紡織原材料之資源替代是單場(chǎng)持久戰(zhàn)
發(fā)布日期： [2011/6/29]
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只要人類存在單天，紡織服裝就是必不可少的民生產(chǎn)業(yè)。要維持這單行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，資源問(wèn)題就必須解決。僅從目前的紡織原料結(jié)構(gòu)來(lái)看，棉花和化學(xué)纖維分別占據(jù)了半壁江山，毛、麻、絲等其他資源占據(jù)很小比例。棉價(jià)的大起大落及中外棉花種植量的日益萎縮，決定了棉花在原料格局中的比例將逐漸減少;化纖近十年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁且正當(dāng)其時(shí)，但致命的是，90%以上的化纖產(chǎn)品依賴于石油資源。
事實(shí)上，近幾年紡織化纖行業(yè)已經(jīng)明確了支撐行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的單條“光明大道”——生物質(zhì)纖維及生化原料產(chǎn)業(yè)。但因?yàn)檫@單產(chǎn)業(yè)本身處于初高等階段，真正產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益還需要不短的時(shí)間，因此還需要更廣泛的力量參與。連續(xù)兩屆在中國(guó)生物產(chǎn)業(yè)大會(huì)上舉辦的“生物質(zhì)纖維及生化原料論壇”，為這單產(chǎn)業(yè)吹響了沖鋒號(hào)。尤其是針對(duì)如何在30年內(nèi)初步實(shí)現(xiàn)原料替代與過(guò)程替代，本屆論壇進(jìn)行了深入而具體的探索。
應(yīng)用纖維素還要破除障礙
發(fā)展生物質(zhì)纖維及生化原料的終好目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)原料替代與過(guò)程替代。同時(shí)，采用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)紡織化纖產(chǎn)品差別化發(fā)展已經(jīng)走到了盡頭，生化技術(shù)將為產(chǎn)品差別化帶來(lái)新的突破。為此，近日在論壇上廣泛探討的“生物質(zhì)纖維與生化原料科技與產(chǎn)業(yè)30年發(fā)展路線圖(以下簡(jiǎn)稱‘30年路線圖’)”初步規(guī)劃：到2020年紡織化纖行業(yè)使用生物質(zhì)纖維實(shí)現(xiàn)原料替代5%，2030年達(dá)到10%，2040年將達(dá)到20%，屆時(shí)紡織原料格局將更加多元化，資源瓶頸將得到有效緩解。
數(shù)據(jù)的確具有誘惑力，但支撐這些目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可行途徑是什么?業(yè)內(nèi)認(rèn)為，開(kāi)發(fā)秸稈、竹、麻等速生林材，豐富粘膠纖維等再生纖維素纖維的原料格局是首先要考慮的。30年路線圖中具體表示為：再生纖維素纖維行業(yè)2020年實(shí)現(xiàn)原料(除去現(xiàn)有短絨、木漿以外的原料)替代10%，2030年達(dá)到20%，2040年達(dá)到40%;
纖維素是自然界賦予人類的較豐富的高分子物質(zhì)，它不僅來(lái)源廣泛，而且是可再生的資源。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，自然界通過(guò)光合作用每年可產(chǎn)生幾千億噸的纖維素。然而，只有大約60億噸的纖維素被人們所使用。纖維素在應(yīng)用開(kāi)發(fā)中的較大障礙，是天然纖維素具有較高的結(jié)晶度，同時(shí)分子間和分子內(nèi)存在大量的氫鍵，使其不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑。以麥草、稻草等農(nóng)作物秸稈纖維為例，其纖維短小、不均勻性突出;纖維含量少，雜細(xì)胞多;灰分含量高，硅含量大。
從目前常用的植物原料看，棉短絨中的纖維素含量較高，大于95%，而木材中的纖維素含量只有40%～50%，竹、秸稈中纖維素含量更低。如何高效、清潔、經(jīng)濟(jì)地從天然資源中分離制備紡織纖維?這個(gè)大難題吸引了多方人士的關(guān)注。據(jù)中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所陳洪章研究員介紹，其所在的課題組在秸稈溶解漿及生化原料的制備方面取得了階段性成果。他們突破了單單組分利用，以蒸汽爆破為核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了秸稈組分分離，充分運(yùn)用組分分層多高等轉(zhuǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了秸稈資源的生物量全利用，并對(duì)多產(chǎn)品的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行試驗(yàn)開(kāi)發(fā)。
雖然取得了單些進(jìn)展，但對(duì)自然界資源的利用技術(shù)還有待開(kāi)發(fā)。為此，30年路線圖將秸稈高效低能耗預(yù)處理技術(shù)、生物法漢麻綜合處理技術(shù)、高效低成本纖維素菌和酶生產(chǎn)技術(shù)、離子液體新介質(zhì)應(yīng)用于纖維素生產(chǎn)高值化產(chǎn)品技術(shù)、木質(zhì)素改性加工技術(shù)、木質(zhì)素熔融紡絲技術(shù)、工業(yè)酶和生物催化劑、海洋生物質(zhì)綜合利用、生物質(zhì)纖維高性能化技術(shù)、生物質(zhì)生物量全利用技術(shù)集成和生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈的建立這10項(xiàng)技術(shù)，作為行業(yè)共性的技術(shù)與基礎(chǔ)進(jìn)行研究，以期有所突破。
多路徑嘗試替代粘膠法
新工藝的研究，單方面是為了利用自然界更廣泛的資源，另單方面也是為了生產(chǎn)過(guò)程更加高效、清潔，減少對(duì)能源的使用和環(huán)境的危害，也就是30年路線圖中提到的用生化技術(shù)實(shí)現(xiàn)“過(guò)程替代”。30年路線圖初步規(guī)劃，到2020年行業(yè)過(guò)程替代平均水平將達(dá)5%，2030年實(shí)現(xiàn)17%，2040年增長(zhǎng)至24%。
從19世紀(jì)末發(fā)明粘膠法生產(chǎn)再生纖維素纖維至今，純多年過(guò)去了，各種生產(chǎn)生物質(zhì)纖維的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，然而從纖維的產(chǎn)量比例來(lái)看，粘膠法依然占據(jù)著不可動(dòng)搖的主導(dǎo)地位。雖然粘膠纖維行業(yè)在清潔生產(chǎn)上下了很大功夫，也取得了明顯的成績(jī)，但其制漿過(guò)程中產(chǎn)生的黑液還不能完全消除對(duì)環(huán)境的污染。正是為了徹底解決這單問(wèn)題，業(yè)內(nèi)愈挫愈勇，多年來(lái)不間斷地探索環(huán)保高效的新途徑。目前看來(lái)，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)形成單定氣候的、環(huán)保的生產(chǎn)再生纖維素纖維的途徑，單是新溶劑法即Lyocell(萊賽爾)途徑，代表企業(yè)有上海紡織(控股)集團(tuán)，中國(guó)紡織科學(xué)院與新鄉(xiāng)化纖;二是離子液法，由山東海龍重點(diǎn)研究;三是較近引起業(yè)內(nèi)高度關(guān)注的水體系低溫溶解法，由武漢大學(xué)張俐娜教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)。
采用溶劑法生產(chǎn)纖維素纖維已經(jīng)在國(guó)內(nèi)研究了若干年，但進(jìn)展緩慢。即使已經(jīng)形成了千噸高等的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，但在經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)成熟度方面還需要更多考量。溶劑法纖維素制備過(guò)程都是圍繞著如何削弱纖維素分之間的氫鍵展開(kāi)的。中國(guó)紡織科學(xué)研究院顧問(wèn)趙慶章詳細(xì)解釋了溶劑法的難點(diǎn)：?jiǎn)问窃摴に噷?duì)原料的要求高，沒(méi)有后期調(diào)節(jié)的空間;二是溶解過(guò)程短，脫水的范圍窄且連續(xù);三是紡絲必須采用干噴濕紡的工藝路線，紡絲液具有好高的粘度;四是作為溶劑的NMMO本身有單定的不穩(wěn)定性，需采取單系列安全措施;五是溶劑回收要滿足高回收率和節(jié)能的要求，只有當(dāng)其回收率大于99%時(shí)，才有工業(yè)化生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前，國(guó)外Lenzing公司仍是唯單具有大規(guī)模Lyocell纖維生產(chǎn)能力的公司，2010年其新增產(chǎn)能1萬(wàn)噸，達(dá)到14萬(wàn)噸規(guī)模。
采用7%氫氧化鈉(NaOH)/12%尿素水溶液，該溶劑冷卻到零下12℃時(shí)，能迅速溶解纖維素(其分子量在1.2×105以下)，溶解時(shí)間僅需2分鐘，達(dá)到纖維素歷史上較快的溶解速度，這就是由武漢大學(xué)張俐娜教授為首研發(fā)的水體系低溫溶解法。據(jù)了解，該途徑比粘膠法的成本略低，對(duì)生產(chǎn)裝備也沒(méi)有特殊要求。張俐娜由此獲得國(guó)際纖維素與可再生資源材料領(lǐng)域的較高獎(jiǎng)項(xiàng)——安塞姆·佩恩獎(jiǎng)。目前，經(jīng)過(guò)與相關(guān)企業(yè)合作，該路線已取得初步工業(yè)化試驗(yàn)成果。在中國(guó)工程院相關(guān)院士的建議下，張俐娜的團(tuán)隊(duì)正與唐山三友興達(dá)化纖展開(kāi)合作，未來(lái)前景值得期待。
合成纖維單改傳統(tǒng)聚酯形象
在生物大家族中，生物質(zhì)合成纖維量大面廣。它既秉承了傳統(tǒng)合成纖維的優(yōu)點(diǎn)，又因包含生物結(jié)構(gòu)而具備可降解、舒適等性能。在30年路線圖規(guī)劃中，生物質(zhì)合成纖維原料替代的目標(biāo)是2020年實(shí)現(xiàn)5%，2030年達(dá)到10%，2040年實(shí)現(xiàn)20%;其過(guò)程替代的目標(biāo)是2020年達(dá)到5%，2030年達(dá)10%，2030年實(shí)現(xiàn)15%。目前看來(lái)，生物質(zhì)合成纖維重點(diǎn)包括PTT、PLA、PHBV、PBS纖維等，即平時(shí)所指的新型聚酯纖維。
今年4月，PTT系列纖維及高附加值面料制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化科技成果鑒定會(huì)在江蘇陽(yáng)光股份有限公司召開(kāi)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，PTT纖維及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用逐漸成熟。同時(shí)，長(zhǎng)期制約PTT纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原料PDO(1，3-丙二醇)，在制備生產(chǎn)上也取得了可喜的進(jìn)步。如江蘇盛虹集團(tuán)不僅擁有3萬(wàn)噸/年的專業(yè)化PTT紡絲生產(chǎn)線，還建設(shè)了PTT聚合生產(chǎn)線，同時(shí)生產(chǎn)原料1，3-丙二醇，形成完整的PTT產(chǎn)業(yè)鏈，打破國(guó)外壟斷。
