雙碳視角下膜材料技術發展分析

王 瑞

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

目前，以低能耗、低污染、低排放為特點的低碳經濟已經成為全球經濟發展的大勢所趨。低碳經濟通過對傳統產業的低碳化轉型升級，激發新能源產業的活力推動實體經濟發展。綠色新材料是傳統產業低碳化轉型升級的基礎，也是新能源產業快速發展所面臨的需要盡快解決的“卡脖子”問題。

1 雙碳視角下，國家系列政策相繼出臺助力新材料發展

2020年,國家提出力爭在2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”（簡稱“雙碳”）[1]。“雙碳”戰略倡導綠色、低碳，旨在推進綠色技術創新，提高國家的全球競爭力。綠色新材料技術門檻高，附加值高，是實現“雙碳”目標的基礎與先導。“十三五”以來，國家發布多條政策助力新材料產業的發展，將綠色新材料提升到戰略高度布局，鼓勵企業加快技術創新，突破核心技術、提高市場占有率。

“十三五”以來，國家發布了3個新材料行業分類標準，參見表1。

表1 新材料產業統計分類標準Table 1 New material industry statistical classification standard

2021年10月，國務院印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》，這兩個重要文件構建了我國“碳達峰、碳中和”政策體系的頂層設計。之后，近百條重點領域、行業配套的“雙碳”政策圍繞這兩個意見及方案陸續出臺助推新材料產業的發展，部分政策中重點提及了綠色新材料。

表2 2020-今國家節能降碳政策與重點關注材料Table 2 China Energy conservation and carbon reduction policies and key materials since 2020

開展規模化制氫示范，推進重點領域國家發展改革《“十四五”可再生能源綠氫替代，氫能被視為未來能源體系委員會等發展規劃》的重要組成部分燃料電池與質子交換膜技術。鈉離子國家能源局、科《“十四五”能源領域科電池、液態金屬電池、鈉硫電池、固學技術部技創新規劃》態鋰離子電池、儲能型鋰硫電池、水系電池等基于新材料的高效薄膜電池、疊層國家科技部、國電池；固態鋰離子電池、鈉離子電池；家發展改革委《科技支撐碳達峰碳中和研究以水、二氧化碳和氨氣等為原員會等、工業和實施方案（2022—2030年）》料直接高效合成甲醇等綠色可再生信息化部燃料的技術

梳理表2中國家發布的數條政策可以看出，在包裝領域，國家力推生物可降解塑料來降低塑料污染；在節能減排領域，國家重點推進系列分離膜材料。在綠色能源領域，推進可再生能源對傳統能源的替代，鋰能、氫能、太陽能、風能相關材料將會迎來良好的發展機會。

2 包裝用薄膜材料技術創新與發展

2.1 生物降解薄膜

我國《關于進一步加強塑料污染治理的意見》推進生物可降解材料在快遞、外賣、地膜等領域的應用。

在生物基產品生產和使用過程中均能大幅削減碳排放，使用生物降解薄膜被認為是根治一次性塑料“白色污染”最有效的解決方案。

生物降解薄膜主要包括聚乳酸PLA、聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯PBAT、聚羥基脂肪酸酯PHA，可降解薄膜主要應用于包裝與農用地膜領域。

圖1 市場主流生物降解塑料薄膜 Fig 1 Market mainstream biodegradable plastic film

聚乳酸PLA源自可再生資源，是一種可生物相容、可生物降解的線性脂肪族聚酯，采用雙軸拉伸成膜，力學性能與聚丙烯PP類似，可以在一些領域替代PP和PET，同時兼有良好的光澤度、透明度等。PLA的不足是脆性強、斷裂伸長率低，沖擊強度和耐熱性能較差，采用PBAT與PLA共混改性提高PLA的柔韌性與抗撕裂性。

PBAT是己二酸丁二醇酯（PBA）和對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的共聚物，目前，源自生物質的PBAT約占50%。PBAT的柔性、加工性能、延展性、耐熱性、沖擊性和親水性較好，其拉伸性能與低密度聚乙烯（LDPE）相媲美。

PHA存在于微生物細胞中，具有生物降解性與生物兼容性。目前可采用微生物發酵制備PHA成為石化材料的替代品。PHA幾乎在所有環境中都可以被微生物分解，最適合“必須進行生物降解”的應用，為禁塑替代提供了綠色可持續發展的機會。

2.2 PEF與PET共聚、共混、多層共擠薄膜

目前，聚呋喃二甲酸乙二酯（PEF Polyethylene Furanoate）被視為最有潛力取代PET的生質聚酯材料。PEF物理性能、機械性能優于PET。PEF的氣體擴散系數低，是更好的阻氣材料。

PEF的單體2,5-呋喃二甲酸（FDCA）由羥甲基糠醛、二甘醇酸、康酸和己糖二酸等不同生物基原料合成，但FDCA單體制備成本高，以PEF全面取代PET難度大，目前PEF仍未被廣泛應用與商業化。

采用少量的PEF增加PET的阻隔性能，且能減少PET的用量[2]。目前，PEF與PET結合的技術包括3類：（1）以合成方式將PEF的單體FDCA與PET的單體對苯二甲酸單體（TPA）共聚成PEFT；（2）通過加工設備將PEF與PET共射出成多層結構；（3）直接將PEF與PET共混。

3 聚合物分離膜

液體或氣體混合物中的各組分透過同一分離膜的速率不同，膜分離技術是以分離膜作為間隔層，在壓力差、濃度差的推動下實現混合物的分離、濃縮、純化和精制。膜分離廣泛應用于醫藥、生物、環保、化工、石油、水處理、電子等領域，是分離技術領域重要的手段之一，是高效節能的關鍵技術。

按照被分離物的形態，分離膜分為水處理膜、氣體分離膜、滲透汽化膜。

3.1 水處理膜

水處理膜技術大大提升了水資源利用效率，得到了業界廣泛認可。隨著市場需求的不斷變化，水處理工藝不斷完善，水處理膜產品形成了種類繁多的產品體系。以日本為代表的發達國家水處理膜技術發展更為成熟，并且能夠不斷調整開發順應市場需求的新產品。與國外相比，我國水處理膜技術發展相對滯后。

常見的水處理膜技術主要分為微濾、超濾、納濾、反滲透。

表3 水處理膜技術Table 3 Membrane technology for water treatment

目前，我國以碧水源、時代沃頓等為代表的水處理膜企業取得了一定的成就，但和先進的水處理膜外企相比，在水處理膜的生產規模和產品種類方面仍然存在一定的差距。我國水處理膜技術的不足之處主要體現在兩個方面：一方面，我國污水廢水水質復雜，而國產水處理膜針對性較強，適用性不足。另外，膜使用壽命短，水處理成本相對較高；另一方面，污水與廢水中的微生物及顆粒物會造成膜污染，需要膜清理，降低了水處理效果。

3.2 氣體分離膜

氣體采用膜分離的原理是上游氣體吸附并溶解在膜中，然后在推動力作用下從膜一側向另一側擴散，透過膜后從膜上脫附。

氣體分離膜主要應用于石化、環境保護等領域，工業上，氫氣、二氧化碳、氧氣與氮氣的制備分離基本都采用膜分離技術。

表4 氣體分離膜技術Table 4 Membrane technology for gas treatment

3.3 滲透汽化膜

滲透汽化分離過程由“滲透”和“蒸發”2個過程組成，稱為滲透汽化或滲透蒸發，主要用于有機溶劑的脫水、混合有機物的分離和有機物的回收，實現了蒸餾、萃取、吸附等傳統方法難以完成的分離任務。滲透汽化特點是膜上游物料為液體混合物，下游透過側為蒸氣，分離過程中必須提供一定熱量（高的操作溫度）以促進過程進行。

目前，研究應用最多的聚合物滲透汽化膜包括聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等聚合物材料。

在有機溶劑的脫水中，優先透水膜在醇水分離中實現了規模應用，技術相對成熟。優先透有機物膜已經商業化或者成功應用的仍然很少,基本還處于實驗室研發階段，其綜合性能距離工業應用仍有較大差距。在混合有機物間的分離方面，滲透汽化膜產品不成熟，依然在研發試驗階段。滲透汽化膜的開發主要表現出了2個特點：一方面，針對不同的使用場景和工藝條件開發相應的膜產品，專業化開發越來越強。另一方面，膜技術研發重點主要集中在如何提高膜材料的穩定性及耐溶劑性等方面。

4 新能源汽車用電池與材料

在“碳中和”的愿景下，新能源汽車純電動化方向轉型已經成為全球共識。車企綠色轉型，汽車材料的應用和發展始終圍繞著“電動化、智能化、輕量化”這一大方向。“電動化”通過電池與材料——鋰離子電池與材料、質子交換膜燃料電池與材料來實現；“輕量化”方面“以塑代鋼”已成為汽車材料實現輕量化發展的主要方向，是汽車節能減排的必由之路，從結構件到整車的內外飾件，輕量化材質都有所應用。汽車輕量化材料主要包括改性塑料聚乙烯與聚丙烯、工程塑料聚碳酸酯、碳纖維復合材料等。

4.1 動力鋰離子電池與材料

隔膜材料方面，聚烯烴隔膜材料是市場上主流的隔膜材料，但是，聚烯烴隔膜存在孔隙率低，電解液潤濕性差、高溫熱收縮等問題，常用的解決方法是在聚烯烴隔膜的一面或兩面涂布納米陶瓷材料、PVDF對其進行改性。例如，陶瓷涂布隔膜在聚烯烴隔膜單面或雙面涂覆Al2O3、SiO4、勃姆石等無機陶瓷材料，提升聚烯烴隔膜的高溫尺寸穩定性，主動防御鋰離子電池熱失控的發生[3]。在聚烯烴隔膜表涂布無機納米粒子和有機聚合物混合漿料，經過固化后可得無機-有機復合涂布隔膜，能夠顯著改善鋰離子電池的安全性，目前該技術基本還停留在研發階段。

4.2 質子交換膜燃料電池與材料

質子交換膜燃料電池加氫時間短，無里程焦慮，低溫環境影響小。

質子交換膜在氫燃料電池堆里面被稱為“芯片”，是核心材料之一，目前被國外公司“卡脖子”。根據氟含量，質子交換膜分為全氟質子交換膜、部分氟化聚合物質子交換膜、非氟聚合物質子交換膜、復合質子交換膜[4]。其中，全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯結構，在熱穩定性、化學穩定性和力學強度方面優于其他材料；聚合物膜壽命較長，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團，具有優秀的離子傳導特性。

PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）薄膜由于單體價格較高，國內工業化生產受限。PEN原料NDC（2,6-萘二甲酸二甲酯）生產技術主要掌握在海外公司手中，代表性公司包括帝人集團、伊斯曼、三菱化學、杜邦等。PEN薄膜性能優于PET薄膜，全球市場對PEN需求十分迫切，促使全球傳統的聚酯薄膜生產商紛紛涉足PEN薄膜領域，在氫能領域，PEN薄膜用作氫燃料電池膜電極邊框密封膜。

質子交換膜燃料電池用密封膠確保氫密封，能夠提高氫的使用率和電池壽命。目前氫燃料電池用密封膠主要包括有機硅密封膠、聚烯烴密封膠、環氧樹脂密封膠。有機硅密封膠熱穩定性佳、耐低溫，同時具有良好的電絕緣性、橡膠彈性、低壓縮變形及耐酸性和耐溶劑性，是最常用的密封膠。聚烯烴密封膠常用的是聚異丁烯聚合物，氣體防漏性高、透濕性低。環氧樹脂密封膠密封性佳，膠接強度高。

4.3 新能源汽車輕量化用碳纖維復合材料

我國“雙碳”目標的提出，倒逼碳纖維復合材料在汽車中的應用步伐加快，國內市場對碳纖維的需求快速增長，上汽、北汽等部分量產車型開始使用碳纖維零部件。碳纖維“輕質高強”，屬于軍民兩用材料，除了新能源汽車之外，在航空航天、國防軍工等領域都有著重要的戰略地位。

碳纖維的穩定性能和工藝技術是決定碳纖維質量的關鍵所在，我國的國產碳纖維產品因工藝技術上的缺陷，易出現絲束不均寬、織物和預浸料均勻性不過關，高端碳纖維仍然和日、美等國家的產品存在很大差距。

5 太陽能電池與材料

太陽能發電是沒有碳排放的清潔能源，硅片是生產太陽能電池的核心部件。高分子材料用于對硅片的保護。高分子材料主要包括光伏模組中的封裝膠膜與背板，所需主要薄膜材料包括PET薄膜、含氟薄膜、EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）膠膜、POE（乙烯和辛烯的共聚物）膠膜等。太陽能電氣配套部分包括接線盒、線纜、連接器等零部件，所需工程塑料包括聚苯醚（PPO）、聚酰胺66（PA66）、聚碳酸酯（PC），以及線纜材料聚乙烯（PE）等。

太陽能電池用含氟薄膜種類多，技術被國外公司掌控，在國內屬于“卡脖子”材料。

表5 太陽能電池用含氟薄膜開發與應用現狀Table 5 Development and application of fluorinated films for solar cells

6 風電材料

2020年，北京國際風能大會（CWP 2020）上，400余家風能企業聯合發布了《風能北京宣言》，提出在“十四五”規劃中，為風電設定與碳中和國家戰略相適應的發展空間，保證年均新增裝機50 GW以上；2025年后，中國風電年均新增裝機容量應不低于60 GW。“碳中和”政策助力風電市場平穩發展。

風電葉片是風力發電設備的核心部件，主要構成材料包括增強材料、夾芯材料、基體材料、表面涂料及粘接不同部分之間的結構膠。

圖2 風電葉片結構關鍵材料FIG 2 Key materials of wind turbine blade structure

基體材料方面，環氧樹脂是核心基體材料。我國市場葉片專用環氧樹脂供不應求，依賴進口。例如，風電葉片專業生產公司艾郎科技，2018—2020年，公司所用環氧樹脂主要來自美國瀚森化工與美國OLIN公司，進口依賴度較高。聚醚胺是環氧樹脂體系的固化劑，該領域美國亨斯曼、德國巴斯夫公司市占率較高。

碳纖維增強復合材料由基體和增強體組成，在風電葉片中，基體材料為環氧樹脂，碳纖維為增強體，環氧樹脂體系與復合材料成型工藝的匹配性會影響碳纖維復合材料性能，也是能否實現復合材料產業化的關鍵。

風葉表面涂料保護強光、風沙、腐蝕以及高低溫對葉片造成的損壞。目前，涂料的主要成膜樹脂包括聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、環氧樹脂、氟樹脂、有機硅樹脂。其中，聚氨酯樹脂涂料彈性高、附著力佳、耐磨、耐高低溫、成本低，是使用最多的樹脂材料。氟碳涂料具有優異的耐候性和表面自潔性能，保護葉片免受紫外線和化學品的侵蝕，能夠提升風電機組的免維護周期，是未來的發展方向。

風電結構膠對葉片的力學性能與結構都會起到重要作用，屬于結構膠中的高端產品，結構膠需要保證葉片長達20年的使用壽命，并且確保葉片擁有持續穩定的機械性能，按化學結構分為4大類：環氧類、乙烯基酯類、聚氨酯類、丙烯酸酯類。環氧類結構膠是應用較廣、用量較大的一種，供應商主要包括美國瀚森、美國陶氏化學與我國的康達新材，進口替代空間大。

7 結語

低碳經濟已成全球共識，我國由此提出雙碳目標，同時國家出臺了一系列政策助力雙碳目標實現，所以降碳、減污、增綠是未來膜材料行業發展的目標和方向。綠色膜材料大多技術含量高，核心技術掌握在國外公司手中，我國進口依賴度大，這也恰好為膜材料企業的技術發展提供了良好的市場發展機會。綠色膜材料是實現雙碳目標的基礎和先導，用來解決塑料污染問題的生物可降解材料、能夠實現節能減排的系列分離膜材料技術將被重點關注和大力發展。另外，實現雙碳目標的進程中，綠色能源對傳統能源的替代將會發揮重大作用，氫能、鋰能、太陽能、風電等新能源與材料面臨良好的發展機遇。