1.課題來源和背景
聚乙醇酸(PGA)又稱聚乙交酯,是一種單元碳數最少、具有可完全分解的醋結構、降解速度最快的脂肪族聚醋類高分子材料。PGA 最終降解的產物是對人體和環(huán)境無毒無害的 CO2和 H2O,已在美國、歐盟和日本獲得可安全生物降解的塑料材料認證。PGA 擁有諸多優(yōu)異特性,例如氣體阻隔性優(yōu)良、生物相容性極佳、力學強度大等。更重要的是,PGA 生物降解性能突出可同時滿足工業(yè)堆肥、家庭堆肥以及海水降解的要求。此外,PGA與其他傳統(tǒng)塑料(EPS,PP,PE等)共混時,可以誘發(fā)顯著提升這些材料的降解性能。
根據HIS Markit的研究報道顯示,2013-2014年PGA全球市場需求量僅為幾百噸,隨著工業(yè)化裝置投產及油氣開采領域的應用,2017年需求量增至千噸級。2020年全球PGA需求量上升至約5000噸,全球PGA銷售收入約為12.2億美元,預計2023-2025年間將以5.2%左右的增速增長,到2025年市場規(guī)模將達到15.7億美元以上。目前日本吳羽化學是世界上唯一一家可以大量穩(wěn)定合成生產 PGA 的公司,占據市場份額的 95%,年收益趨近幾十億美金。
制備高品質聚乙醇酸的“卡脖子”材料為高純度乙交酯,乙交酯環(huán)張力大,在空氣、酸、堿及醇等親核試劑條件下極易分解,目前工藝產率低,提純難,純度低,成本高。乙交酯的純度直接影響聚乙醇酸的整體性能。由于傳統(tǒng)工藝的諸多問題,PGA一直沒有實現大規(guī)模工業(yè)化生產,截止至2022年7月,我國聚乙醇酸報建產能不超過0.5萬噸,均未實現產業(yè)化生產。
發(fā)展乙交酯的簡潔高效的制備工藝,是合成高分子量PGA的根本所在,也是本項目擬解決的關鍵科學問題。因此深圳有為通過兩步法合成乙交酯的顛覆性創(chuàng)新,大幅度降低PGA的成本,填補我國在該領域的技術空白,帶動相關可降解材料的研發(fā)與應用,助力國家可持續(xù)發(fā)展產業(yè)升級。
2.技術原理及性能指標
本項目顛覆性創(chuàng)新工藝,第一步催化縮合,自大宗易得的C1原料甲醇和C2原料環(huán)氧乙烷(等價物乙二醇)經催化縮合得到中間體化合物;第二步催化氧化羰基化,即由中間體和在氧化催化劑存在下高效轉化為乙交酯,工藝全流程不涉及高溫高壓,生產設備80%屬于標準設備,20%屬于自主設計后委外加工制造。第三步乙交酯直接開環(huán)聚合得到PGA。
本項目兩步法制備高純度乙交酯,具體表現為:
1.大眾化原材料,成本低;
2.工藝路線短,無高溫高壓,無敏感工藝,三廢排放,安全環(huán)保;
3.高產率,產率大于90%;
4.高純度,純度可達99.9%;
5.水含量小于0.03%;
6.酸含量為0.0012mol/100g;
7.無敏感金屬添加。
3. 技術的成熟度及適用范圍
該項目的技術基礎建立在扎實的化學原理以及大量的實驗數據急基礎之上,科研團隊對反應機理進行了深入研究。項目的基礎研究在企業(yè)內部實驗室已取得顯著成果。關鍵技術的反應機理、合成路線以及工藝參數等都經過了系統(tǒng)的理論研究和初步的實驗驗證。在完成實驗室小試后,項目順利通過了中試階段,為噸級生產提供了夯實的實驗數據。此項目工藝流程極為簡短,工藝條件第一步是常溫常壓水相反應,第二步是常壓微溫反應,熱力學特質十分溫和可控,全程無任何貴金屬或空氣敏感性催化劑參與;今年第三季度迅速完成了“噸級”放大驗證,并且在噸級生產階段已持續(xù)5個月,共連續(xù)生產30余噸,期間未觀察到任何異常現象。
本項目工藝得到乙交酯的純度高達99.9%以上,產品無任何重金屬離子,水含量小于0.03%,酸含量為0.0012mol/100g,所生產的聚合PGA外觀色澤潔白,分子量可調控(5萬-25萬),完全媲美并超越日本吳羽化學公司競品。
PGA擁有諸多優(yōu)異特性,例如氣體阻隔性優(yōu)良、 生物相容性極佳、力學強度大、耐高溫性能優(yōu)異等。更重要的是,PGA生物降解性能突出,同時滿足工業(yè)堆肥、家庭堆肥以及海水降解的要求。它還具有獨有的誘發(fā)降解的特性,作為共混改性的核心材料,覆蓋傳統(tǒng)塑料在食品包裝和農業(yè)生產的相關應用領域。因此,PGA在高端生物醫(yī)用可降解材料、油氣開采、包裝、一次性降解材料等領域具有良好的應用與產業(yè)化前景。目前,PGA的應用主要表現在生物醫(yī)學和石油開采兩個方面。其中,生物醫(yī)學領域的應用主要表現在醫(yī)用縫合線、藥物控釋載體、骨折固定材料、組織工程支架、縫合補強材料等;石油開采領域的應用是 PGA 能夠作為水力壓裂過程中的可降解工具或助劑,如壓裂球、橋塞以及可降解暫堵劑等。
深圳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作為國內知名的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事,匯聚了眾多優(yōu)秀的創(chuàng)業(yè)項目和團隊,本項目2023年在第十五屆中國深圳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中脫穎而出榮獲優(yōu)秀獎。
1.王智剛 2.邢祥友 3.金明宇
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評價單位: |
中國電子節(jié)能技術協(xié)會 |
報告編號: |
中電節(jié)評字【2025】第CG020號 |
評價日期: |
2025-01-16 |
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組織單位: |
中國電子節(jié)能技術協(xié)會 |
項目負責: |
羅愛芳 |
成果管理: |
18188617606 |
2025年1月16日,中國電子節(jié)能技術協(xié)會在北京主持召開深圳有為技術控股集團有限公司研發(fā)的“乙交酯及聚乙醇酸創(chuàng)新產業(yè)化原創(chuàng)工藝”科技成果評價會。評價委員會聽取了項目完成單位的技術總結報告,審查了相關資料,經質詢和討論形成意見如下:
1. 提供的資料基本齊全,符合評價要求。
2. 該項目的關鍵技術及主要創(chuàng)新點:
(1)首創(chuàng)了PGA核心原料乙交酯的全新合成法路線。即通過乙二醇或環(huán)氧乙烷氧化縮合制備中間體,再經過催化氧化羰基化“兩步法”得到乙交酯。與乙醇酸甲酯、乙醇酸作為中間原料的工藝路線相比,產品純度高(乙交酯純度99.9%)、工藝技術經濟指標明顯提高。
(2)該項目制備乙交酯和PGA原料廣泛易得、反應條件溫和、工藝步驟簡短。與國際國內現有工業(yè)合成法相比成本大幅度降低。
(3)乙交酯工藝已完成1200噸/年中試,具備工業(yè)化的基本條件,市場前景良好。
3. 該項目技術已申請多項國家發(fā)明專利。
評價委員會認為該項目技術達到國際領先水平,一致同意通過科技成果評價。
| 姓名 |
工作單位 |
職稱 |
從事專業(yè) |
| 黃利斌 |
工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司 |
正高 | |
| 張序國 |
科技部火炬中心 |
正高 | |
| 何祚云 |
中國石化長城能源化工有限公司 |
正高 | |
| 李建武 |
北京理工大學 |
正高 | |
| 趙謖玲 |
北京交通大學教育部重點實驗室 |
正高 | |
| 張青 |
中國信通院 |
副高 | |
| 李云婷 |
廣州賽寶認證中心 |
副高 | |