生物基化學纖維發展現狀與展望

王永生，李增俊

(中國化學纖維工業協會 生物基化學纖維及原料專業委員會，北京 100000)

我國是化纖生產大國，新時代下正在向化纖強國邁進。2018年我國化學纖維產量達5 011萬t，其中合成纖維產量為4 562.6萬t，占世界化纖總量的70%以上，化纖工業的強國地位初步顯現[1]。但是，在化纖工業快速發展的同時，我們也看到了占化纖總量90%以上的是合成纖維，其原料來源于石化資源，產能的快速提升將帶來資源枯竭、環境污染等難題，威脅到環境以及人類的健康和可持續發展。生物基化學纖維作為有望緩解資源危機和環境污染的纖維新材料，其原料來源于植物和微生物有機體，如糖類、蛋白質、纖維素及酸、醇、酯等有機物，再經過高分子化學、物理技術及紡絲工藝等工序制備[2]。因其具有源于可再生資源、部分使用后可自然降解等優點，因此大力發展生物基纖維新材料將對我國綠色、循環、可持續發展具有重要意義。

1 我國生物基化學纖維產業發展現狀

根據原料來源和加工工藝不同，生物基化學纖維可分為生物基新型纖維素纖維、生物基合成纖維、海洋生物基纖維和生物蛋白纖維四大類[3]。經過近幾年的快速發展，產業化關鍵技術不斷突破，產品種類激增，產品經濟性增強，顯示出強有力的發展勢頭。溶解性纖維(Lyocell)、竹漿纖維、麻漿纖維；聚乳酸 (PLA) 纖維、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纖維；蛋白復合纖維、殼聚糖纖維、海藻酸鹽纖維等品種已經實現產業化生產，具體品種產能變化情況見表1。

表1 生物基化學纖維品種分類及產能變化一覽

1.1 新型纖維素纖維

1.1.1 新溶劑法再生纖維素纖維

根據國際人造絲及合成纖維的定義，以天然纖維素為原料，用有機溶劑直接溶解紡絲工藝制備的纖維素纖維屬于Lyocell纖維[4]，通常指N-甲基嗎啉-氧化物(NMMO)溶劑法纖維素纖維，又稱新溶劑法再生纖維素纖維。產品可分為普通型Lyocell纖維、交聯型Lyocell纖維和超細型Lyocell纖維等品種，目前國內以普通型Lyocell纖維生產為主。我國Lyocell纖維產業發展現狀如表2所示。

盡管傳統纖維素纖維產能占比在90%以上，但隨著國內Lyocell纖維的規模化投產和技術成熟度提升，加上粘膠法纖維素生產纖維工藝的環保壓力加大，Lyocell纖維已成為再生纖維素纖維行業重要的發展方向，規劃產能已超過100萬噸/年。與現有的粘膠法纖維相比，Lyocell纖維可實現高聚合度、高結晶度，從而使纖維具有較高的干濕強度、高的濕模量、干濕強度相差小、收縮率低等特性，這些優點彌補了常規粘膠的缺點，保證了其制品具有較好的尺寸穩定性，主要用于高端西服、針織服裝、休閑服及內衣等領域，近年來已擴展到裝飾用等產業用紡織品領域。普通型Lyocell纖維易原纖化，即纖維表面分裂出細小的微纖維(直徑1～4 μm)，若較大原纖化不及時處理，會影響穿著和觀感。相反，可以利用原纖化效應生產常規纖維不能得到的類似桃皮絨表面效果的面料。

1.1.2 新資源再生纖維素纖維

我國制造纖維素纖維的原料嚴重不足，進口依存度達60%以上，近幾年我國相繼研發出以竹、蘆葦、秸稈、麻稈及甘蔗渣等原料的新資源型纖維素纖維[6]。其中，目前最為成熟的是竹漿再生纖維素纖維和麻漿再生纖維素纖維，這兩種纖維為我國自主研發成果，是生物基化學纖維行業的重大創新，很大程度緩解木漿原料需求不斷增長問題。

表2 我國Lyocell纖維產業發展現狀

注：*數據來源于中國化學纖維工業協會，單位是噸/年。

竹漿纖維因其具有鋸齒截面和縱向溝槽特點，具有較高的吸濕速率，被稱為“會呼吸的纖維”，同時具有強力高、耐磨性好、天然抑菌等特性，適用于貼身織物面料、無紡衛材和家紡制品等方面[5]。目前，生產規模達12萬噸/年，其中河北吉藁化纖有限公司已經建成10萬噸/年的生產線，并成立天竹品牌聯盟，形成產業聯動合作和品牌效應。

麻漿纖維通常是指對天然黃麻、紅麻進行處理制得的纖維素纖維[7]，該纖維保留了天然麻纖維的吸濕透氣、抑菌防霉等特點，已成功用于毛衫、內衣、高檔西裝等服用紡織品，床單、被罩、窗簾、毛巾等家用紡織品，病服、防護服等醫用紡織品。目前，恒天海龍濰坊新材料有限公司、山東銀鷹化纖有限公司及河北吉藁化纖有限公司都具有生產麻漿纖維的能力，總產能在5 000噸/年左右。

2 生物基合成纖維

生物基合成纖維是指纖維中含有生物基成分的聚合物纖維。根據當前產業技術及產品特點，可將生物基合成纖維分為可降解生物基合成纖維，如聚乳酸纖維、PHBV/PLA、PBS、PEF纖維；非降解生物基合成纖維，如生物基PA56、PTT、PDT纖維。

2.1 可降解生物基合成纖維

2.1.1 聚乳酸纖維

聚乳酸纖維是指以玉米、木薯淀粉及甜菜等為原料，經發酵制備乳酸，再通過先進聚合技術、熔融紡絲制備一種完全生物降解的合成纖維，產品具有良好的抑菌、阻燃、生物相容性和生物可吸收性等特點，已成功應用于服裝、家紡和衛生醫療制品等領域[8-9]。

我國聚乳酸纖維起步雖晚，但發展勢頭強勁，應用領域不斷擴大(表3)。國內多家企業已經紛紛涉足聚乳酸產業，其中吉林中糧生物材料有限公司建設年產15萬噸/年的聚乳酸，一期工程1萬噸/年于2018年10月投產；安徽豐原集團有限公司已于2017年著手建設年產15萬t乳酸、10萬t聚乳酸加工項目。未來，聚乳酸纖維將會成為最可能實現商業化廣泛推廣的生物基可降解纖維。

表3 我國聚乳酸纖維產業發展現狀

注：*此數據含差別化纖維的生產數量。

2.1.2 PHBV和PLA共混纖維

聚羥基丁酸羥基戊酸酯 (PHBV)由于具有優異生物相容性和可降解性，獲得國內外學者的青睞，但由于其原料加工窗口窄，易于熱降解且熔體黏度大，故可紡性較差。近幾年，通過共混改性技術，經過熔融紡絲制備PHBV/PLA共混纖維，產品具有真絲光澤和手感，可應用于高檔服裝、衛生護理及醫衛材料領域。寧波禾素纖維有限公司與中國科學院寧波材料技術與工程研究所、香港理工大學就PHBV/PLA復合纖維進行產業化技術及應用突破，纖維產能在1 200噸/年。

2.1.3 脂肪族可降解聚酯(PBS)纖維

以纖維素、奶業副產物、糖類等可再生農副產物經生物發酵制備的脂肪族二元酸、二元醇，經聚合技術制備PBS。因其分子量較低、熔點較低、力學性能差，在纖維領域應用受到限制，但在熔噴、靜電紡絲等領域，已實現產業化。近幾年，對PBS共聚改性制備聚對苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯(PBST)與PLA共混，經熔噴工藝制備非織造布材料[10]。

2.2 非降解生物基合成纖維

2.2.1 PTT纖維

PTT纖維是以生物基1，3-丙二醇與對苯二甲酸(PTA)聚合制備。其中生物基1，3-丙二醇(PDO)原料來源于木薯淀粉及甘油等非糧原料。PTT纖維有良好的回彈性、拉伸回復性、柔軟性和懸垂性好，可使用分散染料對PTT纖維進行染色，其性能綜合了尼龍的柔軟性、腈綸的蓬松性、滌綸的抗污性，產品廣泛用于地毯、時裝、T恤、牛仔和泳裝等[11]領域。在“十三五”期間，我國PTT纖維產業發展迅速，形成了具有自主知識產權的1，3-丙二醇制造技術。2013年，張家港華美生物材料有限公司成功投產，2017年該公司在江蘇連云港投資建設30萬噸/年的PTT差別化纖維項目。江蘇盛虹科技股份有限公司利用生物柴油副產物粗甘油發酵生產1,3-丙二醇產業化項目為基礎，建設了5萬噸/年生物質差別化纖維項目，開發的PTT/PET復合纖維，應用于高端運動材料領域，獲得良好的市場反應。

2.2.2 PA56纖維

PA56纖維是采用生物法戊二胺與己二酸為原料，合成的新型生物基聚酰胺纖維，聚合物單體少，不需要萃取，可采用熔體直紡技術制備纖維。纖維具有良好的力學性能和染色性能，并有一定的本質阻燃性，可廣泛用于服裝、裝飾和產業用領域[12]。我國在生物基聚酰胺領域發展很快，凱賽生物產業技術有限公司突破了生物法戊二胺技術瓶頸，先后在山東金鄉建成了年產千噸級生物法戊二胺和生物基聚酰胺中試生產線。在新疆烏蘇建設年產5萬噸級戊二胺和10萬噸聚酰胺產業化裝置，這是全球第一條萬噸級戊二胺生產線。優纖科技(丹東)有限公司已建成了2萬噸/年的聚酰胺56紡絲生產線，并與中國軍事科學院系統研究院軍需工程技術研究所等一起進行產學研用研究開發。山東壽光巨能金玉米開發有限公司采用中科院天津微生物所技術開發出了PA56鹽，可直接用于PA56聚合及纖維生產。

2.2.3 生物基PDT纖維

生物基PDT是一種含有生物基多組分二元醇與對苯二甲酸(PTA)合成的聚合物，再經熔融紡絲制備成纖維。與PET纖維相比，具有更柔軟的手感、優異拉伸回彈性、低溫染色性和良好的抗靜電性。早些年，國內大成集團針對植物基乙二醇與福建海天集團、宏遠興業開展合作開發PDT纖維材料[13]，取得了一定的成果。

2.2.4 PEF纖維

PEF以2，5-呋喃二甲酸為原料，是以果糖或半纖維素等自然資源提取制備。目前原料提取技術已實現突破，但聚合物FEF顏色問題未解決，依然處于基礎研究階段。

2.3 海洋生物基纖維

海洋生物基纖維是指以海洋中蘊含巨大的原料資源，經精制提煉出多糖后，通過濕法紡絲技術制備的天然生物質再生纖維，這種纖維擁有環保、無毒、阻燃、可降解、生物相容性好、資源來源豐富等特點，在醫療、衛材、吸附材料領域具有較大的優勢[14]。當前，海藻纖維和殼聚糖纖維已經實現規模化制備。

海藻纖維極限氧指數(LOI)>45%，同時具有優異的防輻射、生物相容及生物可降解特點，已經從基礎研究向醫用敷料、止血紗布、工業服裝等領域拓展。青島源海新材料科技有限公司(青島康通)采用自主知識產權和自行設計的產業化生產線，2017年產能為800噸/年，纖維可以滿足各種紡織加工要求，2018年建成了年產5 000 t級的海藻纖維產業化生產線，目前處于準備投產階段。此外，廈門百美特生物材料科技有限公司產能200噸/年、廣東百合醫療科技有限公司產能40噸/年、青島明月生物醫用材料有限公司產能100噸/年、紹興藍海纖維科技有限公司產能50噸/年。

殼聚糖纖維是一種以蝦、蟹殼為原料制備的一類纖維，產品具有天然抗菌、高吸水、止血促愈的特點。目前，國內海斯摩爾生物科技有限公司、天津中盛生物工程有限公司為主要生產企業，總產能在2 500 噸/年左右。產品主要用于護理類衛材、醫用敷料、藥物載體及戰備急救等領域。

2.4 生物蛋白質改性纖維

生物蛋白質改性纖維是指在化學纖維制備過程中，通過共混、接枝等手段加入大豆、牛奶、羊毛和絲素蛋白而得到的改性化學纖維[15]。蛋白改性纖維除原有纖維的性能外，還具有某些蛋白的特性，如吸濕性好、舒適性優異及生物相容性良好，此材料不僅廣泛用于內衣、家紡、女性專用衛材，還可用于生物、醫學等領域。我國生物蛋白改性纖維起步于20世紀末，上海正家牛奶絲科技有限公司以聚丙烯腈為單體，通過化學接枝改性技術開發出牛奶蛋白改性聚丙烯腈纖維，產能在1 000噸/年。浚縣官奇大豆蛋白絨纖維有限公司以大豆蛋白與聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯腈(PAN)(主要是PVA)的共混制備大豆蛋白改性纖維[16]，產能在500噸/年，產品已經開發到第三代。四川宜賓絲麗雅股份有限公司以蠶蛹蛋白提純配制成溶液，按比例與粘膠共混，經濕法紡絲形成具有皮芯結構的纖維。恒天海龍濰坊新材料有限公司以羊毛廢料為原料提取有效蛋白成分對纖維素粘膠原液改性，經濕法紡絲及噴絲組件結構設計，制備的“C”型中空羊毛蛋白復合再生纖維素纖維，產品具有吸濕發熱、抗菌抑菌等特點，產能在1 000噸/年，在市場已獲得良好反應。

3 生物基化學纖維產業發展政策

生物基材料穩步發展，相關政策發揮著重要的推動作用。當前，《中國制造2025》和“十三五”國家發展規劃等重要戰略，推動了生物基材料的規模化發展，帶動了企業傳統轉型升級，促進了生物基材料在各領域的應用。

3.1 國家層面的政策引導

1)2014年1月，《國家生物基材料重大創新發展工程實施方案》，重點支持生物基材料在農用地膜、日用包裝材料、紡織化纖、工程塑料等方面的應用。建立從生物質原料到聚合物材料的產業鏈，推進生物基材料的規模化應用，以替代化石原料、解決廢棄塑料引起的白色污染、緩解我國以傳統化石資源為基礎的工業原料短缺問題。

2)2015年3月，國家發展和改革委員會和工業和信息化部聯合發布《國家產業振興與技術裝備改造專項》中的非金屬材料改造升級專項，提出利用聚乳酸纖維、殼聚糖纖維、海藻酸鹽纖維、甲殼素復合纖維、新型纖維素纖維等生物基纖維原料的醫療衛生用紡織材料。

3)2015年8月，國務院公布的《中國制造2025》提出全面推行綠色制造為9大重點任務和重點之一。在重點領域中，將大力推動生物基材料等戰略前沿材料的布局及研制，以加快基礎材料的升級換代。

4)2016年11月，國務院發布了《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，規劃中明確提出，將開展區域性綜合應用示范，實現區域生物基塑料制品、包裝材料等替代50%以上的傳統石化塑料制品；不斷提升生物制造產品經濟性和規模化發展水平，推動生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物尼龍、微生物多糖等生物基材料產業鏈條化、集聚化、規模化發展作為生物技術惠民工程的重點任務。

5)2016年12月，工業和信息化部、發展和改革委員會、科技部、財政部聯合印發《新材料產業發展指南》，提出開展重點新材料應用示范，以生物可降解材料等市場潛力巨大、產業化條件完備的新材料品種，組織開展應用示范。

6)2016年12月，國家發展和改革委員會發布了《“十三五”生物產業發展規劃》，提出提高生物制造產業發展創新能力，推動生物基材料、新型發酵產品等規模化與應用，推動綠色生物工藝在化工、醫藥、輕紡、食品等行業的應用示范。推動生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物尼龍、海洋生物基材料等規模化和示范化應用，實現生物基材料產業鏈條式、集聚化、規模化發展，實現產業的良性和高端化發展。

7)2017年6月，國家發展和改革委員會、商務部發布《外商投資產業指導目錄(2017年修訂)》，明確提出鼓勵利用新型可再生資源和綠色環保工藝生產生物質纖維，包括新溶劑法纖維素纖維(Lyocell)、以竹、麻等為原料的再生纖維素纖維、聚乳酸纖維(PLA)、甲殼素纖維、聚羥基脂肪酸酯纖維(PHA)、動植物蛋白纖維等。

3.2 行業層面的發展建議

在國家部委大力提倡發展生物基材料的同時，相關行業的規劃、指導也相繼出臺，從多角度、多維度推動我國生物基材料更快、更高效的發展。

1)2015年10月，由中國生物發酵產業協會編制了《中國生物發酵產業“十三五”發展規劃》，規劃中提出將提高產品特殊性能的研究，通過生物轉化、生物催化等方法生產高附加值產品，如特殊功能發酵產品及其衍生物、生物材料、環保生物新產品等相關產品作為“十三五”期間高端產品開發領域。

2)2016年3月，由中國紡織機械協會編制了《紡織機械行業“十三五”發展指導意見》，意見指出，開展生物基纖維成套裝置研究，促進可降解纖維的發展，降低合成纖維廢料對環境的污染。以可再生資源為原料的生物降解纖維將是化纖工業重點發展方向，研發聚乳酸長短絲專用紡絲牽伸設備及工藝，并能穩定的生產，各項性能指標力爭達到國際先進水平。

3)2016年9月，《紡織工業發展規劃(2016—2020年)》，明確指出推動生物基纖維的發展。整體目標：2020年生物基纖維整體達到國際先進水平；技術突破方面：突破生物基合成纖維原料高效合成技術，發展生物基聚酯、聚乳酸纖維、生物基聚酰胺纖維等產業化技術。裝備制造方面：研發年產萬噸級新溶劑法纖維素纖維成套設備、聚乳酸長短絲紡絲機、化纖長絲高速卷繞系統以及高速機械包覆紗機等。

4)2016年11月，《化纖工業“十三五”發展指導意見》指出：突破替代石油資源的生物基原料和生物基化學纖維綠色加工工藝、裝備集成化技術，實現產業化、低成本生產。重點提高生物基合成纖維聚合及紡絲單線規模和整體技術水平，優化海洋生物基纖維原料多元化及規模化生產技術。加大市場推廣力度，拓展生物基化學纖維應用領域。突破生物基合成纖維原料的產業化制備技術，重點發展非糧食資源的生物基纖維原料生產，提升聚乳酸、聚對苯二甲酸丙二醇酯及生物基聚酰胺的聚合、紡絲和染整產業化技術水平。

5)2016年11月，《產業用紡織品行業“十三五”發展指導意見》指出，加快生物基紡織新材料研發、產業化及應用推廣；協同上下游產業鏈共同拓展生物基纖維新材料的應用，大力開發產業用紡織品新品種，提高產品性能，拓展應用新領域，加快推廣手術衣、手術洞巾等一次性醫用紡織品的應用。到2020年，生物基功能性紡織品主要技術達到世界先進水平。

4 生物基化學纖維發展問題及思考

生物基化學纖維產業快速發展中也存在問題，如，關鍵技術及裝備、產品生產成本、產品標準體系建立、上下游協同創新及政策引導等方面。

4.1 關鍵技術與核心裝備與國外存在一定差距

生物基化學纖維從原料制備到產品生產過程工藝流程長、關鍵環節多、技術難度大，整個環節重點針對聚合單體來源、制備和提純工藝進行開發，各企業都針對性地開展自主研發工作，技術保密和重復研發情況較嚴重。如，聚乳酸的無固廢技術、丙交酯產業化技術都與國外存在差距，尤其高光純D-丙交酯生產，此成熟技術依舊被國外掌握；生物基PTT纖維原料為1，3-丙二醇，國內雖已經在技術、裝備上自主研發突破，但精制工藝環節還需繼續突破，因此產品質量還與國外聚合物略有差距[18]。

4.2 生產成本高，市場競爭力不強

降低產品成本，提高產品的經濟性是當前生物基化學纖維產業化的重要問題。目前產品原料及技術相對石油基纖維成本較高，尤其近幾年油價持續走低，對生物基纖維產業發展更受制約，競爭優勢弱[17]。如，聚乳酸纖維，國內丙交酯制備技術尚未突破，因此多數企業的丙交酯原料靠進口，多數企業采用切片紡技術，制造成本高于聚酯產業，產品市場競爭力較弱。再如Lyocell纖維，國產化技術日趨成熟，單線產能逐年提升，雖纖維干濕強度較粘膠短纖維優異，但單線產能小，制造成本高于粘膠纖維，在常規粘膠服用領域替代力度不足。另外，國外Lyocell纖維企業因發展起步早，技術成熟度高，產品品種豐富，占據市場定價話語權，對國內Lyocell纖維生產企業影響較大。

4.3 產業鏈上下游產業協同創新模式薄弱

當前，共同體發展思路已經逐漸取代流水線產品生產，產業邊界越來越模糊，協同創新發展越重要。我國生物基化學纖維產業化發展迅速，部分已實現產業化制備，品質逐年提升，但產業鏈協同創新能力依舊不足。以聚乳酸纖維為例，其結晶度纖維級切片、織物的可染性尚需突破，制約其制備高品質聚乳酸面料，因此需要化纖、化工、織造、染整的企業協同合作共同突破。

4.4 產品標準體系尚未建立，政府激勵有待增強

我國生物基化學纖維起步比較晚，多數產品尚未制定標準，產業標準體系亟待建立。就目前生物基化學纖維的標準制定上，已經建立行業標準19項、團體標準4項，但目前生物基化學纖維國家標準和其他小品種(如PHBV/PLA)纖維標準的制定還未形成，多數生物基化學纖維檢測標準還未統一。在政策上，生物基纖維及制品優先采購、政策補貼、稅收等政策尚未落地，激勵制度有待加強。

5 生物基化學纖維發展建議與措施

5.1 加強產業政策引導和支持

因地制宜，繼續加大生物基材料的產品認證機制與財政補貼、稅收優惠政策制定。對于已經實現產業化制備的產品，如Lyocell纖維、PTT纖維及其原料，可從稅收優惠政策上給予支持，以提升國際同質化產品競爭優勢；對于一批有需求、能快速規模化生產的纖維材料，如聚乳酸纖維、PA56纖維及其原料，可給予財政補貼和稅收減免等政策，積極引導。

5.2 開發生物基原料，實現低成本生產

當前我國生物基纖維所需要的原料及溶劑、助劑和國外同類產品相比也有一定的差距，還未形成良好供應體系。例如：聚乳酸纖維方面，需攻克低成本高光純乳酸的制備技術及丙交酯制備技術；生物基聚酯方面，推進高效制備生物基多元醇類，滿足纖維成型加工；生物基聚酰胺方面，著手建設萬噸級長鏈二元酸和二元胺生產線；新型纖維素纖維方面，推進綠色制漿與纖維生產一體化技術，實現高質量規模化、低成本生產。

5.3 注重高品質產品開發，形成品牌效應

加大培育產品創新力度，提高生物基化學纖維的附加值，增強產品經濟競爭力。緊緊把握纖維材料由單一功能向多元復合開發轉變趨勢。利用粉體添加技術及化學改性技術，開發阻燃、抗熔點、原液著色等同質異構纖維及成套工程技術，提升柔性制造水平。推動生物基化學纖維在紡織服裝、家紡、產業用領域的應用示范，走高質化與品牌化一體的道路。

5.4 加強知識產權保護，建立健全標準體系

通過攻克核心前沿科技、關鍵核心技術及關鍵核心裝備，擁有自主知識產權并以其為依托，實現新產品價值的過程。根據生物基化學纖維及原料品種的開發情況，建立相關產品標準、方法標準、認證技術標準體系。加強生物基化學纖維生產與市場準入管理，規范行業發展，提升生物基化學纖維的國際競爭力。

5.5 依托產業聯盟、公共平臺建設，合力擊破

通過組建相關產業聯盟，產業鏈優秀企業強強聯合、優勢互補，以推動生物基化學纖維創新、規模化發展為核心。當前我國纖維行業已經組建聚乳酸、新型再生纖維素纖維、生物基聚酰胺纖維等聯盟團體，雖已有一定效果，但在合作機制、知識產權保護以及利益分配等方面需進一步加強。建立生物基化學纖維關鍵裝備和技術創新公共平臺，重點攻克生物基化學纖維專用裝備、海洋生物質資源利用技術、綠色制漿及漿纖一體化工程技術，引導行業利用生物技術提升產業水平。