生物基聚酰胺的发展和应用前景

热固性材料因其轻巧、高强度、优越的耐腐蚀性、电绝缘性及加工易性而广泛应用于交通运输、土木工程、体育用品和电气工程等多个领域。这些材料主要由稳定的共价键构成，给后处理带来了巨大挑战：难以在溶剂或自然环境中降解，且回收再利用面临困难，对环境造成严重污染。更进一步，它们的生产消耗大量化石能源，加剧了环境污染和全球变暖问题。因此，在当前环保意识增强和化石能源枯竭危机日益严重的背景下，热固性材料的可降解性和回收性成为材料科学领域的主要挑战。

与此同时，生物基聚酰胺作为一种新兴材料，正受到越来越多的关注。这种材料以可再生生物质为原料，结合生物、化学和物理方法制成，具有环保、原料可再生等优点，符合当今“低碳经济”的发展趋势。目前，市场上已有多种生物基聚酰胺产品，如PA1010、PA11、PA610、PA410等，虽然在商品化聚酰胺产品中仅占约1%的市场份额，但随着生物技术和相关新技术的发展，全球对生物基聚酰胺的兴趣持续上升。在生物基聚酰胺的早期发展中，常用原料如蓖麻油，近年则更多转向以葡萄糖为基础，利用微生物技术生成前体。例如，帝斯曼公司采用淀粉和基因改造技术制备1，4-丁二胺，进而合成PA46、PA4T等。在国内，凯赛生物已掌握了覆盖生物基聚酰胺全产业链的核心技术，包括菌种构建、微生物开发、代谢调控和高效转化技术。

二、 生物基聚酰胺的优势

碳中和推动下，生物基化学品替代部分石化产品是大势所趋。化工炼制以不可再生的石油资源为基础，很多生产过程存在高能耗、高污染的问题。而生物法是可靠的替代方案，基于合成生物学理论，用基因编辑的方式构建高效细胞工厂，可以利用生物质资源生产各种化学品，不仅原料可再生，还兼具碳减排功能。根据中科院天津工业生物技术研究所统计，和石化路线相比，目前生物制造产品平均节能减排30%-50%，未来减排潜力将达到50%-70%。

图 合成生物法利用葡萄糖合成物质

三、 有关政策引领

在全球范围内，生物基材料的研发和应用正受到重视和政策支持。

美国政府将生物基材料研发纳入其长期项目计划，如“生物质研究多年项目计划”和“生物基产品与生物能源”项目。近年来，美国农业部、能源部和国防部等机构联合提供项目资金和产业支持。

欧盟在其《持续增长的创新：欧洲生物经济》报告中，将生物经济视为实现欧洲 2020 战略、促进智慧增长和绿色发展的关键。

德国在其《国家生物经济政策战略》中提出，通过推动生物经济发展，以实现经济社会的转型，创造就业机会，并增强德国在全球经济和科研领域的竞争力。

中国在《“十三五”生物产业发展规划》中明确指出，应将新生物工具的创制与应用作为核心，建立大宗化工产品、化工聚合材料和大宗发酵产品等生物制造的核心技术体系。规划旨在不断提高生物基产品的经济性和市场竞争力，建立有机酸和有机胺等基础化工产品的生物制造路线，以取得相对于传统石油路线的竞争优势，实现规模化的生物法生产和应用。此外，规划还鼓励推进化工聚合材料单体的生物制造和聚合改性技术的发展及应用，特别是生物基聚氨酯等产品的规模化生产和示范应用，目标是实现生物基材料产业的链条式、集聚化、规模化发展。

四、 下游创新应用

聚酰胺市场下游主要为纺织、工程塑料两大领域，需求量稳健增长。

23年亚运会的火炬“薪火”在历届大型赛事火炬设计中独树一帜。在握把材质的选择上也区别于以往“金属”等材质，首次选用了绿色环保的生物基聚酰胺材料。对于流线型的握把来说，制作上需求材料具有良好的可设计性，同时手持位置，也需满足握感舒适的要求。

此外，由玻纤或碳纤增强的聚酰胺UD胶带，在汽车行业的到广泛应用，常用于替代金属材料和结构。UD-Tape还可以焊接到其他热塑性树脂材料上，并且当与注塑成型提供的出色形状灵活性相结合时，可以生产具有足够强度和刚度的多材料组件结构，特别是在常规注塑成型无法产生具有足够强度和刚性的部件的情况下。下图是碳纤增强聚酰胺UD-Tape零件与常见金属材料的性能对比。

五、 市场前景

在政策推动和企业努力下，全球生物基材料，尤其是生物基聚酰胺材料的发展已逐渐步入大规模应用和产业化阶段。然而，该产业的发展仍面临挑战，特别是原料来源和生产成本问题。尽管可再生资源众多，但并非所有资源都适合生物基聚酰胺制备，因此，可用于此类材料的可再生原料相对有限。目前，为扩大生物基聚酰胺的生产原料来源，多国正开展研究，包括对餐厨垃圾、废弃纸张、农作物非食用部分、林地残留物、油脂植物、糖类作物、海洋植物和转基因植物等的研究。这些努力有望减少目前生物基聚酰胺生产中使用的粮食作物等，强化其环境友好性。整体而言，生物基材料行业正面临着由政策支持、技术创新、市场需求和环境保护需求等多方面驱动的快速发展时期。尽管存在挑战，但这一行业的未来发展潜力巨大，值得持续关注和投资。