000年北美生物降解塑料年销售量约为11.8kt，至2005年预计可增加到16kt，年增长率7%。北美生物降解塑料主要市场为包装材料，2000年销售量为9.9kt，到2005年其年均需求量预计达11.5kt，增长率为4.6%；其第二大市场是堆肥袋销售量将由2000年的2.3kt增
11、加到2005年的3.6kt，年均增长率9.9%；其它市场是农用地膜、医疗卫生用品和涂料等，2000年市场需求量还不到0.5kt，到2005年将增到1kt以上。2.日本关于EDP的研发特点是国内研究和引进先进技术和进口产品加强应用研究，开拓市场相结合。这样一方面加快了研发进程，同时又能根据国内市场的需求，有针对性地开发产品。主要生产公司和品种有三菱化学的PHB、PHBV，日本合成化学工业的淀粉/聚乙烯醇，昭和高分子和昭和电工的脂肪族聚酯；化学工业的聚己内酯等。（详见表）。据日本生物降解塑料研究会报导，日本绿色塑料市场规模2000年为3.54kt，2003年将达到20 kt，2010年占塑料总量的
12、10%；又据日本经济计划厅2010年技术预测研究报告，2000年日本绿色塑料的市场销售额为1000亿日元，2010年将达到5000亿日元。3. 德国近年来也加强了EDP的研发。如德国几家大公司Bayer公司、BASF公司均投入了大量人力物力，BASF公司充分利用原有设备能力开发化学合成型生物高分子，如脂肪族芳香族共聚酯，已建成10 kt/a的生产规模，Bayer最近研发成功聚酯酰胺和淀粉/聚氨酯共混生物降解塑料。4.意大利Novanmont公司是世界最先开发淀粉基生物降解塑料的国家，其中淀粉/聚乙烯醇、淀粉/聚己内酯生物降解塑料已有多年历史。2001年年产能力已增至10 kt，据预测意大利生物
13、降解塑料的市场规模将从1999年的24 kt增长到期20 kt。开发“生物降解诱发剂”和促使通用塑料迅速分解的新工艺等等。而全淀粉生物降解塑料由于其优异特性逐渐成为研究热点。Lacourse报道了以直链淀粉为原料的包装材料、包装制品的制造方法,用高直链淀粉、包括10%的环氧丙烷、10%的聚乙烯醇等的挤出物,形成均匀、闭合的微气泡结构,其密度底,回弹性好,可用于包装材料。Tomka等报道了一种能产生稳定泡沫结构的生物降解塑料,指出水作为发泡剂或通过使用二氧化碳膨胀气体发泡得到的泡沫材料回弹性及强度差,产生蜂窝状泡沫结构不均匀,没有形成闭孔。他将淀粉与至少一种不溶与水的生物降解塑料混合,另外将这种
14、材料与生物降解的纤维(大麻、亚麻等)或胶囊状材料(硅胶、沸石等)混合,该材料通过毛细管现象而部分吸水或饱和吸水,然后在适当的压力和温度下,毛细管中的水释放从而发泡,得到的产品解决了以上问题。Lacourse等发明了由醚化改性(主要为羟丙基淀粉的高直链淀粉在湿度10%20%,温度150250)制备泡沫塑料的生产工艺。另外由95%羟乙基高直链玉米淀粉和5%PVA制备的泡沫塑料已在商业上代替了聚苯乙烯泡沫塑料。Randal Lshogren用高直链淀粉,乙酸酐及NaOH水溶液反应制备乙酸酯淀粉。结果表明:水是乙酸酯淀粉的高效塑化剂,大量水存在时玻璃化温度从干淀粉的165185下降到95135这主要是
15、由于乙酰基取代淀粉羟基,减弱了分子间氢键,使得淀粉分子链在干态时易于运动。DS25的乙酸酯淀粉在含水量15%,150时挤出得到膨胀、耐水、表面光滑的泡沫塑料,其密度、压缩强度高于聚苯乙烯泡沫塑料,但弹性低于聚苯乙烯泡沫塑料。Laverous等人对多种聚酯与热塑性淀粉(TPS)的共混物(其中TPS占主要比例)的拉伸模量和冲击强度进行测试发现:对于TPS/PCL共混物,当TPS含量一定,随着PCL含量增加,共混物拉伸模量缓慢上升,而冲击强度则由TPS(干淀粉质量分数74%,甘油质量分数10%,水质量分数16%)的079kj/2上升至157kj/2(PCL质量分数为25%)和2 99/2(PCL质量
16、分数为40%)。各组数据表明,在热塑性淀粉中加入聚酯可以避免材料力学性能差的缺点。他们也指出,PCL对共混体系模量的影响取决于淀粉体系所处的状态。当淀粉基体为玻璃态时,加入PCL使共混物的模量降低,当淀粉基体为高弹态时,加入PCL使体系模量提高。而且,当体系中PCL质量分数为10%时,就可以明显改善共混物的力学性能,使材料的尺寸稳定性显著提高。从淀粉经发酵制的其他生物降解材料也是进年热点,美国Eldib工程和研究公司新发表的“从玉米制生物降解聚乳酸和薄膜”的研究报告中,报道了几个大型日本公司正积极实验从玉米制备聚乳酸(PLA)和再进一步生产塑料的工业化进程,产品应用有薄膜,纤维和各种注塑制品。
17、预计PLA将是淀粉工业的经济增长点。嘉吉道公司已报道PLA在成本和性能方面可以与传统材料相竞争,并建成PLA生产装置,起始能力15万,已于2002年投产。1.1.2国内研究现状我国现在已成为生产可降解塑料的主要国家之一。政府对其显示出强烈的兴趣和意愿，目前，我国也已制订了各种政策和法规，鼓励生物可降解塑料的应用。但是，从总体上看，这一行业仍处在有待于对技术进行更加深入研究、提高性能、降低成本、拓宽用途并逐渐推向市场的阶段。进入21世纪以来，保护地球环境、构筑资源循环型社会，走可持续发展道路，已成为世界关注热点和紧迫任务。生物降解塑料通过产品整个生命周期分析，已确认为环境低负荷材料。另外，相当一
18、部份生物降解塑料的主要原料是来自可年年再生的农业资源，作为有限的、日渐减少、日趋枯竭的不可再生的石油资源的补充替代，也已成为全球瞩目的发展趋势。因此，生物降解塑料已成为全球研究开发热点。生物降解塑料又分为天然生物降解塑料、微生物降解塑料和化学合成生物降解塑料几大类。天然生物降解塑料是指以天然聚合物为原料,可通过各种成型工艺制成生物降解塑料制品的一类材料。这类材料包括由淀粉、纤维素、甲壳素、大豆蛋白等天然聚合物及其各种衍生物和混合物。其中,热塑性淀粉已经产业化,其他天然材料尚处于基础研究阶段。热塑性淀粉是采用一定技术改性淀粉使其具有热塑性,再加入各种可在自然环境中降解的添加剂或与其他可生物降解塑
19、料配混,通过挤塑、注塑、吹塑或发泡等工艺加工成型的材料。有几种淀粉塑料的制备方法:(1)淀粉可塑化改性并与少量添加成分挤出;(2)淀粉与生物降解聚酯共挤出;(3)改性淀粉与共混,并使其具有热塑性。20世纪90年代中期以后,江西省科学院、中科院长春应用化学研究所、华南理工大学、天津大学、天津工业大学材料科学与化学工程学院、中科院兰州化物所、绿维新材料(深圳)有限公司、武汉华丽科技有限公司等科研单位陆续推出了热塑性淀粉生物降解塑料的研究成果,制品包括薄膜、网、片材和发泡材料,但尚未规范化进入市场。目前,武汉华丽科技有限公司已开始热塑性淀粉产品商品化生产,规模10kt/。蛋白质类的是通过采用甘油等增
20、塑剂增塑植物蛋白,可以制得可模塑的蛋白塑料。上海交通大学对大豆蛋白进行了研究,清华大学高分子材料研究所对鸡蛋膜蛋白进行了研究,但是,其应用前景还相当遥远。再生纤维素类,武汉大学化学与分子科学学院和湖北纤维厂承担国家863计划,研发了一种新的廉价的纤维素溶剂体系尿素和氢氧化钠体系,用于天然纤维素的湿法纺丝或流延法成膜,以制造纤维和薄膜。另外,湖北工学院化工系采用生物发酵法合成了茁霉多糖,并研究了它的成膜性及其膜性能,由于其极低的氧气透过率,适合用作食品保鲜包装材料,有望成为一种有前途的生物降解塑料。微生物合成生物降解塑料聚乳酸(PLA是以糖蜜等发酵制得的乳酸为原料,再通过直接缩合聚合法,或其二聚
21、体丙交酯开环聚合法等方法化学合成的。中国聚乳酸研发还处于研究阶段。聚乳酸的合成主要采用丙交酯催化开环聚合的路线。通过催化剂的研究,提高聚乳酸的相对分子质量,降低聚乳酸的成本。目前,中科院成都有机所已经能合成相对分子质量达到百万的消旋聚乳酸,这种高相对分子质量的聚乳酸有很好的力学性能。开展研究工作的有中科院长春应用化学研究所、中科院成都有机化学研究所、中科院上海有机研究所、四川大学、武汉大学、浙江大学、复旦大学、天津大学、南开大学、东华大学、华南理工大学、华东理工大学、北京理工大学等。最近,中科院长春应用化学研究所和浙江海生生物降解塑料股份有限公司正共同进行中试研究,产品性能基本达到Cargil
22、lDow公司产品水平,目前正在设计组建5000生产能力的示范生产线。另外,上海同济大学开发成功了乳酸一步法直接缩聚制备聚乳酸的工艺,并作为上海“科教兴市”重大科技产业化项目将建立年产千吨级的聚乳酸生产线。该项目是具有自主知识产权的项目。另外的研究单位还有浙江轻工业学院等。北京理工大学和原北京轻工业学院联合研究过采用化学合成的方法制备聚乳酸。在聚乳酸的应用方面中科院成都有机所、中科院长春应用化学研究所正进行聚乳酸在医疗方面的应用,制品包括医用片材、骨螺钉、手术缝合线等医用材料。中国聚羟基烷酸酯的研究最早开始于上世纪80年代中,武汉大学开展了生物合成聚羟基丁酸酯的研究,但是,工作未能进行下去,至上
23、世纪90年代初,一些单位在国内不同部门的支持下,又开始了微生物发酵法合成聚羟基烷酸酯的研究工作。主要研究单位有中科院微生物所、清华大学生物系和化工系、中科院长春应用化学研究所、山东大学、无锡轻工大学、中科院成都生物研究所、西北工业大学等,生产单位有广东江门生物技术开发中心、广东汕头华逸生物工程公司、宁波天安生物材料有限公司等。其中宁波天安生物材料有限公司已具备年产聚羟基戊酸酯(PHBV)千吨的规模。商业化生产PHBV的关键是降低成本,已有人开始利用植物的叶子或根来生产PHBV,如柳枝稷,如果这项技术成功,PHBV的价格有可能降低。化学合成生物降解塑料用微生物等方法合成的生物聚酯价格较高,是目前
24、难以普遍采用的主要障碍,化学合成便于批量生产,降低成本。化学合成法开发的生物降解塑料的主要有各种脂肪族聚酯,前者主要品种包括聚己内酯(PCL)、脂肪族聚碳酸酯(二氧化碳和环氧化合物共聚物或称聚二氧化碳)等。另外,也在开始研究脂肪族聚酯和芳香族聚酯的共聚酯。脂肪族聚酯当前,聚二氧化碳的合成研究是一个十分热门的环保课题,这一领域竞争非常激烈。中国从1985年由前期的国家自然科学基金开始立项研究,至今已近20年,主要的研究单位有中科院广州化学研究所、长春应用化学研究所、浙江大学、中山大学理工学院等。其中,中科院广州化学研究所主要采用聚合物负载的双金属催化体系(PBM),产品略带黄色,相对分子质量较低
25、。长春应用化学研究所以二氧六环作溶剂,采用三元混合稀土催化体系(稀土/烷基锌/甘油),得到了交替结构的产物,二氧化碳固定量接近50%,而且外观呈白色,硬度较高,催化效率高。浙江大学采用三元稀土催化剂(稀土/烷基铝/甘油),以二氧六环与甲苯作溶剂,得到相对分子质量较高的无规共聚物,但二氧化碳固定量低。另外,中国台湾清华大学(Chung_SungTan)也在研发PPC。内蒙古蒙西集团公司采用长春应用化学研究所的技术,已建成年产3kt二氧化碳/环氧化合物共聚物的装置,产品主要应用在包装和医用材料上;中科院广州化学研究所的技术已在江苏泰兴开始投产,品种是低相对分子质量二氧化碳/环氧化合物共聚物,用来作
26、为聚氨酯发泡材料的原材料,用于家用电器等包装。中科院上海有机化学研究所在详细研究了聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的耐水性、稳定性等的基础上,开发了高效催化体系,合成了高稳定性高相对分子质量的聚丁二酸丁二醇酯,重均相对分子质量可达到250000。另外,中科院理化研究所也在进行聚丁二酸丁二醇酯共聚酯的合成研究，售价5万/吨。脂肪族/芳香族共聚酯热塑性芳香族聚酯热性能稳定,力学性能优良,便于加工,价格低廉,自从工业化以来,已经发展成为一类用途广泛的树脂,但芳香族聚酯生物降解性很差,不能单独作为生物降解塑料使用,因此,设计合成了脂肪族/芳香族共聚酯(CPEs),使其既有脂肪族聚酯的可生物降解性又有芳香族聚
27、酯的力学性能。自20世纪80年代,尤其90年代以来,有许多研究者致力于此领域的研究,并取得了丰硕的成果。至21世纪初,一些世界著名的化学公司相继推出各种可生物降解的脂肪族/芳香族共聚酯商品。脂肪族/芳香族共聚酯原料来源广泛,其中许多是大规模工业化原料,且整个生产过程不需要另外添置设备,在现有的条件下即可进行生产,所以,不仅生产技术较成熟,而且可获得廉价的产品,有利于生物降解塑料的市场化应用。用于合成脂肪族/芳香族共聚酯的芳香族组分通常有:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PPT)、聚间苯二甲酸乙二醇酯(PEIP)和聚对苯二甲酸二甲酯(DMT)等;
28、脂肪族组分通常有乙二醇(EG)、丙二醇(PDO)、1,4-丁二醇(BDO)、环己烷二甲醇(CHDM)等二元醇和琥珀酸(Succinicacid)、己二酸(Adipicacid)、癸二酸(Sebacicacid)、富马酸(Fumaricacid)、草酸等二元酸,乙醇酸(GA)、-乳酸(LA)、二羧酸酰氯等双官能度单体及聚乙二醇(PEG)、聚四氢呋喃(PTMG)、PGA、PLA、PCL等聚合物。合成脂肪族/芳香族共聚酯有3种常用的方法:PET等芳香族组分与PEG、PGA、PLA、PCL等聚合物直接在高温、高真空度下进行酯交换反应;将二元醇、二元酸等与DMT一起投入反应釜中,先在相对较低的温度下进行
29、酯交换反应,然后再升高温度、提高真空度,进行熔融缩聚反应;将对苯二甲酸乙(丁)二醇酯或其衍生物与二羧酸酰氯等溶解在有机溶剂中,在适宜的温度下进行溶液缩聚。国内研究脂肪族/芳香族共聚酯材料的单位有北京理工大学、成都有机研究所等,但目前还未见有商业化产品推出。四川大学采用可完全生物降解的脂肪族聚酯聚对二氧环己酮和价格低廉的天然可再生资源淀粉进行共混复合得到的一种可完全生物降解材料。聚对二氧环己酮在众多的脂肪族聚酯中具有优异的综合性能，因为在聚对二氧环己酮的结构单元中除了具有给它带来优良生物降解性的酯键以外，还具有独特的醚键，这使得聚对二氧环己酮在具有很高的强度的同时拥有非常好的韧性，这一点是其它脂
30、肪族聚酯无法相比的。高分子量的聚对二氧环己酮的拉伸强度也可达到40MPa以上, 而断裂伸长率可达到300以上。性能如此优异的生物降解材料为什么没有得到广泛的应用呢？其最主要的原因是PPDO在国际和国内市场的售价非常高，只能用于医用材料领域，难以迎合通用材料的需求。而四川大学化学学院从源头着手控制其成本。首先以一缩乙二醇为原料(国外已开始通过生物技术从天然生物质原料获得该原料的研究)合成出了低成本的对二氧环己酮,为获得低成本聚对二氧环己酮奠定了坚实的基础。采用新型催化剂，使一缩乙二醇经一步反应即可得到产品，收率大于95(国外最高达90%)；催化剂稳定性和重现性好，寿命长，可连续使用60天以上，而且用后可回收他用(国内外未见报道)；单体纯化工艺短，耗能低，收率高，高达90%以上(国外低于90%)，可制得高纯度对二氧环己酮，成本远比国外同
