基于聚对二氧环己酮的生物分解材料

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　　项目负责人 ：
　　王玉忠教授、博士生导师、四川大学生物基与环境友好材料工程技术研究中心主任、降解与阻燃高分子材料四川省重点实验室主任、四川大学化学学院副院长。是入选的“新世纪百千万人才工程”国家级人选、国家杰出青年基金获得者、“长江学者”特聘教授，中国工程院光华工程科技奖青年奖获得者。
　　
　　项目介绍
　　据统计，全世界每年塑料产量约3亿吨，其中我国每年塑料使用量占到世界总产量的 1/10。大量不可降解的塑料制品在废弃后给环境带来了巨大压力，造成日趋严重的“白色污染”问题。采用能在自然环境中完全降解的塑料来替代那些不易回收或回收后没有利用价值的一次性使用塑料，是解决该问题的有效途径。从上个世纪末以来，世界各国对环境保护日益重视，欧美等发达国家纷纷制定强制性的标准和法规，而我国也提出了“绿色奥运”的理念，这些都为可完全生物降解塑料产业的高速发展提供了良好的契机。国际可生物降解聚合物协会 (IBAW) 的最新研究报告预计，到2020年全世界可生物降解塑料用量将占到塑料总用量的30%左右，这将是一个非常巨大的市场。目前国内外已有不少可生物降解聚合物产品问世。然而，现有可完全生物降解塑料，要么成本高，要么综合性能差，急需开发出成本与普通塑料相当、综合性能好的可完全降解塑料。
　　聚对二氧环己酮（PPDO）是一种脂肪族聚醚酯，其分子结构中既含酯键又有醚键，除具有优异的生物降解性外，还兼具有优异的物理机械性能的热性能，已被成功应用于制造外科缝合线等医用材料，具有优异的可生物降解性和可吸收性。但是，因其高成本和成形加工性能差而未能在一次性使用的塑料领域得到应用。存在的主要问题包括：现有单体对二氧环己酮（PDO）的生产成本高 ；因PDO结构较其他内酯稳定，当采用内酯开环聚合通用的催化剂时，聚合时间长或单体转化率低，从而使PPDO的成本提高 ；因对成形加工环境条件敏感、熔体强度低等而使成形加工性能差，特别是难于通过吹塑成形生产膜制品。四川大学降解与阻燃高分子材料研究中心在国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、国家重点科技攻关计划项目和国家“863”计划项目的支持下，历时14年，成功地研究开发出低成本和综合性能好的基于PPDO的生物分解聚合物材料。从合成单体PDO的源头做起，直到形成最后的降解塑料产品，攻克每一个环节的关键技术，实现了整体技术的突破。首先从PDO合成入手，研究新的合成方法和工艺，特别是研制出高效、长寿命催化剂，突破单体成本瓶颈；研究聚合催化体系和新的合成方法，可在较短时间内获得较高分子量PPDO，从而降低PPDO成本。另一方面，针对PPDO固有的降解稳定性和加工成形性差的缺点，通过扩链及与各种生物降解聚合物共聚反应、纳米复合等对其进行改性，显著改善了产品的综合性能，大幅度提高了产品的性能价格比，使其在同类产品中具有很强的竞争力。
　　本项成果拥有从制备PDO单体到PPDO的均聚与共聚、纳米复合与共混、成形加工、制品及控制其降解速率等方面的完整的知识产权，目前已申请发明专利14项，其中已授权9项。该技术可广泛应用于一次性使用的塑料制品（如快餐盒、饮料杯、育秧钵、各类托盘、包装膜、购物袋、包装袋、垃圾袋和农地膜等）。经专家鉴定，该技术“属国内外首创”，“整体技术达到国际先进水平、核心技术处于国际领先水平”。该成果获得了2006年度高等学校科学技术奖技术发明一等奖。
　　
　　技术专家点评
　　
　　许国志
　　 教授，北京工商大学材料科学与工程系主任、轻工业塑料加工应用研究所所长，兼任国家塑料制品质量监督检验中心主任、全国塑料制品标准化技术委员会副主任、全国塑料加工工业信息中心主任、《中国塑料》编委会副主任委员、中国塑协降解塑料专业委员会副会长等职。曾主持多项国家级、省部级科研项目并获省部级科技进步二、三等奖，两次获得轻工业部颁发的“国家科技攻关重大贡献奖”。目前正在承担“十一五”国家高技术研究发展计划（“863”计划）“全降解保水地膜”课题的研究。
　　
　　环境与能源问题是目前制约我国经济持续、健康发展的关键因素。由于一次性塑料制品的广泛使用，带来了严重的污染问题。而国内市场上标明可降解的塑料制品基本上是生物崩解材料，并不是真正意义上的完全降解产品，仍会对环境带来二次污染。采用可生物降解聚合物来生产降解产品，是解决“白色污染”问题的有效途径之一，也成为各国大力发展的一个方向。据预测，到2010年可生物降解塑料的市场规模将增加到130万吨，生产能力将达到100万吨。但纵观目前市场上和处于开发中的各种可生物降解塑料产品，其高昂的生产成本是制约其发展和推广的最大瓶颈。同时，现有的大部分可生物降解聚合物在某些性能上与传统的非降解聚合物如聚烯烃相比还有较大的差距。
　　由四川大学降解与阻燃高分子材料研究中心王玉忠教授项目组开发的具有自主知识产权的聚对二氧环己酮基可生物降解聚合物项目，在如何提高生物降解聚合物性能以及降低其成本方面进行了大量卓有成效的工作，开发了多项专利技术，实现了整体的技术突破。他们首先从解决单体来源入手，通过研制的新型高效的催化体系可一步得到高转化率及高收率的对二氧环己酮单体；然后又通过使用复合催化体系、新型聚合方法以及纳米复合、共聚、外加稳定剂等方法，解决了聚对二氧环己酮（PPDO）成本较高、加工性能较差以及降解稳定性的问题。这些制约其推广应用的关键性问题的解决，使聚对二氧环己酮基生物降解聚合物具有了真正实际的应用价值和前景。
　　四川大学该项目研究成果对提升我国可完全降解产品的整体水平，丰富我国可完全降解聚合物的品种，加快国内降解产品的升级换代具有重要的意义。
　　
　　投资专家点评
　　
　　邱立平
　　国防科技大学自动控制学学士和系统工程学硕士，麦顿投资公司合伙人之一，曾在美林证券和贝尔斯登工作。
　　麦顿投资公司是一家专门在中国从事直接投资业务的海外私募股权投资基金管理公司，目前已在中国投资了八家企业，其中分众传媒、天合光能已分别在美国纳斯达克和纽约证券交易所上市。
　　
　　与现代物质文明同时发展起来的塑料工业给人们带来巨大的方便和好处，但大量废弃的塑料制品在自然界极难降解，造成生存环境日益严重污染。在发达国家中研究生物降解塑料已成为许多学科关注的热点，成本低、综合性能好、无污染的可完全生物降解的塑料材料一旦得以广泛应用和普及，不仅会带来巨大的经济效益，而且对改善环境质量有着深远的影响。
　　由四川大学降解与阻燃高分子材料研究中心王玉忠教授项目组开发的具有自主知识产权的基于聚对二氧环己酮（PPDO）的生物分解材料，成本较低，综合性能好，大幅度提高了产品的性能价格比，使其在同类产品中具有很强的竞争力。该技术可广泛应用于一次性使用的塑料制品，具有一定的投资前景。
　　由于现有可完全生物降解塑料和传统塑料的成本差异比较大，可完全生物降解材料在各个领域大规模使用还需要一段时间，这还需要国家加大对技术研发的投入，并进一步加强环境保护方面的立法和制定行业强制性的标准。
　　对于计划在可生物降解聚合物领域发展的公司来说，拥有一支优秀的创业管理团队是项目产业化成功的最关键因素。同时，优秀的营销队伍和有效的营销策略也是技术型企业通常不可缺少的。另外，在可生物降解聚合物产业的发展中还有更多需要考虑的因素，包括核心技术优势与产品竞争优势；市场进入壁垒；来自政府政策和总体法规环境的支持程度。以上几个因素都是项目方在产业化投资过程中应该重视的内容。

　　
　　市场专家点评
　　
　　翁云宣
　　 材料科学与工程学硕士，中国塑协降解塑料专业委员会秘书长、国家塑料制品质量监督检验中心副主任、全国塑料制品标准化中心生物分解材料工作组常务主任、轻工业塑料加工应用研究所检测中心副主任。从1996年至今，主要从事塑料降解与老化方面的研究。2001年，发起成立了中国塑协、全国塑料制品标准化中心生物分解材料工作组（BMG），主要从事降解材料尤其是生物分解材料的标准、测试、研发以及行业交流活动 ；2002年入选北京市科技新星（A类）计划；2005年起任中国塑协降解塑料专业委员会秘书长。
　　
　　从20世纪80年代，国外开始研发生物降解塑料。生物降解塑料是指在有氧或缺氧条件下，能被微生物降解为二氧化碳（CO2）或甲烷（CH4）、水（H2O）、所含元素的矿化无机盐以及新的生物质的一类塑料。至上世纪90年代末，一些发达国家如美国、日本、比利时、意大利、德国等国家初步实现了生物降解塑料的规模化生产和应用。目前，美国Natureworks LLC公司已经建立了14万吨聚乳酸产能工厂，德国BASF也建立了年产1.4万吨聚酯（商品名ecoflex）产能工厂，意大利Novamont公司的生物降解塑料制品的年产量也超过了2万吨，国内也有几个公司建立了千吨规模的生物降解塑料生产能力的工厂。按照欧洲生物塑料协会预计，2010年传统聚合物的用量将达到5500万吨，而生物降解塑料的用量届时会达到50万～100万吨。生物降解材料最终可能会占据10％的市场份额。
　　但目前，实现工业规模化生产的企业并不是很多。市场不能得以迅速发展，其影响因素主要有技术成熟性、产品成本、行业尚未形成规模效应、尚缺乏强有力的政策或法规支持、社会环保意识和垃圾处理系统不够完善等。但制约产业发展的其中一个原因就是目前生物降解塑料原料成本较高和加工性能尚需完善。因此，谁首先解决了成本和加工的瓶颈问题，无疑就将占据市场的制高点。
　　四川大学王玉忠教授项目组所开发的聚对二氧环己酮基可生物降解聚合物材料具有自主的知识产权，在可生物降解聚合物材料的低成本化和高性能化取得了重大突破，顺应了这类材料的发展需求和趋势，一旦实现大规模生产和应用，不仅可以打破国外产品的垄断地位，同时还具有较高的经济和社会效益。但从投资的角度上看，还存在着一些不可预知的技术风险，需要国家制定强制性的标准和法规，加大对可完全降解产品的推广力度，尽快培育出成熟的降解产品应用市场，为聚对二氧环己酮基可生物降解聚合物材料的产业化创造有利条件。
　　
　　编辑札记
　　近年来，我国的塑料制品消费量呈较快的增长趋势。人们在享受塑料制品给生活带来好处的同时，也注意到了废旧塑料对生态环境的破坏日益加重。面对“白色污染”的迅猛蔓延，许多有识之士纷纷献计献策，提出种种治理措施。随着石油资源的不断减少和人类对环境保护的重视，符合潮流的、废弃后可以在堆肥条件下被微生物分解为二氧化碳、水等小分子的生物降解塑料，作为高科技产品和环保产品正成为一个研发热点，并愈来愈受到社会各界的重视。
　　由四川大学降解与阻燃高分子材料研究中心王玉忠教授项目组开发的具有自主知识产权的聚对二氧环己酮基可生物降解聚合物材料，其整体技术达到国际先进水平、核心技术处于国际领先水平，对提升我国可完全降解产品的整体水平，加快国内降解产品的升级换代具有重要的意义。同时，该材料成本较低，综合性能好，大幅度提高了产品的性能价格比，在同类产品中具有较强的竞争力。
　　市场需求推动着科技进步，同时政府对市场调控力度的加强，也将快速推动一个新产业的建立。利用我国举办奥运会和世博会的契机，在我国大力发展可降解塑料产业具有广阔的前景，不仅有助于解决由普通塑料带来的白色污染问题，而且有益于环境保护，展示我国的环保水平，经济效益和社会效益十分明显。当然，发展新行业并不是一个简单的事情，在这个过程中，对于计划在可生物降解聚合物领域发展的公司来说，需要多方合作，整合各种资源，把握好时机，才能在这个事业中占据良好的市场地位。

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