【新材料研究系列】性能优异的聚乙醇酸(PGA),实现煤炭高端利用的新途径
来源:卓创资讯 张凤3    发布时间:2022-09-23

【导语】PGA是一种全生物降解材料,可以在自然环境中降解为水和二氧化碳。PGA的生产能够有效利用煤制乙二醇的过剩产能,并实现煤炭的清洁高效利用,对于促进我国煤化工产业向高端化、多元化、低碳化方向转型发展有重要意义。

2022年9月19日,国家能源集团榆林化工5万吨/年聚乙醇酸(PGA)可降解材料示范项目打通全部生产流程,正式建成投产,这标志着世界首套万吨级煤基可降解材料示范项目实现工业化生产。这种材料具有怎样的特性,又是怎样实现煤炭的清洁利用的?了解PGA相关的基本知识是未来布局项目的基础。

1.PGA是什么?

PGA是聚乙醇酸的简称,是一种单元碳数最少,是化学结构最简单的生物可降解聚酯,具有完全可分解的脂结构、降解速度最快的脂肪族聚酯高分子材料。PGA是一种理想的完全生物降解材料,其具有以下优良特性:

(1)全生物降解性

相对于PBAT、PLA等可降解塑料,PGA的降解无需特殊条件,能在海水中降解,时间仅需1-3个月;从图1中可以看出,PGA首先经过水解成为乙醇酸,再经过微生物可完全分解为二氧化碳和水。在整个分解过程中不需要受温、湿度、光照等条件的限制,并且分解过程中不产生任何有害物质,能够有效解决白色污染问题.

(2)优异的力学性能

PGA之所以是一种理想的可降解材料,除了具有全生物降解的特性外,更重要的是其具有良好的力学性能,适应各类应用场景,能够成为替代传统塑料的良好选择。PGA和部分其他传统高分子材料力学性能的对比如下,可以看出PGA具有优异的力学性能。

(3)良好的生物相容性

从上文中可以得知,PGA分解完成后,最终只产生水和二氧化碳,并且降解条件温和,这使得PGA在与生物体接触时,产生的相互作用较小。一般地讲,就是PGA植入人体后,对人体组织造成毒害作用较小。基于这一特点,PGA被主要应用于医疗中,用于医疗外科手术缝合线、骨折内固定、组织工程修复材料及药物控制释放体系等。

除此之外,PGA还拥有较强的气体阻隔性,正逐步应用于包装的气体阻隔层等领域。PGA虽然具有良好的特性,是一种理想的可降解塑料,但由于技术难度较大,目前的产能规模较小,导致市场供应有限,价格相比其他可降解塑料更加昂贵,因此目前在各个领域的应用较少。

2.如何实现煤炭高端化利用?

从图2中可以看出,PGA是以煤炭为原料,经草酸二甲酯制乙二醇副产乙醇酸甲酯,水解生成乙醇酸,经过聚合最终生产出PGA。在生产过程中,与生产传统聚烯烃塑料相比,每吨PGA煤耗可降低约1/2,CO2排放降低约2/3,工业增加值增加2-3倍,实现了煤炭的清洁高效利用。

另一方面,PGA的生产能够有效利用过剩的煤制乙二醇产能,并且依托现有产业链,煤制PGA也具有成本竞争力。与炙手可热的可降解塑料PBAT、PLA的生产成本接近,但具有相对于其他可降解塑料更优异的特性。这一点使PGA在诸多可降解塑料中具有较强的竞争力和发展前景。

3.行业产能快速扩张

据统计,在榆林化工可降解塑料项目投产之前,我国的PGA产能不到0.5万吨,市场规模有限。本次项目的投产是PGA实现工业化生产的标志,目前也有多家企业已经规划了PGA的产能,截至2022年,PGA的在建/拟建产能超过120万吨,在规模化效应的推动下,生产成本和市场价格有望降低,PGA能够得到更加广泛的应用。

4.PGA的发展前景广阔

通过对PGA的特性、技术路线、产能的分析,可以发现PGA的发展前景广阔。第一,PGA具有全生物降解性,未来在塑料使用量较大、降解需求较大的包装、农用地膜、医用等领域的市场规模有望进一步扩大。特别是PGA开发了手术缝合线、创口敷料、生物支架、医用粘合剂、药物载体等医用高端材料。利用PGA材料的高阻隔性、高机械强度的特点,开发压裂球、阻隔膜等油气田领域的应用。

第二,PGA在韧性方面有所欠缺,对PGA的改性将是未来的重点发展方向。例如,将PGA与传统的塑料PP、PE等进行共混,增强其韧性;或者与其他的可降解塑料PBAT、PLA进行共混,提升其他可降解塑的降解速度。目前,PGA的改性研究主要在生物医学领域,主要通过化学共聚、表面改性、聚合物合金和纳米材料复合等方法对 PGA行改性,来控制医用材料的降解周期,提高生物活性和靶向等功能。在其他应用方面(如包装、工程行业等),PGA 通常作为高阻隔夹层和高性能添加材料,通过熔融加工法与其他材料共同改性,来提高产品的阻隔性、力学强度和降解性。

第三,从产能规划可以看出,未来五年内将有较大规模的PGA产能落地,随着市场规模的扩大,行业的规模效益凸显,生产成本将下降,有助于市场规模的进一步扩大。

行业的发展不可能是一帆风顺的,机遇常常与挑战并存。PGA的发展也不例外,目前行业中还存在一定的挑战,同时也是制约PGA市场规模扩大的难点。例如前文提到的韧性较差,还有PGA的加工性能较差,高结晶度导致其加工温度高,高加工温度也会造成材料过度降解,从而影响材料的性能,因此其对加工设备要求高。但目前无论是国企还是私企,均看好PGA的发展,部分企业正在规划相关产能。随着资本力量的进入,对于技术的研发也将加大投入。可以预见,未来制约PGA发展的挑战将得到一定解决。

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