加快推进化工新材料领域“四化”转变_张师军.pdf

加快推进化工新材料领域“四化”转变在人类社会生活中，材料起着重要作用，人类的发展史也是一部材料的发展史。现 代 社 会 对 材 料 的 高 性 能、绿 色 化、多 功能、智能化提出越来越高的要求，特别是在“双碳”目标下，对社会产业链结构的变化提出挑战，对材料的节能低碳提出越来越严格的要求。化工新材料通常指先进高分子材料及其复合材料，以及化工产业的催化材料，包括工程塑料、高端聚烯烃树脂、高性能纤维及其复合材料，石墨烯/碳纳米管及其复合材料，生物降解高分子材料，3D打印高分子材料，无机晶须及其复合材料。化工新材料应用范围广，在汽车、家电、国防军工、航空航天、电子器件、化工环保、冶金、机械、交通、体育器材、建筑、包装、医疗卫生、大健康、食品、运输、办公器材、农业等领域都有十分重要的应用。在化工材料领域，新一轮科技革命和产业变革通常的驱动因素为市场对化工新材料“四化”的转变要求，即材料通过高性能化、绿色化、功能化、智能化发展转变成为高端材料，在对材料“四化”的需求下，化工新材料发展的新动力、新技术、新产业、新业态、新模式应运而生。大力创新发展新能源材料新能源技术的发展模式兼顾高效和绿色，而新能源材料，即正在发展的、可能支持建立新能源系统满足各种新能源及节能技术特殊要求的材料，也需符合高性能化、绿色化的发展趋势。在化工新材料领域，大力创新发展新能源材料包括但不限于：锂电池材料、氢能源相关材料、燃料电池材料、太阳能电池材料，以及风能、地热、磁流体发电技术所需的材料。在锂电材料领域，隔膜作为其关键的内层组件之一，通常以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等聚烯烃材料为主；作为石化化工材料主业之一，需持续加大从原材料-加工技术-应用端的全产业链攻关力度，打破技术壁垒，提升产品质量（高端化）张师军在化工材料领域，新一轮科技革命和产业变革通常的驱动因素为市场对化工新材料“四化”的转变要求，即材料通过高性能化、绿色化、功能化、智能化发展转变为高端材料。在“四化”转变进程中，化工新材料发展的新动力、新技术、新产业、新业态、新模式应运而生张师军Spotlights关注322023/02中国石化与自主化程度；针对电池软包材料，做好铝塑软包膜及其加工工艺的开发创新，推动软包膜自主化高端化进程；做好新型高效电解质，特别是固态电解质的开发工作，进一步提升锂离子电池的安全性、高效性及耐久性；利用在碳纳米管、石墨烯等碳材料的研究基础来开发制备性能优异的锂电池电极材料。氢能源相关材料主要包括制氢、储氢、运氢及用氢等领域。在储氢领域，碳质储氢材料如高比表面积活性炭（AC）、石墨纳米纤维（GNF）、碳纳米管（CNT）等，具备安全性及储存效率高等优点，仍需推进创新攻关，推动产业化进程；储氢瓶领域，更要做好氢瓶用复合材料，包括内胆材料及纤维增强包裹材料及其相关加工工艺的创新开发，特别是做好内胆、增强层及其复合加工新型技术的开拓；汽车用储氢瓶的内胆通常采用聚乙烯或聚酰胺制备，储氢瓶外层缠绕的碳纤维，中国石化已经有大丝束碳纤维生产，可以开发高性能的专用牌号。随着氢能汽车的发展，燃料电池特别是车用燃料电池，因其将氢燃料的化学能直接转化为电能，实现了绿色、高效发电，在双碳政策下前景较好。车用燃料电池的关键部件（材料）质子交换膜（离子交换聚合物），通常为全氟磺酸膜及聚四氟乙烯膜等，其性能优劣直接决定了电池性能与使用寿命。为实现氢燃料电池的高效、稳定及自主化发展，要持续加大该类材料及成膜加工技术的攻关力度。光伏领域，要积极响应分布式光伏发电站的建设计划，攻关光伏胶膜关键材料EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）、POE（聚烯烃弹性体），发展从单体-聚合-加工-应用全产业链关键技术。目前，我国企业已能够生产光伏用EVA；中国石化POE中试试生产已成功，2024年可以工业化生产，我们将从催化剂、工艺配方等方面开发光伏用POE专用牌号，以满足光伏用POE的持续升级要求。提升产品自主化、规模化及高端化程度，也要同时兼顾全产业链的绿色生产和低废发展，为绿水青山贡献石化力量。对于钙钛矿太阳能电池，应注重攻关绿色钙钛矿电池的研究应用，进一步提升产品的高效化及产业化，推进“产-学-研-用”一体化进程。其他形式的新能源支撑材料，如风能领域，要持续优化升级风电叶片产业链布局，引导其向高性能化、绿色化发展。如高性能化方面：加大纤维增强尤其是碳纤维增强材料在风能叶片领域的研究与应用性探索、研发新型可替代传统热固性材料的风电叶片基体树脂；“绿色化”的实施进程可包括：推动风电叶片材料的绿色循环与回收利用，建立完善的应用-回收技术体系路线，通过风电叶片上下游全产业链共同努力，助力风电叶片轻量化、高性能化、绿色可持续化发展，为我国可再生能源高质量发展添砖加瓦。发展化工新材料的其他途径和方向改变材料结构尤其是凝聚态结构，是实现材料高性能化的另一途径，从加工技术出发，大力发展先进加工技术；与从材料自身结构出发（聚合角度）相比，先进加工技术为平台型发展模式，可应用于某类或某几类结构相似的化工新材料的高性能化进程。如固相加工、取向加工技术、连续纤维增强成套技术、微孔成型发泡技术的创新与应用，均可实现多种类化工新材料（如聚烯烃、工程塑料及可降解材料等）高性能化、轻质化的发展需求。在实现化工新材料绿色化方面，要同时处理好“可降解”与“可回收”材料的协同利用与高效发展；以应用领域特性划分，用好“降解”料与Spotlights关注332023/02中国石化“回收”料。例如，在一次性塑料的应用场景中，加快推动可降解材料在农用地膜、外卖餐饮、快递物流等新兴产业的应用，利用石油石化企业自身优势，做好可降解材料在油田领域应用的示范。针对新兴可降解材料，如聚乙醇酸（PGA）等材料，加大科技创新研发力度，着力聚焦“共聚改性”技术及先进加工应用技术创新，进一步拓宽可降解材料的应用领域与市场需求；在此基础上，要持续推进降解标准的制定与规模化降解装置的建设，完成可降解材料全产业链“落地”。在家电制造、风电叶片、汽车等领域，要重点进行废旧高分子材料资源化利用的技术布局，注重从物理、化学两种不同技术路线完成废旧高分子材料的回收及增值再生；物理回收角度需应对实际需求，解决回收料品质不稳定、降级使用等技术壁垒，持续开发高附加值回收回用技术，如高耐候、可回收材料及其成套技术，多相多组分相容剂及其增容改性技术，并利用先进加工技术对热固性塑料及交联橡胶进行解交联、再利用；化学回收方面，可利用石油石化产业链优势，将废旧高分子材料逐步转为石化产品或作为高分子材料的单体原料，如聚焦废旧塑料催化裂解制备低碳烯烃及利用废旧塑料制备废塑料油，进而完成加氢及裂解工艺等新技术新领域的开发创新。此外，在整个回收流程中要关注过程环保，并保证回收过程的可追溯性及回收全流程、再生产品质量控制标准化，支持绿色发展、循环发展，推进生态文明建设。在化工新材料功能化领域，要持续聚焦应用端需求变化，对材料赋予相应的功能性。例如，面对国家战略科技力量发展，做好“空、天、陆、海、潜”用相关材料的全产业链研究发展，如着重推进特种工程塑料、特种橡胶及高性能碳纤维及其碳纤维在光伏领域的应用。张师军 供图Spotlights关注342023/02中国石化复合材料全产业自主化进程；针对后疫情时代，抓好抗菌性、抗病毒性化工新材料的研发工作；面对汽车工业的电动革命及更多智能家电的日益涌现，对如新能源车用、家电材料、织物、建筑保温用材料的阻燃功能性开发。在智能化方面，要针对智能制造需求，持续推进好记忆材料、自修复材料、智能凝胶、仿生材料的研发工作，针对上述领域的前瞻技术进行产业孵化，让更多智能材料走出象牙塔，孵化于祖国大地，服务于人民生活。给石化企业的几点建议一是加大基础科学研究力度，研究催化剂聚合装置、聚合工艺条件的影响，得到对分子链结构进行调控和剪裁的技术手段，研究化学组成链段结构对材料宏观性能影响。二是深入研究材料模拟计算模型的建立及其实验验证方面的工作，以尽量缩短化工新材料研究开发的周期，降低开发成本。三是重视材料加工技术方面的研究，好料制成好材，好材制成好器物，好器物更好用。例如，中国石化聚丙烯固相拉伸取向技术可以制备出性能优异的材料，可以用于制作结构部件，聚丙烯的微孔材料使物品减重，并且其他性能劣化不大，减少聚丙烯的使用量，双向拉伸聚乙烯改变了过去传统的聚乙烯吹膜和流延膜的不少缺点，在更广阔的领域得到应用，可以用于重复回收使用减排减重节能，宜用于塑料的单一单包装，对环境极为友好。四是在决策一种化工新材料是否开发时，一定要在它的整个生命周期内评价其优劣，具体包括原料来源、聚合过程、加工过程、使用过程、废弃过程、回收过程、循环过程，是否可以进行物理循环或化学循环等，以评价材料整个周期的性能表现、资源能耗污染等社会关心的问题，不能仅从某一个阶段来决策这个材料是否进行研究开发。五是促进化工新材料升级换代。有的化工材料是20年前开发定型的，有的甚至更久远，随着技术的进步和需求升级，其性能和加工技术都要有更新。例如，碳纤维增强的复合材料的应用，过去通常是热固型树脂通过拉挤成型制备用于风电叶片等一些结构件的龙骨等。现在，国际上非常重视开发热塑性塑料拉挤成型碳纤维复合材料用于风电的结构件等。中国石化有这方面的优势，可以加强开发研究应用，完善碳纤维产业链。六是要重视合成树脂循环利用。在重视合成树脂新产品开发的同时，进行产业链的合成树脂回收利用，这符合国际的潮流和社会的关心。例如，聚丙烯、聚乙烯等树脂的物理回收和化学循环，特别是聚酰胺和PET的化学回用，这两种聚合物可以直接制备成单体用于再次聚合为树脂，可以进行彻底的资源循环利用。要更重视非粮食基的生物基原料生产的可降解塑料（如PGA等）及生物基的合成树脂开发与应用（如长碳链尼龙等）。七是加大材料应用技术的研究力度。材料的基础原理研究很重要，但应用技术研究也十分重要，市场是化工新材料是否成功的试金石，一种材料是否能成功，不仅取决于它的性能是否优异，而且要得到市场的应用及认可，不被市场认可的材料不算是一种成功的新材料。八是许多材料的创新过程，实际上是协同合作的过程。有时是下游应用领域提出了一个全新的性能需求，要求进行分子结构设计、材料结构设计、制品结构设计，企业可以去开发一种化工新材料；有时是企业创新开发出一种全新的化工新材料，要在下游市场找合适的应用场景。因此，产业链上下游企业的分工十分重要、合作协同更重要。（作者系中国化学学会化工新材料专业委员会副主任）Spotlights关注352023/02中国石化