加快我國高分子材料高端化步伐

曹 湘 洪

(中國石油化工集團有限公司，北京 100728)

在現代社會,從人們的衣、食、住、行、醫,到農業、工業、交通工具、建筑工程、航空航天、國防軍工都在使用高分子材料,只是對材料的類別、品種、性能有不同的要求。在經濟社會發展的進程中,我國十分重視高分子材料產業的發展。經過半個多世紀的持續努力,我國已成為世界高分子材料生產與消費第一大國。但是我國高分子材料產業大而不強,生產使用的技術除小部分可以依靠國內,大部分還在引進,高分子材料中的高端產品也有較高比例依靠引進。針對我國高分子材料高端化存在的問題和經濟社會發展、能源低碳化轉型、建設國防強國等對高分子材料的需求,圍繞產業鏈建立創新鏈,加強產學研用聯合,發揮各方技術及人才優勢,加大科技投入,進行合作攻關,從消化吸收再創新、模仿創新、跟蹤創新到實現原始創新,突破技術制約,尤其突破高端高分子材料生產技術瓶頸,是將我國建設成高分子材料強國的必由之路。

1 我國高分子材料產業的發展現狀

1.1 我國高分子材料產業快速發展,成套技術開發取得了一批成果

高分子材料廣泛應用于國民經濟的各個領域,經濟社會發展不斷為高分子材料產業發展帶來新的機遇。表1總結了2021年我國通用合成樹脂、合成纖維和合成橡膠的產能、產量和消費量。按材料的總量計算,我國2021年三大通用高分子材料的產能、產量和消費量均居世界第一,三大通用高分子材料的總消費量為164 Mt,以體積計算約為鋼材的1.22倍。高分子材料產業的發展有力支持了國民經濟的高速發展、國防實力的迅速增強和人民生活質量的不斷改善。

表1 2021年我國通用合成樹脂、合成纖維、合成橡膠的產能、產量和消費量

目前,我國高分子材料的生產技術正在由以引進為主逐步向依靠自主技術為主轉變。合成材料的催化劑大部分可以由國內供應。生產合成材料裝置的核心裝備,除少部分有特殊要求外,也可以由國內供應,如長期依賴進口的管式法高壓聚乙烯的管式反應器、大型合成樹脂擠壓造粒機組從材料到制造都已實現國產化。合成材料成套生產技術開發取得了一批成果,達到國際先進水平聚烯烴技術建成的產能達到17.37 Mt/a,聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)及其下游短絲、瓶片等生產技術可以依靠國內技術,碳纖維、超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)纖維、芳綸技術取得突破,順丁橡膠、丁苯橡膠等合成橡膠技術已經全部依靠自主技術。

我國少數自主開發的合成材料生產技術已進入世界領先行列。如中國石化北京化工研究院通過系統的試驗研究,發現了聚烯烴共聚單體和無規結構在不同相對分子質量組分的分布及其對產品性能的影響,發明了三種調控共聚單體和無規結構向高相對分子質量組分移動的新方法,開發出具有原創性的低可溶出物透明聚丙烯、高熔體強度抗沖聚丙烯、耐高電壓擊穿膜用聚丙烯、抗菌防霉聚丙烯新產品和耐應力開裂的聚乙烯PE100-RC、環保型低揮發性有機化合物(VOC)車用聚丙烯、無塑化劑高性能聚丙烯無紡布專用樹脂等6類高性能產品,部分產品已出口到過去向我國轉讓聚丙烯技術的日本。

1.2 產業跟風排浪式發展,產品結構類同

“十三五”以來,我國合成材料產業跟風排浪式發展,都稱是化工新材料,實際上大多是同質化低端產品,高端產品也存在同質化發展的傾向。產能的迅速增長,造成通用低端材料供應過剩,高端材料(包括功能化高性能通用材料和特種工程塑料、特種合成纖維、特種合成橡膠3大類特種材料)供給不足,大量從國外進口,高分子材料產能結構性過剩問題突出[1]。據統計,我國新領域高分子材料的自給率約50%[2],工程塑料和特種合成橡膠自給率約35%和30%。

產能結構性過剩只是表象,技術支撐能力不足才是根本原因。例如,2021年我國合成樹脂中消費量最大的聚烯烴樹脂(聚乙烯、聚丙烯)產能為61.45 Mt/a(26.87 Mt/a,34.58 Mt/a),國內技術建成的產能僅占總產能的28%。其中,高壓聚乙烯(低密度聚乙烯LDPE、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA)生產技術更是完全依賴引進。這和我國高分子材料技術研究與開發、重大裝備研制的投入不足有關。長期以來,國內圍繞高分子材料開展的研究工作主要在催化劑的進口替代上,缺少聚合工程技術及專用生產裝備開發,開發成功且已實現工業應用的成套生產技術除順丁橡膠、溶聚丁苯橡膠等少數幾個產品外,大部分是通過對引進技術消化吸收再創新開發成功的,缺少原創性,開發中也是偏重催化劑、生產工藝與工程技術,缺少系列化產品開發和產品應用技術開發。從國際上看,幾乎沒有專門從事技術開發與轉讓的高分子材料技術專利商,一般既是高分子材料生產技術開發商,也是材料的生產商。他們對外轉讓技術時不可能轉讓高附加值的高端高分子材料生產技術,以防止威脅和影響其自身的市場競爭力。

2 未來高端高分子材料的市場需求

2.1 三大高分子材料消費趨勢

高端高分子材料包括高端通用材料(有特殊物理機械性能和專門用途的通用材料)和特種高分子材料。黨的“二十大”提出了全面建成社會主義現代化強國的宏偉目標。這個目標要在推進碳達峰碳中和目標,加快能源低碳化的大背景下實現。高分子材料是建設現代化強國、滿足人民不斷改善物質生活和精神生活的需求不可或缺的材料,也是加快能源低碳化轉型過程中不可或缺的材料。

中國工程院2020年咨詢研究項目《我國煉油和石化產品消費規律、產能發展規模及布局戰略研究》課題組研究了未來需要使用高分子材料的主要產業及行業的發展趨勢和世界發達國家高分子材料的消費規律,預測了我國未來高分子材料的消費量,表2～表4分別給出了2035年前我國合成樹脂、合成纖維和合成橡膠消費預測。研究認為,在基準消費情景和約束消費情景下,三大高分子材料的市場需求近中期會有一定幅度增長,2030年前后,我國三大通用高分子材料消費量先后進入一段峰值平臺期,此后消費量逐步降低。

表2 2035年前我國合成樹脂消費預測

表3 2035年前我國合成纖維消費預測

表4 2035年前我國合成橡膠消費預測

2.2 近中期市場需求有較快增長、長期市場需求可能保持穩定的主要高端高分子材料

相對于三大通用高分子材料,與食品和潔凈水供應、醫療衛生健康、治理生態環境、節能降碳、能源低碳化轉型、戰略性新興產業發展等有關的高端材料的需求,近中期會以較快速度增長,長期也將保持穩定的需求[3-4]。

(1)農業材料:無污染地膜,具轉光功能及防霧滴功能的棚膜材料,耕地保水材料,現代設施農業材料等。例如,可回收地膜用聚乙烯、轉光膜用聚乙烯、EVA、聚丙烯酸鹽、土壤熏蒸膜用聚氯乙烯(PVC)、立體種植用PVC。

(2)服裝材料:抗靜電、抗菌除臭、防紫外線、超防水、溫度感應等服裝面料材料。例如,超仿真聚酯,具有抗靜電、原液著色、抗菌、除臭、導電、疏水、阻燃等一種或多種功能的聚酯等。

(3)建筑材料:阻燃家居材料、建筑物阻燃保溫材料、長效屋頂防水材料、建筑物損傷修復補強材料、低能耗照明材料、混凝土增強材料等。例如,聚丙烯高取向塑木復合材料、耐候軟質聚丙烯、聚烯烴熱塑性彈性體、有機發光二極管(OLED)用聚合物、環保型阻燃聚合物、碳纖維熱固性復合材料、建筑增強用聚丙烯腈纖維等。

(4)交通運輸材料:各類車、船、飛行器的輕量化殼體與結構材料,綠色輪胎材料,汽車油箱材料,無氣味內飾材料,高效潤滑材料,高分子玻璃等。例如,長纖復合聚丙烯、溶聚丁苯橡膠、溴化丁基熱塑性彈性體(HBTPV)、仿生異戊橡膠等輪胎用橡膠、增強聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯醇縮丁醛酯(PVB)黏結膜、大絲束碳纖維及其熱塑性或熱固性復合材料、輪胎骨架用對位芳綸纖維等。

(5)生態治理材料:海水、苦咸水、城市廢水和工業廢水深度處理使用的超濾、納濾、反滲透膜及膜組件材料,干旱地區類蜘蛛絲集水材料,空氣凈化材料等。例如,集水用聚乙烯醇(PVA)復合材料、高效粉塵過濾用聚酯或芳綸纖維、極性聚丙烯、聚酰胺、聚醚砜、聚苯醚、聚苯咪唑等。

(6)醫療衛生材料:一次性衛生材料,光學鏡片材料,長效、衛生安全的血液儲存材料,導管、心臟支架、人工骨、手術縫合線、藥物緩釋等有良好生物相容性的介入材料,人工腎、人工肺、人工關節用高分子材料,各種醫療儀器及設備用材料等。例如,抗菌無紡布用聚丙烯、采血管專用PET、耐輻照聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、醫用超高相對分子質量聚乙烯、聚氨酯彈性體、聚碳酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙交酯、聚乳酸、光學級環烯烴共聚物(COP)、聚4-甲基-1-戊烯(PMP)等。

(7)各類包裝材料:氣體阻隔材料,抗靜電包裝材料,防偽包裝材料,無析出物包裝材料等。例如,乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、熱塑性PVA、耐高溫聚酯、內增塑PVC、極性聚烯烴等。

(8)工業過程材料:油氣勘探開發過程用材料,煉油化工過程防腐材料,物料分離提純用材料,機械裝備用特種工程塑料,鋼鐵、石化、化工等工業過程尾氣資源化利用材料等。例如,油氣井鉆探過程防漏失聚合物、地層壓裂改造用壓裂液、橋塞、驅油、稠油減黏、原油輸送減阻、城市天然氣管網使用的各類高分子材料,氣氣、液液、氣液分離膜使用的各種高分子材料,制造耐不同化學品腐蝕的設備、閥門及管件用高分子材料等。

(9)新能源材料:動力電池、儲能電池、燃料電池等不同場景使用的膜材料,高壓儲氫瓶用材料,太陽能電池封裝材料,大型風電機組葉片材料,耐鹽霧腐蝕及耐候涂料等。例如,EVA、乙烯和辛烯共聚物(POE)、UHMWPE、聚四氟磺酸樹脂、高清潔聚烯烴、柔性光伏用聚酰胺、儲氫瓶專用聚乙烯及改性尼龍、發泡聚酯(PET)、含石墨烯聚氨酯涂料等。

(10)電子電器材料:光電子材料、柔性顯示材料、機器人材料、阻燃電器材料、電力電子材料、電氣元件材料、熱塑性高壓電纜材料、離型膜材料、防靜電材料、抗菌防霉材料等。例如電子級環氧樹脂、聚碳酸酯、介電彈性體、光刻膠用及柔性顯示用聚酰亞胺、玻璃纖維增強PBT(聚對苯二甲酸丁二醇酯)、無鹵阻燃PA66(聚己二酰己二胺)、聚酯工程塑料、離型膜用PET、聚醚醚酮、碳纖維復合材料等。

(11)國防材料:個人防護材料,潛艇隔聲材料,飛機、艦船隱身材料,高速飛行器用材料,坦克防彈材料,耐溫密封材料等。例如,功能性溶聚丁苯、氫化丁腈橡膠、UHMWPE纖維、芳綸、高強高模碳纖維及其復合材料用基體樹脂等。

上述未來市場需要的材料中,特種工程塑料、特種合成纖維、特種合成橡膠主要應用于航天航空、電子元器件、特種裝備等高技術領域,是需求量小、作用大、不可或缺的材料;有較高消費增速、需求量大的是高性能功能化的通用高分子材料。這兩種類型高端高分子材料的單體生產技術、聚合催化劑工藝技術、加工應用技術的研究開發都是高分子領域科技進步的重要組成部分,在邁向高分子材料產業強國的進程中都應該得到高度重視。

3 高分子材料高端化的研發思路

3.1 開發高端高分子材料既要重視三類特種材料開發,也必須加強高端通用材料的開發

近幾年來,高端高分子材料供給不足的問題受到各方高度關注。電子信息、航空航天等涉及國家安全的高技術產業急需的“卡脖子”材料,基本都是三大類特種高分子材料,國家有關部門采取設立專項的方式,加大投入、組織相關單位聯合攻關,參加開發的單位和人員也高度重視,已經或正在不斷取得突破。但是面向未來,國家需要的高端高分子材料還包括高端通用材料。從數量上看,高端通用材料的需求量明顯大于特種材料,“卡脖子”的特種高分子材料開發受到了高度重視,但是高端通用高分子材料開發重視不夠、投入不足。主要原因是針對此類材料的研究難出顯示度高的科技成果,社會氛圍導向和驅動機制讓高校、科研單位和研究人員都缺少積極性。要明確“基礎+高端”的方向,完善研發平臺,組織研發團隊,建立必需的激勵機制,切實加強高端通用材料的開發。

3.2 深入進行材料結構與性能關系的研究

高分子材料的3個層次結構,即近程結構、遠程結構、聚集態結構,都會影響材料的性能,導致結構與性能的關系復雜,但綜合分析,分子鏈結構是材料性能的主要控制因素。要加強應用基礎研究,使各種高分子材料結構與性能的關系的研究從定性分析向定量建模深化,不斷完善高分子材料分子設計理論[5]。20世紀80年代初期,筆者在中國石化北京燕山分公司合成橡膠廠聚合車間工作,當時廠里能測試生膠分子結構與性能的只有紅外光譜儀、電子拉力機、黏均相對分子質量測定儀各一臺,通過收集積累數據進行數據分析,發現生膠中的反式-1,4結構與反式-1,2結構的比值和特征松弛時間τ有較好的線性關系,與應力-應變曲線的形態和加工性能有明顯關聯性,還對混合膠樣的物理機械性能有明顯影響,并提出了調控反式-1,4結構與反式-1,2結構比值的技術[6]?，F在表征合成材料結構與性能的儀器及裝備取得了很大的進步,數據處理分析技術有了巨大的提升,高分子材料結構與性能的關系研究從定性到定量均有了現代化的手段。深入進行高分子材料結構與性能的研究,要做到:

一是收集已生產的各種高分子材料的結構、性能等歷史數據和研究中獲得的數據,建立包括高分子材料品種牌號、單體、催化體系、聚合工藝、化學及物理改性、材料層次結構、材料性能的高分子材料數據庫。

二是建設高水平的結構測試與性能表征實驗室和高通量聚合實驗室,形成完善的研究開發平臺,結合反應機理和聚合技術研究,應用大數據分析、機器學習、人工智能等現代信息技術手段開發表征各種高分子材料結構與性能關系的模型庫。

三是深化高分子材料數據庫和模型庫的應用,指導高分子材料分子設計和催化體系研究,結合高通量聚合試驗,提高高端高分子材料的開發速度,同時逐步實現新材料從逆向開發向正向開發轉變。

四是加強新結構聚合反應器及配套的反應工程技術研究。創新開發與聚合工藝相適應的聚合反應工程技術,包括反應器的形式及內構件、反應器的配置、工藝流程、單體及催化劑的加入方式及加入位點、工藝條件及控制技術。

3.3 優化高分子材料高端化的技術路徑選擇

在科研開發中,往往可以通過不同的技術路徑實現高分子材料的功能化和高端化,滿足不同用途的要求。

一是通過新單體的應用,使均聚物變成有不同序列結構的共聚物、非極性聚合物變成極性聚合物、剛性鏈聚合物變成剛柔可調的聚合物等,實現材料的功能化和高端化。

二是通過新催化劑和配套的聚合新工藝的研究開發,使得可以在比較緩和的反應條件下生產出功能與性能和市場已有的產品基本相同的材料,而已有的產品是在苛刻的聚合工藝條件下生產。

三是通過新催化劑或助劑的應用,使線性聚合物變成不同形態的支鏈聚合物,提高催化劑活性,減少催化劑及小分子易析出物在聚合物中的殘留,調控分子鏈中鏈節構型和不同鏈節構型在不同大小分子中的比例,調控鏈端或鏈中官能化程度等,實現高分子材料高端化。

四是通過深入分析各類聚合反應器,如氣相流化床、臥式氣相流化床、液相攪拌釜、液相環管反應器、管式反應器、雙螺桿反應器等的優勢、特點與不足,從材料性能與功能的要求出發,研究開發新的反應工程技術,結合催化劑與助劑配制方法、注入位點的優化,實現共聚物序列結構、支化度及支鏈長度、相對分子質量分布的優化調控,實現材料高端化。

五是通過化學改性改變已形成的聚合鏈的結構,或支化或適度交聯;通過物理改性改變材料的聚集態結構,綜合兩種或多種材料的性能優勢。

要通過深化材料結構與性能關系的研究,優化路徑選擇,以低能耗、低投資、低成本實現高分子材料高端化。

3.4 突破高端高分子材料的單體制約

聚合單體及其純度對材料的結構和性能有決定性影響。我國高端高分子材料生產技術的差距首先體現在單體合成與提純技術的差距上。不少單體的合成涉及氧化、硝化、氯化、氟化、胺化、酰胺化等反應過程,具有較高的安全環境風險。聚合級單體的合成與提純一般要經過小試、模試、中試、工業試驗等過程,而且往往只有在中試和工業放大試驗中才暴露和解決問題,最終形成成熟可靠的技術。實現高分子材料的高端化,要把加大投入、加強合成材料使用的單體生產技術的開發放在突出位置。地方安全環保部門對涉及高端材料的單體合成技術及單體聚合技術的開發研究要給予大力支持,對中試、工業側線試驗、工業試驗項目的安全、環保合規性審批要加快進度。

3.5 加強加工應用技術及裝備的研究開發

重材料合成、輕加工應用,缺少支持材料加工應用的高水平裝備,是我國高分子材料產業發展中的短板。高端高分子材料開發過程中,要結合應用目標場景開展加工技術研究,深入開展材料加工過程的加工工藝及條件、流變特性、無定形結構和結晶結構雙向變化與材料物理機械性能的關系等應用基礎研究,指導加工工藝、加工裝備的研究開發,致力形成新的加工工藝、技術和裝備,著力建設學、研、產、裝、用緊密結合的高端高分子材料協同創新體制。

4 結束語

我國高分子材料的產能產量已居世界首位,但大而不強,低端材料產能過剩,高端材料供應明顯不足,結構性矛盾突出,問題的實質是生產高端材料的技術支撐能力明顯不足。面向未來,為滿足人民對美好生活的追求,加快能源低碳化轉型,建設制造強國、健康中國、美麗中國,加強國防建設,我國對高端高分子材料有迫切需求。要堅持問題導向和目標導向,加強高端高分子材料的生產技術開發,既要重視“卡脖子”的特種材料的開發,也必須重視高端通用材料的技術開發。同時,高分子材料高端化要從深化結構與性能關系的研究,優化高端化的技術路徑選擇,突破單體生產技術瓶頸,加強材料加工應用技術與裝備開發等多維度發力,加快創新開發的步伐。