基础化工行业专题研究：生物基材料产品及行业格局梳理.docx

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1、基础化工行业专题研究：生物基材料产品及行业格局梳理1 生物基材料概述生物基材料定义：利用可再生生物质或/和经由生物制造得到的材料生物基材料（Bio-based Materials）是指利用可再生生 物质或（和）经由生物制造得到的原料，通过生物、化 学、物理等手段制造的一类新型材料，如生物塑料、生 物质功能高分子材料等。生物基材料区别于用煤、石油 等不可再生石化资源为原料生产的传统化工材料产品， 其具有原料可再生、减少碳排放、节约能源等特性，部 分品类还具有良好的生物可降解性，是国际新材料产业 发展的重要方向。展望未来，生物基材料有望在部分应 用领域逐步替代传统石油基材料，成为引领科技创新和 经

2、济发展的新型产业，并作为绿色低碳发展的主要途径 及低碳经济增长的亮点。目前，常见的生物基材料是以谷物、豆科、秸秆、竹木 粉等可再生生物质通过生物转化获得生物高分子材料或 单体，然后进一步聚合形成的环境友好的化工产品和绿 色能源等高分子材料，如包括沼气、燃料乙醇、生物柴 油和生物塑料等。此外，生物基材料还可以经由生物制 造、生物合成方法等设计或改造的生物系统产生和获得。生物基材料分类：生物基材料品类及细分材料众多按产品属性分类，生物基材料可分为生物基聚 合物、生物基塑料、生物基化学纤维、生物基 橡胶、生物基涂料、生物基材料助剂、生物基 复合材料及各类生物基材料制得的制品等。其 中 ， 生物基可降

3、解材料具有传统石油基塑料等 高分子材料不具备的绿色、环境友好、原料可 再生以及可生物降解的特性 ； 生物基纤维已广 泛应用于时装、家居、户外及工业领域，正逐 步走向工业规模化实际应用和产业化阶 段 ； 生 物基塑料产品在包装材料、一次性餐具及购物 袋、婴儿纸尿裤、农地膜、纺织材料等领域获 得较好地应用，并被市场普遍认可与接受。按常见产品形式，生物基材料主要可分为五大 类：生物基平台化合物、生物基塑料、多糖类 生物基材料、氨基酸类生物基材料、木塑复合 材料。其中，生物基平台化合物即聚合成原材 料高分子的化学单体，如乳酸，1,3-丙二醇等； 生物基塑料是目前应用最广泛、研究较深入的 生物基材料，代

4、表产品有聚乳酸、聚羟基脂肪 酸酯等。生物基材料产业链结构生物基材料来源范围广、获得手段灵活、性能丰富、应用场景多样化，目前正处于从实验室研发迈向工业化生产及规模应用阶段，未来有望逐步替代部分化石基材料。2 生物基塑料及聚合物行业生物基塑料：应用领域主要为包装和消费品、纺织品等聚合物是由一种或几种结构单元通过共价键连接起来的分子量很高的化合物，塑料是聚合物的一种。根据来源不同，聚合物可分为生物基聚合物、化 石基聚合物等。生物基聚合物种类繁多，多数化石基聚合物都有其对应或类似的生物基产品。由于以生物质作为来源的生物基塑料相比石油基塑料更 具减碳和可再生优势，生物基塑料的需求正在不断扩张。目前，生物

5、基高分子材料已经得到一定程度的发展；但是，相比于传统的高分子材料，生物 基来源的产品产量还较小、品种还较单一，且在部分使用性能上还暂时不能完全替代石油基产品。生物基塑料的应用遍及工业与生活的各领域，目前包装和消费品、纺织品是其最主要的应用领域。按照是否可被生物降解，可将生物基塑料划分为可 降解生物基塑料和不可降解生物基塑料。根据European Bioplastics（欧洲生物塑料协会）数据，全球生物基塑料约占每年生产的塑料中的1%。2020 年，全球生物基塑料产能达211.1万吨，其中可生物降解塑料的产能为122.7万吨，不可生物降解产能为88.4万吨。截止2021年末，亚洲共计拥有全 球4

6、9.9%的生物基塑料产能。生物基聚合物分类：可分为生物可降解与生物不可降解生物基材料按照可生物降解与否，可将生物基塑料划分为可降解生物基 塑料和不可降解生物基塑料。2020年，全球生物基塑料产 能达211.1万吨，其中可生物降解塑料的产能为122.7万吨， 主要是PLA和淀粉基塑料，各占比32%；不可生物降解产能 为88.4万吨，其中PA（聚酰胺）和PE（聚乙烯）占比最大， 分别为28%和25%。随着各国环保要求趋严和环保产业的发 展，生物基塑料产能中可降解塑料的比例将进一步提升。生物基材料概念：区别生物可降解材料、生物材料概念生物基材料（Bio-based Materials）和生物降解材料

7、（Biodegradable Materials）是完全不同的概念。通常来讲，生物降解高分子材料是指在微生物作 用下或在堆肥条件下可降解的高分子聚合物。生物基材料强调的是其生物来源的可再生来源性，它既可以是生物可降解的高分子如聚乳酸（PLA），也可 以是生物不可降解的高分子如生物基聚乙烯；而生物降解材料强调的是生物可降解性，它既可以是生物可降解的高分子如聚乳酸（PLA），也可以是石油 基高分子材料（Petroleum-based Polymers）PBS和PBAT。生物可降解塑料如果使用生物原料，且在受控堆肥条件下生物降解，则可以通过关闭生物循 环（Biological Cycle）的理念融入

8、循环经济。 生物基材料（Bio-based Materials）和生物材料（Biomaterials）是完全不同的概念。生物材料是指用于人体或动物内组合和器官的诊断、修复或功能 增进的一类材料，可以包括有机材料、无机材料、金属材料等。3 生物柴油行业生物柴油是低碳环保的绿色能源生物燃料（Biofuel）主要包括燃料乙醇、生物柴油、航空生物 燃料等，年均复合增速4.1%。 生 物 柴 油 根 据 结 构 分 为 脂 肪 酸 甲 酯 ( F A M E ) 、 氢化油 (HVO/HEFA)，狭义上生物柴油指脂肪酸甲酯/乙酯，其根据原 料来源分为豆油甲酯(SME)、棕榈油甲酯(PME)、菜籽油甲酯

9、(RME)、废弃食用油甲酯(UCOME)、微生物制脂肪酸甲酯等。 生物柴油主产地有美国、欧盟、巴西、阿根廷、印度尼西亚等。广义生物柴油分为脂肪酸甲酯（FAME）与氢化植物油（HVO）按制备工艺分类，可分为以脂肪酸甲酯为主要成分的第一代生物柴油（FAME）和氢化、异构化处理后得到的第二代生物柴油（HVO）。 第一代生物柴油技术成熟、成本低，目前占比在85%以上，根据反应特点可分为酸或碱催化法、生物酶法和超临界法等，其中酸或碱催化法目前 使用较为普遍。海外使用菜籽油、大豆油等植物油制备生物柴油，游离脂肪酸含量很低，主要采用一步碱催化酯化反应，国内废油脂的主要成分 为脂肪酸和甘油脂的混合物，脂肪酸含

10、量在5%80%之间，必须先脱除脂肪酸或用酸性催化剂进行预酯化，再用碱性催化剂进行酯交换生产生 物柴油。 第二代生物柴油主要成分结构与普通柴油基本相同，具有与柴油相似的黏度和发热值、密度较低、十六烷值较高、含硫量较低、稳定性好、符合 清洁燃料的发展方向。但成本与价格比第一代生物柴油高。全球生物柴油需求高速增长2020年全球生物柴油产量4290万吨，同比增长2.8%。 从产地上看，欧盟是全球最大生物柴油产区，产量占比约 30%，印度尼西亚是全球最大生产国，产量占比约19%。 从原料结构来看，棕榈油是生物柴油最大原料来源，占比约 39%，豆油、菜籽油占比分别为25%、15%，废弃油脂制生 物柴油只占

11、10%。4 生物基化学纤维行业生物基化学纤维简介生物基化学纤维是利用农、林、海洋废弃物、副产物加工而成，是来源于可再生生物质的一类纤维。生物基化学纤维具有绿色、环 境友好、原料可再生以及生物降解等优良特性，有助于解决当前全球经济社会发展所面临的资源和能源短缺、环境污染等问题。 生物基化学纤维的发展重点是突破生物基化学纤维产业化关键装备的制造，攻克生物基化学纤维及原料产业化技术瓶颈，实现生物 基化学纤维的规模化生产，同时进一步拓展在服装、家纺和产业用纺织品领域的应用。 2015年至2020年，我国化学纤维工业总产量由4872万吨增长至6025万吨，整体呈上升趋势。从我国化学纤维产量主要品种构成来

12、看， 涤纶是占比最高的化学纤维。2019年涤纶产量占全国化纤工业总产量的比例为81.53%；其次是粘 胶纤维，产量占比为7.08%。2015年，我国生物基化学纤维的产能约为19.55万吨，2019年其产能增至57.98万吨。生物基化学纤维分类生物基化学纤维的品种众多：从生物学的属性，可分为动物质纤维、 植物质纤维和微生物质纤维；从产业分类，可分为农副产生物质纤 维和海副产生物质纤维。 根据生产过程，生物基纤维可分为三大类：1）生物基原生纤维，经 物理方法加工处理成后直接使用的动植物纤维；2）生物基再生纤维， 即以天然动植物为原料，经过物理或化学方法制成纺丝溶液，而后 通过适当的纺丝工艺制备而成

13、的纤维；3）生物基合成纤维，以生物 质为原料，通过化学方法制成高纯度单体，而后经过聚合反应获得 高分子量的聚合物，再经适当的纺丝工艺加工成的纤维。5 生物基橡胶行业生物基橡胶是低碳环保的绿色材料生物基橡胶，指的是利用生物基原材料合成制备的橡胶，以及利用三叶橡胶树之外的其他植物产生的胶乳所生产的橡胶。 生物橡胶包含两大类材料，一类是生物基传统橡胶，利用生物材料制得传统单体如异丁醇，再经化学合成得到传统橡胶，根据原料 来源可分为生物基异戊橡胶、生物基乙丙橡胶、生物基顺丁橡胶等；第二类是除三叶橡胶外的第二天然橡胶，例如银菊橡胶、蒲公 英橡胶、杜仲橡胶。 生物基橡胶主产地有美国、欧盟、巴西、日本等。生

14、物基三元乙丙橡胶（EPDM）EPDM（三元乙丙橡胶）是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物。普通的EPDM来自于化石原料，石油裂解生产的乙烯丙烯二 烯烃聚合得到。阿朗新科生产的生物基EPDM原材料来源于甘蔗，用甘蔗生产蔗糖，用糖制作乙醇，再用乙醇做成乙烯，再聚合成 EPDM。 生物基EPDM的性能和普通的EPDM是完全一样的。它源自甘蔗，降低了碳足迹和对石油的依赖性，可循环再生，绿色环保。 EPDM主链饱和，它的大分子十分稳定柔顺，所以它具有优异的耐老化，耐热、氧、臭氧、紫外线、户外老化等性能，而且弹性极佳。 可应用于鞋材，轮胎、汽车零部件，电线电缆，塑胶跑道等各个领域。2018年世界杯官方

15、比赛用球阿迪达斯Telstar就是使用的阿朗 新科的生物基EPDM材料。6 生物基涂料行业生物基涂料行业生物基涂料与传统的石油基材料相比，主要来源于植物，减少了二氧化碳的排放以及对石油的依赖，同时它的生产过程更加绿色，符合人们 对于环保和可持续发展的追求。到2024年生物聚合物涂料的市场规模将超过13亿美元。 中国涂料行业“十三五”规划指出，到2023年，我国涂料行业总产值预计增长到6900亿元左右。而可以预想到的是，得益于嘉宝莉生物 基涂料的研发，将会引领更多的涂料企业致力于环保涂料的研发，提供更多有关环境保护的解决方案，推动经济社会绿色发展。研发植物油涂料等是未来发展趋势科学家及学者认识到

16、植物油脂是可再生资源，研发植物油涂料是今后的发展方向。扩大涂料用非食用油的来源，在国内有很大的潜 力，再加上政策支持，生物基涂料发展潜力巨大。此外，根据油脂和醇酸树脂分子结构的特点，可以用酚醛、氨基、环氧、丙烯酸、 聚氨酯、有机硅，氟树脂、烃类树脂、天然树脂等多种途径，对其改性，以提高涂料的物化特性，使其广泛用于不同行业和不同的 领域。 生物基重防腐涂料（腰果壳油环氧树脂体系）水性生物纳米防水涂料、水性生物带锈防锈涂料、生物基防污涂料（用天然防污剂即 采用由多种海洋及陆地的动植物中提取防止海生物污损的物质，来制造防污涂料）等相继问世。7 生物基助剂行业生物基助剂行业定义助剂，又称添加剂，是高分

17、子材料工业中不可缺少的重要组成部分。生 物基助剂是指利用生物质或经由生物制造得到的材料为原料制成的助 剂。 生物基助剂具备绿色、环保、低毒或无毒、来源可再生等特性，能替代 化石基助剂，有效缓解资源短缺，是可持续发展的重要途径之一。 参考标准GB/T 39514-2020生物基材料定义、术语和标识，可将生 物基材料助剂分为生物基增塑剂、生物基阻燃剂、生物基胶黏剂、生物 基润滑剂、生物基清洁剂、生物基表面活性剂和生物基其他助剂。生物基增塑剂增塑剂是一种添加到高分子聚合物中增加其塑性，优化其加工性能，赋予制品柔软性的有机物。以邻苯二甲酸酯为代表的传统增塑剂 普遍具有易挥发性，当其渗透或迁移出聚合物后

18、，将使产品丧失柔性，影响产品质量。且邻苯二甲酸酯类增塑剂普遍具有毒性，危害 生殖系统并有致癌风险。生物基阻燃剂阻燃剂的作用机理：在材料燃烧时抑制一种或多种要素的产生， 达到阻止或减缓燃烧的目的。 卤系阻燃剂在高温下会产生卤化氢、二噁英等有毒物质，对人 体有害。 2006 年开始，欧美国家开始严格限制卤素阻燃剂的 应用。 生物基材料可以代替卤系阻燃剂的原因：生物基材料含碳量高、 具有多羟基结构，具有优异的成炭性能。 通常生物质单独作为阻燃剂，对PLA的阻燃效果不佳，需要对 其改性或与其他阻燃剂进行复配。但是添加量超过10%，在提 高PLA阻燃性能时，会导致力学性能的下降，影响其使用性能。8 生物

19、基复合材料行业8.1 淀粉基塑料材料及制品：传统塑料污染的破局之术淀粉基生物降解塑料：一般是改性淀粉与生物降解聚酯(如PLA/PBAT/PBS/PHA/PPC等)的共混物，它能够完全生物降解，可堆肥，对环 境无污染，废弃物适合堆肥、填埋等处理方式。以淀粉为基础的生物基塑料：一般是改性淀粉与聚烯烃(如PP/PE/PS等)的混合物。它的环保意义在于能够减少石化资源的使用，减少二 氧化碳排放，废弃物适合焚烧处理。改性淀粉具有三大特点： 1.疏水性。淀粉经化学改性后完全疏水，并且水分含量1%，与其它合成高分子材料具有良好的相容性。 2.耐温性。改性淀粉在热塑加工过程中可承受230的高温而不变黄、不分解

20、。 3.热塑性。改性淀粉能够在塑料加工设备上热塑加工。随着消费者对塑料产品偏好的逐渐转移，可再生环保材料受市场追捧热度不断升温。受其影响，生物基塑料市场需求力度加大。 随着各国政府对生物塑料的重视。RnR Market Research公司称，近年来各国相继出台限塑令，不断加大对传统塑料使用的监管 力度，这有利于进一步推高生物基尤其是淀粉基塑料的需求走势。 目前，国内淀粉基材料及制品主要生产企业及现状如下：武汉华丽6万吨/年；深圳虹彩2.5万吨/年；苏州汉丰1万吨/年；浙江天禾 3.5万吨/年；浙江华发1万吨/年；山东必可成1万吨/年；其它生产企业还包括南京比澳格、常州龙骏等。8.2 木塑材料

21、：一种可替代木材、塑料、金属的新型环保材料木塑复合材料（ Wood-Plastic Composites ,WPC）是以木纤维和植物纤维为主 要原料（锯木、木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、棉秸秆等），再 和各种塑料（PE、PP、PVC、ABS和PE等），添加其他化学助剂，按一定比 例混合，经高温挤塑模具挤出成型。 木材的供应不足已经成为世界许多国家普遍存在的问题。木塑复合材料作为理 想的代木代塑新材料，具有防腐防蛀、防水防潮、耐磨阻燃、节能环保、可循 环再利用、力学性能强等诸多优点，其前景在国内外均被看好。目前我国木塑复合材料及制品的制造水平、产量及出口量已跃居世界前列，但 从木塑复合

22、材料行业竞争格局看，美国在木塑复合材料的生产开发和应用上依 然居于世界领先地位。相较美国木塑复合材料格局而言，差距具体表现在目前 国内木塑复合材料生产企业普遍规模较小、行业集中度低，真正有品牌影响力 的企业很少，产品应用领域和创新能力均有待提升。8.3 竹塑材料：一种具有多种用途的新型复合材料竹塑复合材料（Bamboo Plastic Composite，简称BPC）是以经过预处理改性的竹锯末、竹屑或竹渣等纤维为主要原料，利用高分子化学界 面融合原理，与熔融热塑性树脂（主要有PE，PP，PVC等）按一定比例混合，在助剂的作用下，经过高温混炼和成型加工而制得的一种具 有多种用途的新型复合材料。在

23、竹塑复合材料成分构成中，基体材料是树脂，竹纤维作为增强材料能够提高塑料的物理学性能，使废旧塑料 得到循环利用，改善生态环境。产品的主要用途： 竹塑复合板材的适用范围比较宽泛，多种类的产品具有比较大 的选择性。目前主要应用在树箱、户外铺板、室内地板、户 外 装饰扶手等领域。产品性能： 竹塑复合板材可锯、可刨、可钉，加工性能好，克服了天然木 材耐用性差、易燃、易潮、易腐等缺点；又避免了单纯塑料材 质的不足之外，是一种适应性较强的竹塑复合板材。与木材相 比，它各向同性好、耐候性和尺寸稳定性也好，产品不怕虫 蛀、不生真菌、抗强酸强碱、不吸收水分、不易变形、机械性 能好，制品耐用性比单纯的木质材料高数倍，且有坚硬、强 韧、耐久、耐磨等优点。与塑料相比，它适用于各种木材加工 方式，表面易于装饰，可印刷、油漆、喷除、覆膜，且产品可 回收利用，环保性能好，可生产各种颜色的整体木纹产品及单 色产品。报告节选：