让化纤摆脱石油“基因”

石化资源还可供人类开采多少年？最新数据显示，根据已经证实的储量，石油还可开采40年，天然气约60年，煤炭资源在200年左右。不过是两三代人的时间，这样具体的数据足以带给人类前所未有的紧迫感。化纤近十年来发展势头强劲且正当其时，但致命的是，90%以上的化纤产品依赖于石油资源。行业如何实现可持续发展在多方深入思考论证之后，一条“光明大道”出现在行业面前——发展生物质纤维及生化原料产业。生物质纤维及其原料的发展，对于化纤行业减少对石油资源的依赖，实现可降解、循环可再生、低碳经济等，都具有重要的战略意义，特别是对我国解决三农问题、城乡二元结构、巩固纺织工业的支柱地位等都具有更加现实和深远的意义。一个具有重要意义的事件是，在今年6月召开的第五届中国生物产业大会上，业内人士首次提出“中国生物质纤维及生化原料科技与产业发展30年路线图”，并就此进行了深入探讨。中国化纤工业协会名誉会长郑植艺告诉记者，生物质纤维及生化原料所具有的独特优势，使之成为化纤产业实现低碳、可持续发展的必经之路。生物质纤维及生化原料产业将保持经久不衰的旺盛生命力，其涵盖的宽广领域，能够为各种类型的生产企业、科研院所、信息单位、贸易商等提供具有诱惑力的发展空间。另一方面，由于生物质纤维及生化原料在世界范围内还处于起步阶段，考虑到生化技术发展的特点及产业化的现实状况，“十二五”重点还是打好基础、作好引导。应用纤维素还要破除障碍业内已经明确，发展生物质纤维及生化原料的终极目标，是实现原料替代与过程替代。同时，采用传统方法实现纺织化纤产品差别化发展已经走到了尽头，生化技术将为产品差别化带来新的突破。根据30年路线图初步规划：到2020年纺织化纤行业使用生物质纤维实现原料替代5%，2030年达10%，2040年将达20%，届时纺织原料格局将更加多元化，资源瓶颈将得到有效缓解。纤维素是自然界赋予人类的最丰富的高分子物质，它不仅来源广泛，而且是可再生的资源。据科学家估计，自然界通过光合作用每年可产生几千亿吨的纤维素。然而，只有大约60亿吨的纤维素被人们所使用。纤维素在应用开发中的最大障碍，是天然纤维素具有较高的结晶度，同时分子间和分子内存在大量的氢键，使其不溶于大多数有机溶剂。以麦草、稻草等农作物秸秆纤维为例，其纤维短小、不均匀性突出；纤维含量少，杂细胞多；灰分含量高，硅含量大。从目前常用的植物原料看，棉短绒中的纤维素含量最高，大于95%，而木材中的纤维素含量只有40％～50％，竹、秸秆中纤维素含量更低。如何高效、清洁、经济地从天然资源中分离制备纺织纤维？这个大难题吸引了多方人士的关注。据中国科学院过程工程研究所陈洪章研究员介绍，其所在的课题组在秸秆溶解浆及生化原料的制备方面取得了阶段性成果。他们突破了单一组分利用，以蒸汽爆破为核心技术，实现了秸秆组分分离，充分运用组分分层多级转化技术，实现了秸秆资源的生物量全利用，并对多产品的生态产业链进行试验开发。虽然取得了一些进展，但对自然界资源的利用技术还有待开发。因此，秸秆高效低能耗预处理技术、生物法汉麻综合处理技术、高效低成本纤维素菌和酶生产技术、离子液体新介质应用于纤维素生产高值化产品技术等10项技术，已被作为行业共性的技术与基础进行研究。多路径尝试替代粘胶法用生化技术实现“过程替代”，使生产过程更加高效、清洁，减少对能源的使用和对环境的危害，对耗能高、污染大的化纤行业而言，意义不言而喻。从19世纪末发明粘胶法生产再生纤维素纤维至今，100多年过去了，各种生产生物质纤维的新技术不断涌现，然而从纤维的产量比例来看，粘胶法依然占据着不可动摇的主导地位。虽然粘胶行业在清洁生产上取得了明显进步，但还不能完全消除制浆过程中产生的黑液对环境的污染。正是为了彻底解决这一问题，业内愈挫愈勇，多年来不间断地探索环保高效的新途径。目前看来，在行业内已经形成一定气候的、环保生产再生纤维素纤维的途径，一是新溶剂法即Lyocell（莱赛尔）途径，代表企业有上海纺织（控股）集团，中国纺织科学院与新乡化纤；二是离子液法，由山东海龙重点研究；三是最近引起业内高度关注的水体系低温溶解法，由武汉大学张俐娜教授带领的团队研发。采用溶剂法生产纤维素纤维已经在国内研究了若干年，但进展缓慢。即使已经形成了千吨级的产业化规模，但在经济效益、技术成熟度方面还需要更多考量。专家分析认为，采用溶剂法生产纤维素纤维的难点，一是该工艺对原料的要求高，没有后期调节的空间；二是溶解过程短，脱水的范围窄且连续；三是纺丝必须采用干喷湿纺的工艺路线，纺丝液具有极高的粘度；四是作为溶剂的NMMO本身有一定的不稳定性，需采取一系列安全措施；五是溶剂回收要满足高回收率和节能的要求，只有当其回收率大于99％时，才有工业化生产的经济价值。目前，国外兰精公司仍是唯一具有大规模Lyocell（莱赛尔）纤维生产能力的公司，2010年其新增了1万吨产能，达到14万吨规模。采用7%氢氧化钠（NaOH）/12%尿素水溶液，该溶剂冷却到零下12℃时，能迅速溶解纤维素（其分子量在1.2×105以下），溶解时间仅需2分钟，达到纤维素历史上最快的溶解速度，这就是武汉大学张俐娜教授为首研发的水体系低温溶解法。据了解，该途径比粘胶法的成本略低，对生产装备也没有特殊要求。张俐娜由此获得国际纤维素与可再生资源材料领域的最高奖项——安塞姆·佩恩奖。目前，经过与相关企业合作，该路线已取得初步工业化试验成果。在中国工程院相关院士的建议下，张俐娜的团队正与唐山三友兴达化纤展开合作，未来前景值得期待。改造量大面广的合成纤维聚酯涤纶占中国化纤产业近90%的份额，但其原料来自不可再生的石油资源，产品难以降解。据业内人士测算，2009年中国涤纶行业消耗原料折合原油2.45亿吨，2015年这一数据将达到3.468亿吨，进口依存度在60％以上。若能用生物技术对这一量大面广的传统行业进行改造，其意义可想而知。事实上，目前部分企业和科研院所通过技术革新，已经使聚酯纤维这一传统的石油衍生品拥有了生物特征。自长春大成集团利用玉米为原料，成功开拓世界上第三条以玉米为资源生产生物基二元醇的工业化路线后，聚酯行业的生化革命正在展开。海天集团与长春大成展开合作，利用生物基乙二醇替代传统石油基乙二醇，制得具有优异性能的新型聚酯PDT，并以Socorna作为PDT纤维、纱线和纺织品的商品名称。根据记者了解，目前Socorna产品推广十分顺利，尤其在近期原料价格剧烈波动的刺激下，下游对于这种生物基聚酯产品的接受程度更高。目前大成集团正在建设1万吨/年的PDT聚合装置，并计划在明年推出利用玉米秸秆生产生物基二元醇的第二代技术。从行业规划可以看出，生物质合成纤维“十二五”将重点发展PTT、PLA、PHBV、PBS纤维等，即平时所指的新型聚酯纤维。今年4月，PTT系列纤维及高附加值面料制造关键技术及产业化科技成果鉴定会在江苏阳光股份有限公司召开。经过多年发展，PTT纤维及产业化应用逐渐成熟。同时，长期制约PTT纤维产业发展的原料PDO（1，3-丙二醇），在制备生产上也取得了可喜的进步。如江苏盛虹集团不仅拥有3万吨/年的专业化PTT纺丝生产线，还建设了PTT聚合生产线，同时生产原料1，3-丙二醇，形成完整的PTT产业链，打破了国外垄断。截至目前，PHBV纤维研究仍仅限于实验室阶段。研究表明，PHBV材料固有的脆性较大、机械性能差和可加工温度范围窄的缺点，可通过共混和共聚方法优化其化学和物理结构，从根本上解决其成型加工问题，为通过熔融纺丝法直接制备功能性生物质纤维提供了理论和技术基础。在今后5~10年内，我国国内将形成一个以PHA、淀粉基、PLA、PBS降解塑料为主的销售大市场，年产值达几百亿元。在药物控制释放材料和骨固定材料及人体组织修复材料等方面，年产值也将至少有几十亿元；在生态纤维制品方面，如能开发并生产出优质的纤维制品，将有年产值百亿元的市场销售空间。此外，生物质纤维的触角已经延伸到海洋资源的利用上，源自广阔海洋的壳聚糖纤维等由于资源丰富、功能优越、产品可再生可降解等特点，被越来越多的领域所关注。国内经过长时间的研究应用，目前已经形成了200吨/年的中试生产线并顺利投入生产，并有企业正在加快建设2000吨/年的纤维生产线。业内人士已经看到，在改造传统化纤产品过程中，生物技术缓解资源瓶颈、解决环保问题的作用将逐渐凸显；同时，竹纤维、海藻纤维等利用自然界丰富的可再生资源制备的生物质纤维，将作为传统化纤产品的重要补充，丰富化纤家族，满足社会需求。（中国纺织报）