化工材料发展的方向

一、发展支持节能减排的化工新材料

我国发展支持节能减排的化工新材料，主要是发展以下3类：高性能化、功能化通用聚合物材料，节约能源提高能效的化工新材料以及利用可再生能源的新材料。1.发展高性能化和功能化通用聚合物材料发展支持节能减排的化工新材料，首先是要发展高性能化、功能化通用聚合物材料，提高通用聚合物材料的性能，实现材料使用减量化，延长材料使用寿命。例如有机高分子材料就是一种高能量密度材料，其中通用聚合物材料产量大，应用面广。2011年，我国仅聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯-丁二烯-苯二烯（ABS）等合成树脂的产量达到4798万t。提高材料的性能和功能化水平，对材料使用合理化、减量化、延长使用寿命有重要作用，可以明显减少凝结在材料中的资源和能源消耗，如现代农业中使用地膜通过提高强度减薄一半，大棚膜寿命延长一倍，其节材节能效果就高达50%。通用聚合物材料高性能化、功能化的技术路线主要有以下4种：①增加或改变共聚单体或调整共聚单体的比例。如气相法或溶液法聚乙烯用丁烯-1做共聚单体改变成用己烯或辛烯共聚；丙烯与丁烯共聚生产高透明丙-丁共聚聚丙烯；调节醋酸乙烯含量，生产各种比例乙烯-醋酸乙烯共聚物。②开发新催化体系或改进现有的催化体系。如开发新外给电子体与氢气和共聚单体共同调节聚丙烯的分子结构，生产新牌号聚丙烯材料；采用茂金属催化体系取代齐格勒-纳塔催化体系，生产新牌号聚乙烯、聚丙烯产品。③开发新聚合工艺与反应器实现传统合成材料的高性能化。如双反应器或多反应器串联工艺，生产双峰分布的性能更优异的聚烯烃产品；采用气相法带预聚合的卧式反应器串联工艺以更低的能耗生产均聚、无规共聚、共聚聚丙烯，尤其共聚产品分子链中允许有更高的橡胶相含量，因此有更高的抗冲击性能；开发溶液聚合工艺生产具有优异耐热性、强度、韧性的聚丁烯-1；采用溶液聚合工艺生产的丁苯橡胶也是一种适合生产节能环保轮胎的新胶种。④共混或接枝改性提升通用聚合物合成材料的性能。如2种或多种聚合物共混改性；纳米材料共混改性；聚合物接枝改性。2.发展节约能源提高能效的化工新材料我国单位GDP的能源消耗与国外先进水平有明显差距（见表3）。这与我国产业结构中第三产业比例低有关，更和我国能源使用效率低有关。为此，发展节约能源提高能效的化工材料应该受到重视，主要包括：提高汽车能效的化工新材料、建筑物节能材料和低能耗照明灯具材料。（1）提高汽车能效的化工新材料提高汽车能效的化工新材料有：汽车轻量化的化工新材料、高性能用材料和绿色轮胎用合成橡胶材料。①汽车轻量化的化工新材料包括低成本碳纤维及其热固性和热塑性复合材料，塑料油箱专用的聚乙烯、EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物），替代挡风玻璃的高透光、高强、高韧聚合物，汽车专用聚丙烯等各种合成树脂材料。②高性能用材料包括聚-烯烃类、茂金属聚-烯烃、烷基萘等基础油，以及改进油粘度指数、耐磨性、氧化安定性等性能的各类添加剂。③绿色轮胎用合成橡胶材料包括可降低轮胎滚动阻力、提高耐磨性和抗湿滑性的绿色轮胎用合成橡胶材料，包括溶聚丁苯橡胶、稀土异戊橡胶、丁二烯、异戊二烯、苯乙烯共聚的集成橡胶等。（2）建筑物节能材料建筑物节能材料包括：适合建筑物隔热保温的聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等基材；无公害阻燃技术生产的聚合物发泡墙体材料；长寿命隔热隔音建筑物门窗结构材料、密封材料。（3）低能耗照明灯具材料低能耗照明灯具材料包括：白色发光二极管（LED）材料、有机光半导体（OLED）材料。①白光LED材料在LED材料中，与太阳光一致的白光LED用途最广泛。白光LED用荧光粉用绿、蓝、红三色荧光粉混配而成。要求开发具备高辉度、高演色性、温度消光特性和良好的色彩再现性的三色荧光粉。②OLED材料OLED材料主要包括：OLED照明用耐老化底衬薄膜、有机发光材料、高透光耐老化面层薄膜。3.发展利用可再生能源的新材料利用可再生能源的新材料主要包括：太阳能热发电用材料、太阳能光伏电池材料、风力发电用材料和储能材料。（1）太阳能热发电用材料太阳能热发电用材料包括：可替代玻璃的耐老化、高强度、高韧性聚合物基材，涂敷用反射层材料。（2）太阳能光伏电池材料太阳能光伏电池材料包括：电池效率更高（＞20%）的晶硅材料；长寿命的组件材料，如可以替代玻璃或金属的更低成本的轻量化、耐老化聚合物材料；有机薄膜太阳能材料，如耐光热老化的背板薄膜材料，有机光电转换材料，耐老化光学薄膜和封装材料等。（3）风力发电用材料目前，风力发电呈现出了发电机功率越来越大、海上风电场快速发展、叶片长度不断增加（已达120m）以及材料从玻璃纤维向碳纤维转化等特点。适应风电发展，要开发以下化工新材料：复合材料用新型树脂材料，如环氧树脂聚双环戊二烯树脂；风力发电机用高性能绝缘材料、材料、密封材料；海上风电机组防腐涂层材料。（4）储能材料由于太阳能发电和风力发电的突出问题——电力输出不稳定，对电网的安全可靠运行影响大，所以发展分散式电能储存装备是一项可行措施。钠硫电池、全钒电池、锂电池是适合不稳定电能储存的3种主要的分散式储能装置，电池材料包括电解液、负极材料、正极材料、隔膜材料。为了适合储能或动力性要求，电池要不断提升能量密度、缩短充放电时间、提高循环寿命、改善安全性，因此必须不断改善材料性能，开发新材料和新体系电池，如锂硫电池、锂空电池等。

二、发展服务环境保护的化工新材料

我国发展服务环境保护的化工新材料，主要是要发展用于废气处理的新材料，发展用于污水深度处理实现污水回用的膜材料和脱除污水中难降解有机物和重金属的材料，以及发展生物基可降解的高分子材料。1.发展用于废气处理的新材料我国在治理大气污染的过程中，必须高度重视工业过程排放气中烟尘、SO2、NOx、微量有机物的深度脱除。2012年我国消费煤炭35.15亿t，其中发电用煤占49%，其余大部分用于工业窑炉。目前，全国500多万台工业窑炉中95%使用煤炭做燃料，煤炭燃烧产生的烟气中有一定量颗粒污染物、SO2、NOx，因此，烟气深度除尘、脱硫、脱硝是治理大气污染的最重要措施。此外，一些工业过程也会产生含尘尾气，必须进行除尘处理；一些工业过程还会有含有微量有机物的尾气排放。汽车尾气中会有微量没有充分燃烧的烃类和一氧化碳。（1）重视开发过滤除尘材料为了满足工业过程排放气体除尘的要求，必须要重视开发和发展适合不同温度环境的过滤除尘材料，如芳纶、芳砜纶、聚酰亚胺纤维，以及与纤维织物复合的多孔聚四氟乙烯薄膜。（2）重视开发新型脱硝催化材料为了实现工业过程尾气的深度脱硝，要重视新型脱硝催化材料的开发与生产，包括适合不同温度尤其是低温条件下具有高活性的脱NOx催化剂、高效脱NOx催化剂的低阻力降载体。（3）重视开发工业过程排放气及汽车尾气净化材料工业过程排放气中有机污染物及汽车尾气净化材料，包括：催化燃烧法脱除工业排放气中微量有机物的高活性催化剂，尤其在低温下具有良好活性的催化剂；能满足第5阶段、第6阶段汽车尾气排放要求和低贵金属含量的汽车尾气高效转化催化剂及载体。2.发展污水处理材料我国淡水资源总量为28000亿m3，仅占全球6%，人均占有2200m3，为世界平均水平的1/4，美国的1/5，列世界第109位。我国水资源的时间空间分布又很不均匀，北方地区淡水资源只有南方的1/4，全国有45%的国土面积年降水量小于400mm，且降水集中在6～9月，属干旱缺水地区，全国669个大中城市有400多个城市常年淡水不足，严重缺水城市有108个，北京人均占有水资源量仅为世界人均的1/13，还不如一些干旱的阿拉伯国家。我国不仅水资源十分贫乏，而且还有大量的工业污水、养殖业污水和生活污水。为此，我国要针对自身水体污染的现状、实现污水深度处理回用的要求，发展用于水处理化工新材料。诸如，我国要开发用于污水深度处理、实现污水回用的膜材料，发展脱除污水中难降解有机物和重金属的材料。（1）水处理膜材料水处理膜材料，包括提高污水处理效率的膜生物反应器用膜材料、污水深度处理用膜材料。在污水的深度处理方面，超滤与反渗透结合可以对污水深度处理，实现污水回用；另外，要发展高通量、高选择性的超滤膜、反渗透膜，包括膜用材料（如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺）和膜的骨架织物材料、膜组件材料。（2）脱除污水中难降解有机物和重金属的材料脱除污水中难降解有机物和重金属的材料，包括可见光条件下催化分解废水中有机物的石墨烯基催化材料（石墨烯-ZnFe2O4）、可脱除水中重金属和有机小分子的纳米纤维亲和膜。3.发展可降解生物基材料通用塑料的使用带来了白色污染，而开发生物基可降解高分子材料是消除白色污染的重要途径。生物基可降解高分子材料主要有以下3类：（1）聚乳酸聚乳酸是利用生物质生产的可降解聚合物中生物碳利用率最高的高分子材料，被称为21世纪最有发展前景的高分子材料。但是，聚乳酸存在玻璃化温度低、加工过程容易降解、热性能差等缺点。近年的研究已发现，在聚L-乳酸中掺入少量聚D-乳酸可以解决热性能差的缺陷，提高聚乳酸的使用性能。（2）聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸对苯二甲酸丁二酯(PBTS)利用生物质生产丁二酸，丁二酸加氢生成丁二醇，利用丁二酸、丁二醇和PTA作为单体生产的PBS、PBTS，是使用性能较好的生物基高分子材料。（3）其他除了以上2类可降解生物基材料，还有利用生物质或部分利用生物质资源的新型可降解高分子材料，如聚羟基脂肪酸酯（PHA），CO2和环氧丙烷、环氧乙烷共聚得到的脂肪族聚碳酸酯、聚-己内酯（PCL），PCL改性聚合物。

三、我国化工新材料发展中存在的问题与对策

综上所述，我国经济发展过程中面临的化石能源消耗增长快、环境污染问题已日趋严重，为此，我国化工新材料要为支持节能减排、服务环境保护作出应有的贡献。发展支持节能减排的化工新材料包括：通用聚合物材料的高性能化、节能降耗提高能源使用效率的材料、利用可再生能源的材料；发展服务环境保护的化工新材料包括：用于废气处理的新材料，污水深度处理用膜材料、脱除污水中难降解有机物和重金属的材料，生物基可降解高分子材料。但是，我国化工材料在发展中长期存在忽视加工应用技术开发的问题。为此，笔者建议，要重视支持节能、服务环保新材料开发，同时更应重视这些材料的加工应用技术的研究。1.强化加工应用技术开发材料的价值只有通过应用才能体现，材料的性能只有通过加工应用才能得到验证，材料的缺陷只有通过加工应用发现，材料质量的提升只有通过加工应用才能找到方向。长期以来，我国化工材料加工应用技术研发投入少，导致加工装备水平与国外差距大，材料对市场不同用途的适应性差、品种牌号少、材料的附加价值低。这一问题应予以重视。我国要重视支持节能、服务环保化工新材料的加工应用技术开发，以便形成生产、材料加工、材料加工装备、材料应用的产业链。例如，支持污水深度处理的膜材料，从技术开发的角度包括膜材料技术、膜制备技术、膜组件技术、膜工程设计技术、膜应用技术；从产业的角度包括膜材料生产、膜制备及制膜装备、膜组件制造、膜工程设计、膜应用等环节。只有相应的技术都掌握了，形成了污水深度处理的完整的膜产业链，对保护水环境才能起到实质性的支持和服务作用。此外，加工应用技术研究要和加工装备研究结合，在积极发展新材料的同时，带动材料加工装备的发展。2.强化产业创新模式我国的材料应用企业一般规模不大。而企业作为加工应用技术研究、研发投入的主体，单个企业投入研究可能负担较重，因此同类应用企业和加工装备制造企业应当联合起来形成产业联盟，如以股份制形式共同出资投入组建研究团队，形成共有共享的技术，从而促进产业的发展。

作者： 曹湘洪