紡織原材料之資源替代是一場持久戰
發布日期： [2011/6/29]
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只要人類存在頭天，紡織服裝就是必不可少的民生產業。要維持這一行業的可持續發展，資源問題就必須解決。僅從目前的紡織原料結構來看，棉花和化學纖維分別占據了半壁江山，毛、麻、絲等其他資源占據很小比例。棉價的大起大落及世界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;化纖近十年來發展勢頭強勁且正當其時，但致命的是，90%以上的化纖產品依賴于石油資源。
事實上，近幾年紡織化纖行業已經明確了支撐行業可持續發展的一條“光明大道”——生物質纖維及生化原料產業。但因為這一產業本身處于初高等階段，真正產生巨大的經濟效益和社會效益還需要不短的時間，因此還需要更廣泛的力量參與。連續兩屆在中國生物產業大會上舉辦的“生物質纖維及生化原料論壇”，為這一產業吹響了沖鋒號。尤其是針對如何在30年內初步實現原料替代與過程替代，本屆論壇進行了深入而具體的探索。
應用纖維素還要破除障礙
發展生物質纖維及生化原料的收官之作目標，是實現原料替代與過程替代。同時，采用傳統方法實現紡織化纖產品差別化發展已經走到了盡頭，生化技術將為產品差別化帶來新的突破。為此，近日在論壇上廣泛探討的“生物質纖維與生化原料科技與產業30年發展路線圖(以下簡稱‘30年路線圖’)”初步規劃：到2020年紡織化纖行業使用生物質纖維實現原料替代5%，2030年達到10%，2040年將達到20%，屆時紡織原料格局將更加多元化，資源瓶頸將得到有效緩解。
數據的確具有誘惑力，但支撐這些目標實現的可行途徑是什么?業內認為，開發秸稈、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2020年實現原料(除去現有短絨、木漿以外的原料)替代10%，2030年達到20%，2040年達到40%;
纖維素是自然界賦予人類的較豐富的高分子物質，它不僅來源廣泛，而且是可再生的資源。據科學家估計，自然界通過光合作用每年可產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。纖維素在應用開發中的較大障礙，是天然纖維素具有較高的結晶度，同時分子間和分子內存在大量的氫鍵，使其不溶于大多數有機溶劑。以麥草、稻草等農作物秸稈纖維為例，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、經濟地從天然資源中分離制備紡織纖維?這個大難題吸引了多方人士的關注。據中國科學院過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。他們突破了單一組分利用，以蒸汽爆破為核心技術，實現了秸稈組分分離，充分運用組分分層多高等轉化技術，實現了秸稈資源的生物量全利用，并對多產品的生態產業鏈進行試驗開發。
雖然取得了一些進展，但對自然界資源的利用技術還有待開發。為此，30年路線圖將秸稈高效低能耗預處理技術、生物法漢麻綜合處理技術、高效低成本纖維素菌和酶生產技術、離子液體新介質應用于纖維素生產高值化產品技術、木質素改性加工技術、木質素熔融紡絲技術、工業酶和生物催化劑、海洋生物質綜合利用、生物質纖維高性能化技術、生物質生物量全利用技術集成和生態產業鏈的建立這10項技術，作為行業共性的技術與基礎進行研究，以期有所突破。
多路徑嘗試替代粘膠法
新工藝的研究，一方面是為了利用自然界更廣泛的資源，另一方面也是為了生產過程更加高效、清潔，減少對能源的使用和環境的危害，也就是30年路線圖中提到的用生化技術實現“過程替代”。30年路線圖初步規劃，到2020年行業過程替代平均水平將達5%，2030年實現17%，2040年增長至24%。
從19世紀末發明粘膠法生產再生纖維素纖維至今，好品質多年過去了，各種生產生物質纖維的新技術不斷涌現，然而從纖維的產量比例來看，粘膠法依然占據著不可動搖的主導地位。雖然粘膠纖維行業在清潔生產上下了很大功夫，也取得了明顯的成績，但其制漿過程中產生的黑液還不能完全消除對環境的污染。正是為了徹底解決這一問題，業內愈挫愈勇，多年來不間斷地探索對環境友好高效的新途徑。目前看來，在行業內已經形成一定氣候的、對環境友好的生產再生纖維素纖維的途徑，一是新溶劑法即Lyocell(萊賽爾)途徑，代表企業有上海紡織(控股)集團，中國紡織科學院與新鄉化纖;二是離子液法，由山東海龍重點研究;三是較近引起業內高度關注的水體系低溫溶解法，由武漢大學張俐娜教授帶領的團隊研發。
采用溶劑法生產纖維素纖維已經在國內研究了若干年，但進展緩慢。即使已經形成了千噸高等的產業化規模，但在經濟效益、技術成熟度方面還需要更多考量。溶劑法纖維素制備過程都是圍繞著如何削弱纖維素分之間的氫鍵展開的。中國紡織科學研究院顧問趙慶章詳細解釋了溶劑法的難點：一是該工藝對原料的要求高，沒有后期調節的空間;二是溶解過程短，脫水的范圍窄且連續;三是紡絲必須采用干噴濕紡的工藝路線，紡絲液具有極高的粘度;四是作為溶劑的NMMO本身有一定的不穩定性，需采取一系列安全措施;五是溶劑回收要滿足高回收率和節能的要求，只有當其回收率大于99%時，才有工業化生產的經濟價值。目前，國外Lenzing公司仍是單個具有大規模Lyocell纖維生產能力的公司，2010年其新增產能1萬噸，達到14萬噸規模。
采用7%氫氧化鈉(NaOH)/12%尿素水溶液，該溶劑冷卻到零下12℃時，能迅速溶解纖維素(其分子量在1.2×105以下)，溶解時間僅需2分鐘，達到纖維素歷史上較快的溶解速度，這就是由武漢大學張俐娜教授為首研發的水體系低溫溶解法。據了解，該途徑比粘膠法的成本略低，對生產裝備也沒有特殊要求。張俐娜由此獲得國際纖維素與可再生資源材料領域的較高獎項——安塞姆·佩恩獎。目前，經過與相關企業合作，該路線已取得初步工業化試驗成果。在中國工程院相關院士的建議下，張俐娜的團隊正與唐山三友興達化纖展開合作，未來前景值得期待。
合成纖維一改傳統聚酯形象
在生物大家族中，生物質合成纖維量大面廣。它既秉承了傳統合成纖維的優點，又因包含生物結構而具備可降解、舒適等性能。在30年路線圖規劃中，生物質合成纖維原料替代的目標是2020年實現5%，2030年達到10%，2040年實現20%;其過程替代的目標是2020年達到5%，2030年達10%，2030年實現15%。目前看來，生物質合成纖維重點包括PTT、PLA、PHBV、PBS纖維等，即平時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鍵技術及產業化科技成果鑒定會在江蘇陽光股份有限公司召開。經過多年發展，PTT纖維及產業化應用逐漸成熟。同時，長期制約PTT纖維產業發展的原料PDO(1，3-丙二醇)，在制備生產上也取得了可喜的進步。如江蘇盛虹集團不僅擁有3萬噸/年的專業化PTT紡絲生產線，還建設了PTT聚合生產線，同時生產原料1，3-丙二醇，形成完整的PTT產業鏈，打破國外壟斷。
事實上，近幾年紡織化纖行業已經明確了支撐行業可持續發展的一條“光明大道”——生物質纖維及生化原料產業。但因為這一產業本身處于初高等階段，真正產生巨大的經濟效益和社會效益還需要不短的時間，因此還需要更廣泛的力量參與。連續兩屆在中國生物產業大會上舉辦的“生物質纖維及生化原料論壇”，為這一產業吹響了沖鋒號。尤其是針對如何在30年內初步實現原料替代與過程替代，本屆論壇進行了深入而具體的探索。
應用纖維素還要破除障礙
發展生物質纖維及生化原料的收官之作目標，是實現原料替代與過程替代。同時，采用傳統方法實現紡織化纖產品差別化發展已經走到了盡頭，生化技術將為產品差別化帶來新的突破。為此，近日在論壇上廣泛探討的“生物質纖維與生化原料科技與產業30年發展路線圖(以下簡稱‘30年路線圖’)”初步規劃：到2020年紡織化纖行業使用生物質纖維實現原料替代5%，2030年達到10%，2040年將達到20%，屆時紡織原料格局將更加多元化，資源瓶頸將得到有效緩解。
數據的確具有誘惑力，但支撐這些目標實現的可行途徑是什么?業內認為，開發秸稈、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2020年實現原料(除去現有短絨、木漿以外的原料)替代10%，2030年達到20%，2040年達到40%;
纖維素是自然界賦予人類的較豐富的高分子物質，它不僅來源廣泛，而且是可再生的資源。據科學家估計，自然界通過光合作用每年可產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。纖維素在應用開發中的較大障礙，是天然纖維素具有較高的結晶度，同時分子間和分子內存在大量的氫鍵，使其不溶于大多數有機溶劑。以麥草、稻草等農作物秸稈纖維為例，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、經濟地從天然資源中分離制備紡織纖維?這個大難題吸引了多方人士的關注。據中國科學院過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。他們突破了單一組分利用，以蒸汽爆破為核心技術，實現了秸稈組分分離，充分運用組分分層多高等轉化技術，實現了秸稈資源的生物量全利用，并對多產品的生態產業鏈進行試驗開發。
雖然取得了一些進展，但對自然界資源的利用技術還有待開發。為此，30年路線圖將秸稈高效低能耗預處理技術、生物法漢麻綜合處理技術、高效低成本纖維素菌和酶生產技術、離子液體新介質應用于纖維素生產高值化產品技術、木質素改性加工技術、木質素熔融紡絲技術、工業酶和生物催化劑、海洋生物質綜合利用、生物質纖維高性能化技術、生物質生物量全利用技術集成和生態產業鏈的建立這10項技術，作為行業共性的技術與基礎進行研究，以期有所突破。
多路徑嘗試替代粘膠法
新工藝的研究，一方面是為了利用自然界更廣泛的資源，另一方面也是為了生產過程更加高效、清潔，減少對能源的使用和環境的危害，也就是30年路線圖中提到的用生化技術實現“過程替代”。30年路線圖初步規劃，到2020年行業過程替代平均水平將達5%，2030年實現17%，2040年增長至24%。
從19世紀末發明粘膠法生產再生纖維素纖維至今，好品質多年過去了，各種生產生物質纖維的新技術不斷涌現，然而從纖維的產量比例來看，粘膠法依然占據著不可動搖的主導地位。雖然粘膠纖維行業在清潔生產上下了很大功夫，也取得了明顯的成績，但其制漿過程中產生的黑液還不能完全消除對環境的污染。正是為了徹底解決這一問題，業內愈挫愈勇，多年來不間斷地探索對環境友好高效的新途徑。目前看來，在行業內已經形成一定氣候的、對環境友好的生產再生纖維素纖維的途徑，一是新溶劑法即Lyocell(萊賽爾)途徑，代表企業有上海紡織(控股)集團，中國紡織科學院與新鄉化纖;二是離子液法，由山東海龍重點研究;三是較近引起業內高度關注的水體系低溫溶解法，由武漢大學張俐娜教授帶領的團隊研發。
采用溶劑法生產纖維素纖維已經在國內研究了若干年，但進展緩慢。即使已經形成了千噸高等的產業化規模，但在經濟效益、技術成熟度方面還需要更多考量。溶劑法纖維素制備過程都是圍繞著如何削弱纖維素分之間的氫鍵展開的。中國紡織科學研究院顧問趙慶章詳細解釋了溶劑法的難點：一是該工藝對原料的要求高，沒有后期調節的空間;二是溶解過程短，脫水的范圍窄且連續;三是紡絲必須采用干噴濕紡的工藝路線，紡絲液具有極高的粘度;四是作為溶劑的NMMO本身有一定的不穩定性，需采取一系列安全措施;五是溶劑回收要滿足高回收率和節能的要求，只有當其回收率大于99%時，才有工業化生產的經濟價值。目前，國外Lenzing公司仍是單個具有大規模Lyocell纖維生產能力的公司，2010年其新增產能1萬噸，達到14萬噸規模。
采用7%氫氧化鈉(NaOH)/12%尿素水溶液，該溶劑冷卻到零下12℃時，能迅速溶解纖維素(其分子量在1.2×105以下)，溶解時間僅需2分鐘，達到纖維素歷史上較快的溶解速度，這就是由武漢大學張俐娜教授為首研發的水體系低溫溶解法。據了解，該途徑比粘膠法的成本略低，對生產裝備也沒有特殊要求。張俐娜由此獲得國際纖維素與可再生資源材料領域的較高獎項——安塞姆·佩恩獎。目前，經過與相關企業合作，該路線已取得初步工業化試驗成果。在中國工程院相關院士的建議下，張俐娜的團隊正與唐山三友興達化纖展開合作，未來前景值得期待。
合成纖維一改傳統聚酯形象
在生物大家族中，生物質合成纖維量大面廣。它既秉承了傳統合成纖維的優點，又因包含生物結構而具備可降解、舒適等性能。在30年路線圖規劃中，生物質合成纖維原料替代的目標是2020年實現5%，2030年達到10%，2040年實現20%;其過程替代的目標是2020年達到5%，2030年達10%，2030年實現15%。目前看來，生物質合成纖維重點包括PTT、PLA、PHBV、PBS纖維等，即平時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鍵技術及產業化科技成果鑒定會在江蘇陽光股份有限公司召開。經過多年發展，PTT纖維及產業化應用逐漸成熟。同時，長期制約PTT纖維產業發展的原料PDO(1，3-丙二醇)，在制備生產上也取得了可喜的進步。如江蘇盛虹集團不僅擁有3萬噸/年的專業化PTT紡絲生產線，還建設了PTT聚合生產線，同時生產原料1，3-丙二醇，形成完整的PTT產業鏈，打破國外壟斷。