聚乳酸性能、需求、制备方法及壁垒分析

聚乳酸性能优异，是最具市场前景的生物基可降解材料。

与传统塑料和其他可降解塑料相比，聚乳酸性能突出：第一是生物降解性，聚乳酸因其主链上有大量酯键-COOR，是有机物中最容易断裂的化学键，故易于降解。PLA 在堆肥条件下 8-25 周即可降解，即使在自然条件下 3-5 年也会完全降解，而传统塑料降解的时间在百年以上。第二是安全性，PLA 来源于植物，主要是玉米、蔗糖等制成乳酸，而乳酸本就是人体内的单体，故食物安全性很高。第三是原油替代性，PLA 来源于生物质材料，降低对石油资源的依赖，是资源优化的方向。第四是减碳特性，21 年工信部《“十四五”工业绿色发展规划》中明确提出将聚乳酸作为绿色低碳材料推广。同时，与其他可降解材料相比，PLA 本身材料性能优异，具有硬度高、力学性能好、透明度高、成本相对较低等特点。

聚乳酸作为可降解材料，目前主要用于一次性石油基塑料的替代，短期内需求受国内外政策影响较大。PLA 下游主要应用于吸管、膜袋类产品、一次性餐具、3D 打印等领域。据海正生材招股说明书统计，2021年国内 PLA 消费量为 4.8 万吨。根据聚如如资讯统计，2022 年中国聚乳酸表观消费量约7.5-8 万吨，其中，净进口 1.2 万吨（约进口 2 万吨，出口 8000 吨）。政策方面，2022 年 10 月，国家邮政局强调，2025年底确保全国范围邮政快递网点使用不可降解的塑料包装袋、塑料胶带、一次性编织袋等。2023 年2 月，国家标准《生物基塑料的碳足迹和环境足迹第一部分：通则》正式实施。2023 年 4 月，《中华人民共和国和法兰西共和国联合声明》中提到，中法两国重申各自碳中和/碳达峰承诺；中法两国反对塑料污染（包括微塑料污染）。国内塑料行业标准日趋完善，随着疫情放开，消费复苏有望带动 PLA 需求上涨。根据海正生材招股说明书预测，到“十四五”末期仅快递、外卖、地膜和塑料这四个领域对聚乳酸的需求量就将达到112.7万吨，而目前国内的消费量不到十万吨，聚乳酸行业发展空间广阔。

聚乳酸具有良好的成纤性，除了一次性塑料的替代之外，聚乳酸的长期应用价值有望体现在纺织领域。塑料垃圾会带给人们直接的视觉冲击，但人类肉眼看不见的微塑料也在扩散。学界将直径小于5mm的塑料颗粒、纤维和薄膜定义为微塑料。每次清洗含有合成纤维面料的衣物可以产生2000 颗塑料微珠。2019年，美国三藩市河口研究所在一份研究报告中指出，每年至少有 7 万亿颗塑料微粒通过旧金山湾进入大海，这些塑料微粒大部分来自衣物清洗和卫生用品的使用。最终塑料会通过食物链进入人体，据澳大利亚纽卡斯尔大学研究称，每个人一周内约等于食用一张信用卡大小的塑料。聚乳酸纤维性能优异，具有质量轻、强度高、抑菌性好、回弹性好、难燃烧、抗紫外线等优良特性，可以纯纺，也可以与棉、粘胶、莫代尔、天丝、竹纤维、羊毛等混纺，具有较好的化学惰性，对许多溶剂包括干洗剂稳定。聚乳酸纤维排螨率达到86%，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念球菌的抑菌率高达 98%，其保温性是棉花蚕丝的1.8 倍，且更为透气不易发霉，更适合潮湿的南方地区。聚乳酸制成的衣物柔软舒适、吸湿排汗、抗紫外线且抑菌能力强，未来有望在纺织领域部分替代涤纶/聚酯等产品。

聚乳酸行业在国内刚刚起步，目前处于政策导入期，发展空间大。根据海正生材招股说明书预测，到“十四五”末期仅快递、外卖、地膜和塑料这四个领域对聚乳酸的需求量就将达到112.7 万吨。长期来看，在纺织领域，聚乳酸有望承担起重要替代角色，而 2022 年国内 PLA 总需求量仅在7 万吨左右，聚乳酸行业发展空间广阔。

丙交酯开环聚合法是生产高品质大分子量聚乳酸的主要方法。聚乳酸的制备方法总体上可以分为两种：一种是由“乳酸—丙交酯”与“丙交酯—聚乳酸”两阶段构成的“两步法”工艺（或称“间接法”），采用“两步法”工艺生产聚乳酸，第一步是将乳酸进行脱水酯化，制得乳酸低聚物，再将乳酸低聚物环化制得丙交酯，并对丙交酯进行提纯得到高纯度丙交酯；第二步是将丙交酯进行开环聚合，即可得到纯聚乳酸。另一种是乳酸直接缩聚成聚乳酸的“一步法”工艺（或称“直接法”），采用“一步法”工艺生产制成的聚乳酸分子量较低，不能满足下游产品对聚乳酸材料机械性能、耐久性等方面的需求，并且无法有效抑制生产过程中的可逆反应，产品的收率较低，两步法为目前生产聚乳酸的主要方法。

丙交酯是 PLA 生产的核心中间体，技术和工艺壁垒高。目前，由乳酸单体聚合生产聚乳酸采用“两步法”工艺进行生产时，中间体丙交酯的合成和纯化反应条件苛刻、工艺复杂、技术要求较高。丙交酯的生产步骤主要包括利用乳酸先缩聚生成乳酸寡聚体，再将乳酸寡聚体解聚环化生成丙交酯。整个生产过程需要在高温、负压以及催化条件下进行，目前来看生产过程中的技术难点主要包括反应器材质要求苛刻、反应体系黏度过大、反应条件难以控制、催化剂难以选择以及综合收率难以提高等。由于必须用高纯度丙交酯才能合成分子量高、物理性能好的聚乳酸，因此，高纯度丙交酯的制造成为“两步法”工艺流程中的核心和难点，也是国内聚乳酸企业遇到的主要技术壁垒。

行业技术壁垒高，先发者优势显著。聚乳酸行业存在较高的进入壁垒，主要体现在以下三方面：1）行业学科跨度大，人才汇集难度大：聚乳酸生产过程有多个阶段，从玉米制成蔗糖，蔗糖发酵产生乳酸，乳酸预聚合形成丙交酯，丙交酯再开环聚合形成聚乳酸，整个生产过程涉及微生物发酵、化学工程、高分子聚合等多方面学科，需集齐各学科人才集中发力。 2）投入大，回报周期长：若要将生产过程中的几个大环节组成一个系统，一次性资金投入很大，投资10 万吨级别的聚乳酸产线需要 10 亿的初始投入，且建设期至少要三年时间。3）丙交酯规模化生产难度大：从历史经验来看，聚乳酸生产企业要实现万吨级规模的量产都摸索了数十年时间，从小试、中试到规模化生产一步步突破完善。NatureWorks 在 2002 年正式投产14 万吨产线，2018年才实现满产；TCP 从 2008 年攻坚丙交酯技术，2011 年在泰国投产丙交酯产线，2018 年实现乳酸到聚乳酸的全产线投产；海正生材 2004 年建成年产 30 吨聚乳酸小试生产线，花费十年时间与长春应化所实现丙交酯量产技术落地，2019 年实现万吨级规模化生产。

鉴于行业的高技术壁垒，我们认为后进入者突破难度较大，丙交酯的量产技术可能会限制国内聚乳酸新增产能的落地，国内新增规划产能可能会推迟。目前全球掌握“乳酸-丙交酯-聚乳酸”全部工段的企业仅有美国 NatureWorks、TCP 以及国内的海正生材、丰原生物四家。目前，NatureWorks 拥有PLA产能15万吨，TCP 拥有 7.5 万吨产能，丰原生物称拥有 10 万吨产能，海正生材拥有 4 万吨产能，全球总产能36.5万吨，国内产能 14 万吨。由于该行业前景广阔，国内企业积极向这一新兴市场拓展，加快布局步伐。根据海正生材招股说明书统计，未来 3 年我国聚乳酸生产线设计产能累计增量将超100 万吨，但由于行业比较高的技术量产壁垒，我们认为新增产能实际落地时间可能会延迟，对于目前还没有丙交酯中试产线的企业来说，若要实现聚乳酸规模化量产还为时尚早。