可降解塑料行业专题报告:500亿元市场空间可期

1. 塑料可降解是解决白色污染的根本路径

1.1. 白色污染严峻,可降解塑料是破局关键

1.1.1. 以塑料袋为代表的垃圾为世界公认的白色垃圾

未降解的废弃塑料会对社会和生态环境带来很大的危害。多数科学家估计,每年有 800 万吨的塑料倾倒入海洋中,目前海洋中估计有 1.5 亿吨塑料,根据海洋管理局的资 料,在未来不到 10 年的时间,科学家预测海洋中将会有 2.5 亿吨塑料,这会对海洋生物 造成致命的打击。同时,塑料合成过程中为了达到使用要求,需要添加很多助剂,这些助 剂绝大部分都是有毒的,可以使土壤板结,破坏土壤结构,引起土壤生物性污染,破坏土壤 生态环境。

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1.1.2. 可降解塑料为从根本上解决白色污染问题的关键

根据降解机理来分类,生物降解塑料应用性最强。所谓生物降解,由自然界存在的 微生物如细菌、霉菌(真菌)和藻类的作用而引起降解。理想的生物降解塑料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳 素循环的一个组成部分的高分子材料。由于生物降解是主要的可降解塑料品种,因此通 常我们所说的可降解塑料即生物降解塑料,由于其可以从根本上解决白色污染问题而受 到各方重视。

生物降解根据降解程度又可分为部分降解和完全降解,其中 PE/淀粉混合塑料等只 能达到部分降解的程度,而具有代表性的生物基聚乳酸(PLA)和石油基聚(己二酸丁 二醇酯-co-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)能够实现完全降解。

根据智研咨询的数据,2019 年全球生物降解塑料产能合计约为 107.7 万吨,淀粉基 塑料占比高达 38%,当前使用量最大,其次分别是 PBAT(25%)和 PLA(24%)。淀粉 基材料作为基体材料并不具有很好的力学性能,通常作为 PLA、PBAT 等可降解塑料的 填充物以降低成本。

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1.2. PLA 和 PBAT 是目前最具前景的可降解塑料品种

可降解塑料的降解性能或来源于自身的结构特性,或是其中加入的促降解助剂赋予 的。按照原料来源,其可分为生物基的 PLA、PGA 和 PHA 等,和石油基的 PBAT、PBS 和 PCL 等,其中,PLA 是目前使用量最大的可降解塑料类型。

1.2.1. PLA——最有前景的生物基可降解塑料

PLA,又称聚丙交酯,因其多由乳酸环状二聚体(即丙交酯)开环聚合制备而得名, 也可由其他合成方法如乳酸直接缩聚法和直接固相聚合法来制备聚乳酸。由于乳酸分子 中有一个手性碳原子、两个光学异构体,因此聚乳酸材料又可分为聚左旋乳酸(PLLA)、 聚右旋乳酸(PDLA)和聚消旋乳酸(PDLLA)三种。其中,PLLA 为部分结晶性聚合 物、质地较硬,PDLA 为结晶性聚合物,而 PDLLA 因分子链中两种异构体无法排列成 有序的结晶结构,因此属无定形透明聚合物,这三种聚合产物各有市场应用。

聚乳酸可以通过乳酸直接缩聚法制备,但是这种方法所制得的产物分子量较低,实 用性不高;另一种主要方法是先由乳酸制得丙交酯,再在催化剂的作用下进行开环聚合, 这种开环聚合法可以制得分子量高达 70 万-100 万的 PLA。

PLA 无毒,与生物相容性良好,机械性能、韧性、耐热性优良,透明程度高,同时 对水蒸汽和氧气的透过性高,PLA 的应用场景主要分为生活用、农林环保用、纺织用、 复合材料、组织工程和 3D 打印材料等 6 大类。PLA 的加工需要苛刻的加工环境,还需 要专门改造的加工设备。同时 PLA 是典型的水解降解高分子材料,因此存贮过程需要 苛刻的干燥环境,材料必须铝塑包装,而且存贮期不能超过 2 年,在非密封包装时,存 贮期不超过 6 个月,50℃条件下更是只有几个小时的存放时间。因此,PLA 制品的贮存 成本较高。

2018 年全球 PLA 产能超过 50 万吨/年,其中美国 NatureWorks 公司占据了全球 30% 以上的聚乳酸产能,为最大 PLA 供应商。PLA 的生产在我国目前仍属起步发展阶段, 国内 PLA 的供应量约为 30 万吨/年,多数公司的产能仍停留在 2 万吨/年左右。

PLA 制备技术长期的被国外公司所垄断,导致聚乳酸近两年严重供不应求,2019 年价格整体上涨 60%。

1.2.2. PBAT——最有前景的石油基可降解塑料

聚(己二酸丁二醇酯-co-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)是典型的生物可降解塑料, 由丁二醇和对苯二甲酸单体组成的刚性对苯二甲酸丁二醇酯链段(BT 链段),而柔韧的 己二酸丁二醇酯部分(BA 部分)则是由 1,4-丁二醇和己二酸单体组成,因此其既具有 脂肪族聚酯良好的生物可降解性和柔韧性,也具有芳香族聚酯的良好力学性能、冲击性 能和耐热性。

PBAT 采用酯化-缩聚反应来进行工业化制备,随着 2010 年中科院理化所在制备 PBAT 技术方面取得突破,国内具有自主技术的生产装置项目不断增多,其生产成本有望进一步降 低。截止目前,国内 PBAT 产能已达到 22 万吨/年,相对其他可降解塑料品种,占据绝对的 产能优势地位。

1.2.3. 其他具备较强应用前景的可降解塑料品种

聚乙醇酸(PGA),又称聚羟基乙酸,是一种单元碳数最少、具有可完全分解的酯 结构、降解速度最快的脂肪族聚酯类高分子材料。聚乙醇酸最初的原料是乙醇酸,广泛 存在于自然界,但因其分离提纯难度大,目前工业上都是通过有机合成的方法制备

国际上主要通过乙醇酸、乙醇酸酯、乙交酯等原料在催化剂作用下缩聚生成 PGA, 主流的工艺路线为先由乙醇酸制备乙交酯、再将乙交酯开环聚合;另一种被报道的方法 是熔融/固相缩聚法,即先在熔融状态下制备低聚物,再将低聚物打碎后进行固相缩聚, 可用这种方法来制备高相对分子质量的 PGA。

PGA 产品具有良好的气体阻隔性、生物相容性和可降解性,但是目前国内技术不成 熟,以国外进口为主,量少价贵,可用于药物缓释材料、组织工程材料、手术缝合线等 高附加值的医用领域。

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是细菌在生长条件不平衡时产生的代谢产物,其生理功能 是首先作为体内的碳源和能量储存物质。常用的 PHA 合成方法有纯菌发酵法、基因重 组法和混合培养法 3 种。通常情况下,短链 PHA 具有比较高的结晶度,表现出强而硬的塑料特性,而中长链的 PHA 由于结晶度很低,表现出软而韧的弹性体特征。

目前 PHA 原料价格比较昂贵,主要用于医学领域,比如手术缝纫线、组织工程支 架材料、药物载体材料等。PHA 热稳定差、加工窗口窄,因此目前没有工业化手段大规 模生产 PHA 纤维材料。

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是以脂肪族丁二酸、丁二醇为原料制备的新一代全生物 可降解材料,可通过石油制取,也可通过生物发酵来制备。PBS 降解性能优异,具有良 好的生物相容性和耐热性能,其加工性能是目前降解塑料中最好的,几乎可在现有通用 塑料加工设备上进行各类成型加工,同时可以将大量碳酸钙、淀粉等廉价填料与 PBS 共混,以降低成本。其在包餐饮用材、发泡包材、日用品瓶、农用薄膜、农药及化肥缓 释材料等领域有广泛应用。

由于我国丁二酸原料有限,PBS 本身产量不高,其衍生物 PBAT 和 PBSA 应用较多。 PBAT、PBSA 与 PBS 主要性能相当,但加工性能不及 PBS。中国 PBS 研究和产业化起 步较晚,但发展速度较快。PBS 产业化项目于 2002 年列入中科院创新工程项目,并得 到国家重视。国内 PBS 生产规模较大的企业有安徽安庆和兴化公司、杭州鑫富药业、江 苏邗江佳美高分子材料、山东汇盈新材料等。

聚己内酯(PCL),由ε-己内酯在金属有机化合物(如四苯基锡)做催化剂、二羟 基或三羟基做引发剂条件下开环聚合而成,属于聚合型聚酯。PCL 为分子量较低的无色 结晶固体,熔融温度为 63℃,热稳定性、水解稳定性和低温特性优良,可与组织体的细 胞和多种常用聚合物良好相容。在土壤环境中,经过 6-12 月可完全分解成 CO2 和 H2O。

PCL 的单体ε-己内酯目前有三条主要制备路径:过氧酸氧化工艺、6-羟基己酸酯环 化工艺和催化氧化工艺,各有缺点。受到生产效率和规模的制约,PCL 价格仍高于普通 塑料高 2-8 倍,当前仍以高附加值的包装材料和医用材料为其主要应用方向。

国外的ε-己内酯生产企业主要有柏斯托、巴斯夫、大赛璐、美国 Union carbide corporation(UCC)及国内的巴陵石化等公司。我国聚己内酯(PCL)主要从瑞典 Perstorp、 UCC 和日本大赛璐进口。

2. 可降解塑料市场需求受益于政策加码而不断扩大

2.1. 环保政策加码驱动可降解塑料的发展

2.1.1. 从西方到亚洲,限塑、禁塑政策逐步普及

塑料发明于 20 世纪 50 年代,随着塑料的大规模应用,环保主义者于 20 世纪 70 年 代提出塑料不可降解。可降解塑料最早起源于欧洲,西方发达国家以循环经济的思路, 使用可降解一次性用具,如瑞典在 20 世纪 80 年代末就试制马铃薯和玉米制的一次性快 餐盒,韩国用法律强制性规定使用用糯米做的牙签等。此后,多个西方国家相继通过额 外征收塑料使用税、有偿使用塑料购物袋等措施限制塑料的使用。2014 年以来法国、德 国、欧盟、新西兰、西班牙、冰岛等国家和地区针对部分塑料制品提出禁塑时间表,并 指出采用可降解塑料袋等替代。

欧洲禁塑政策取得了丰厚的成果。爱尔兰开始征收塑料袋使用税后,在短短的几个 月里,塑料袋使用量骤降了 90%;英国主要超市推行塑料袋强制收费政策以来,塑料袋 消耗量下降了 86%,英国七大超市 2017 年售出的塑料袋数量减少近3亿个,降幅达四 分之一;欧盟开始实施限塑令后效果显著,如在 2012 年对塑料袋征税之前,匈牙利平 均每人每年使用塑料袋 160-170 个,征税后六年内,这个数字下降至 80 个。德国实施 征税政策以来,德国人均塑料袋消费量从 2015 年的 68 个下降至 2018 年的 24 个,全国 塑料袋的消费量下降了 64%。

受欧洲限塑政策取得良好效果的影响,亚洲各国也在积极推进塑料袋的使用。中国 在 2007 年颁布了《国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知》,以限制和 减少塑料袋的使用。韩国在 2010 年 10 月就开始实行“再生计量收费垃圾袋销售”制度, 规定超市不得免费提供一次性塑料袋。2019 年底,泰国颁布了“限塑令”,规定自 2020 年 1 月 1 日起,75 个品牌的百货商店、超市和便利店不再向顾客提供一次性塑料袋,并 争取在 2021 年实现全国禁塑

2.1.2. 从“限塑”到“禁塑”,我国环保政策不断加码

2.1.3. 禁塑+补贴是动力,高成本是瓶颈

据 PEMRG 统计,2018 年全球塑料需求量达到 3.59 亿吨,可降解塑料在包装材料 等领域的替代市场空间巨大。我们认为可降解塑料替代普通塑料的主要动力来源,首先 是行政政策对于普通塑料应用的限制和禁止,其次是国家对于可降解塑料研发、生产和 使用的补贴

可降解塑料行业专题报告:500亿元市场空间可期

价格成为阻碍可再生塑料市场化进程的主要障碍。当下,从拉伸、冲击、弹性等塑 料主要性能来看,可降解塑料的性能已与传统塑料的性能相当,但是成本上具备显著劣 势,由以下的价格对比可以看出,可降解塑料的价格普遍是传统塑料价格的 2 倍以上。 即使同是可降解塑料,PBS 拥有最好的加工性能,适应注塑、挤出、吸塑等各种常规和 特殊的加工方法,然而由于其价格几乎是 PLA 的两倍,其产量一直相对较少。

随着政府方面的政策出台和公众环保意识的提升,近年来,市场对可降解塑料的需 求逐渐增长。目前制约国内市场容量进一步增大的因素主要是技术升级缓慢以及由此带 来的高成本。

中国可降解塑料行业仍处于导入期。2019 年中国塑料制品产量高达 8184 万吨,约 占全球塑料诉求量的 1/4,与此同时,2018 年我国可降解塑料消费量仅为 4.2 万吨,参 考欧洲生物塑料协会的数据,我国生物可降解塑料消费量全球占比仅为 4.6%,显著低 于全球平均水平。因此我们认为当下国内可降解塑料行业仍处于导入期,但是考虑到禁 塑的政策利好,同时多家科研单位和生产企业对相关工艺技术进行快速的积累和迭代, 我国的可降解塑料行业有望进入加速发展期。

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2.2. 可降解塑料有望率先在购物袋、一次性餐具、快递和农膜领域进行替代

根据发改委发布的《意见》,传统塑料被主要在四个重点领域被限制,分别是不可 降解塑料袋、一次性塑料餐具、宾馆酒店一次性用品、快速塑料包装,基于此,据我们 分析,可降解塑料具有可替代性的领域主要是餐饮(打包&外卖)、商超、集贸市场等领 域的塑料购物袋,以及一次性塑料餐具和快递塑料包装,此外,农膜也是可降解塑料的 重点替代领域。

根据我们的测算,按照《意见》的实施时间线,到 2025 年禁塑令完成实施后,上 述领域可降解塑料替代空间达到 250 万吨,当前可降解塑料价格高达 3.5~4 万元/吨,考 虑到未来行业内在建产能的逐步投产以及技术进步带来成本的下降,以平均含税价 2 万 元/吨计算,将形成 500 亿元的市场规模。

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2.2.1. 快递包装领域替代空间约 100 万吨

2.2.2. 一次性塑料餐具替代空间接近 70 万吨

2.2.3. 塑料购物袋替代空间约 50 万吨

2.2.4. 农膜领域替代空间达 30 万吨

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3. 可降解塑料相关企业分析(略)

近年来,已有十余家国内企业宣布进军或扩大可降解塑料产能和布局,其中上市公 司包括金发科技、金丹科技、瑞丰高材、彤程新材、中粮科技、万华化学等,非上市公司包括蓝晶科技、海正生物等。未来的可降解塑料产能将会对现有需求形成完全覆盖。 考虑到国内市场需求释放缓慢,目前的市场需求主要依靠政策刺激,因此,早日完成产 业布局和产能扩大的公司或将抓住可降解塑料供不应求的市场机会。

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