化工新材料：與未來(lái)世界共舞

文/龐利萍

化工新材料：與未來(lái)世界共舞

文/龐利萍

“化工新材料發(fā)展不夠好是我國(guó)石化行業(yè)大而不強(qiáng)的原因之一。去年的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出了我國(guó)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)的九大特征，其中好幾條都與化工新材料緊密相聯(lián)。那么，新常態(tài)下化工新材料的發(fā)展機(jī)遇在哪里？我想就在3D打印、半導(dǎo)體、節(jié)能環(huán)保等行業(yè)的發(fā)展中，在人口老齡化等問(wèn)題的解決中?！?在1月28日由工信部原材料司組織的新常態(tài)下化工新材料發(fā)展座談會(huì)上，工信部原材料司副司長(zhǎng)潘愛(ài)華表示。

3D打印、半導(dǎo)體、節(jié)能環(huán)保等行業(yè)的發(fā)展以及人口老齡化問(wèn)題的解決都離不開(kāi)化工新材料的支撐，化工新材料將以成就他們的方式與世界共舞。業(yè)界專家就這些領(lǐng)域化工新材料的發(fā)展機(jī)遇進(jìn)行了探討。

3 D打印 材料最賺錢

3D打印是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)模型，采用離散材料（液體、粉末、絲、塊等）逐層堆積原理制造三維實(shí)體材料的技術(shù)。與傳統(tǒng)的車銑刨鉆等減式制造技術(shù)和鑄造、鍛壓等成形工藝不同，3D打印是自下而上的原料累加制造成形工藝，也被稱作材料累加制造、快速原型、分層制造、實(shí)體自由制造等。中科院化學(xué)所研究員徐堅(jiān)指出：“當(dāng)人們都在關(guān)注3D打印的機(jī)器是如何工作，3D打印究竟能做出什么的時(shí)候，卻忽視了3D打印未來(lái)最賺錢的部分之一：材料?！?/p>

3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹(shù)脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料。此外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到應(yīng)用。業(yè)界認(rèn)為，工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見(jiàn)的有ABS類材料、PC類材料、尼龍類材料等。國(guó)際市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)SmarTech去年發(fā)布的《3D打印市場(chǎng)中的塑料：十年機(jī)會(huì)預(yù)測(cè)》報(bào)告稱，目前，全球3D打印用塑料銷售額已達(dá)到3.1億美元，預(yù)計(jì)2019年將增至14億美元。隨著消費(fèi)市場(chǎng)和專業(yè)用戶群的快速增長(zhǎng)，3D打印用塑料材料有望獲得高利潤(rùn)。

徐堅(jiān)研究員表示，3D打印的突出特點(diǎn)是即設(shè)計(jì)—即打印—即成型—即驗(yàn)證，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)而言，將會(huì)極大地縮短前期設(shè)計(jì)時(shí)間，在未來(lái)工業(yè)設(shè)計(jì)為先導(dǎo)的工業(yè)信息化過(guò)程中會(huì)成為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，這是3D打印或者增材制造技術(shù)的核心內(nèi)涵和重要性所在，而不是30年前即存在的玩具或者藝術(shù)品打印技術(shù)。目前，3D打印主要的成型方法有熔融沉積造型（FDM）、立體光刻（SLA）、三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等，西安交大盧秉恒院士、清華顏永年教授、北航王華明教授、華中科大史玉升教授、西北工大黃衛(wèi)東教授等都在進(jìn)行相關(guān)研究，他們的研究主要采用基于金屬粉末的選擇性激光燒結(jié)（SLS）法。

他提出，3D打印對(duì)高分子化學(xué)和物理提出了新的挑戰(zhàn)。高分子材料的特點(diǎn)是隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加，機(jī)械性能不斷提升，目前亟須開(kāi)發(fā)聚酯類、聚烯烴類超高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物材料的高效合成方法，以及獲取在激光加熱狀態(tài)下超高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物的鏈纏結(jié)和高強(qiáng)度。同時(shí)，3D打印對(duì)高分子材料加工來(lái)說(shuō)也是一個(gè)新的機(jī)遇。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)加工技術(shù)中，高相對(duì)分子質(zhì)量往往導(dǎo)致高成型加工難度，需引入助劑來(lái)提高加工性能，但加工助劑的引入會(huì)導(dǎo)致制品拉伸強(qiáng)度、硬度、電絕緣性下降，影響熱穩(wěn)定性和阻燃性。而且，一種助劑的加入，需要另添加一種或多種助劑來(lái)平衡補(bǔ)償，配方復(fù)雜，工藝繁瑣，成本高。利用3D打印對(duì)超高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物粉體在其高彈態(tài)下進(jìn)行加工成型，是高性能高分子材料加工的新機(jī)遇，勢(shì)必帶來(lái)高分子學(xué)科發(fā)展的新突破。

目前國(guó)內(nèi)3D打印企業(yè)追求轟動(dòng)效應(yīng)多，踏踏實(shí)實(shí)研發(fā)少；追求整體系統(tǒng)集成多，關(guān)注材料的少；追求表觀模型的多，關(guān)注3D實(shí)質(zhì)的少；追求表面形式的多，關(guān)注知識(shí)產(chǎn)權(quán)的少；人云亦云多，原始創(chuàng)新少，戰(zhàn)略布局少。針對(duì)這些問(wèn)題，徐堅(jiān)研究員率領(lǐng)中科院團(tuán)隊(duì)近200名人員，高效協(xié)同，歷經(jīng)4個(gè)月艱苦研發(fā)，攻克了超高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物微球、500℃以下激光高精度控溫等一系列關(guān)鍵技術(shù)，已于2014年4月30日向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局提交了57項(xiàng)關(guān)于3D打印用高分子材料制備及應(yīng)用的發(fā)明專利申請(qǐng)，成為目前在高分子材料增材制造方向上申報(bào)的最大專利池。

目前，中科院化學(xué)所正跟相關(guān)單位合作，力爭(zhēng)今年初步建成超高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物3D打印精細(xì)加工成型示范線，進(jìn)一步形成超高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物3D打印專用材料、方法與裝備，為高性能高分子及無(wú)機(jī)-高分子復(fù)合材料的3D制造探索可行途徑，希望率先在工業(yè)預(yù)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)等2～3個(gè)方向上形成突破。

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司正在謀求從石油+化工向能源+材料的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，發(fā)展3D打印材料正是中石化布局新材料版圖的重要一環(huán)。該公司科技部合成材料處處長(zhǎng)莊毅表示，中石化于去年開(kāi)始部署3D打印戰(zhàn)略，目前有7～8組人員正圍繞3D打印材料、加工方式、應(yīng)用領(lǐng)域等開(kāi)展相關(guān)研究。

據(jù)了解，3D打印材料都是專門針對(duì)3D打印設(shè)備和工藝而研發(fā)，與普通的塑料、石膏、樹(shù)脂等有所區(qū)別，形狀包括粉末狀、絲狀、片狀和液體狀等。根據(jù)打印設(shè)備的類型及操作條件不同，所用的粉末狀3D打印材料的粒徑在1～100μm，為保證粉末有良好的流動(dòng)性，一般要求粉末具有高球形度。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) 高純材料緊缺

巨化股份浙江博瑞電子科技有限公司總經(jīng)理陳剛表示，電子化學(xué)材料是大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路、分立器件、平板顯示器、LED、太陽(yáng)能電池等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制造過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵性化工材料。對(duì)國(guó)家而言，電子化學(xué)材料是信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐產(chǎn)業(yè)，是兩化融合的重要體現(xiàn)。但是，國(guó)內(nèi)電子化學(xué)材料的品質(zhì)與國(guó)際先進(jìn)水平有差距，核心技術(shù)匱乏，進(jìn)口依存度高，給國(guó)家?guī)?lái)極大的信息安全隱患。

我國(guó)電子化學(xué)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困境主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面，一是技術(shù)嚴(yán)重滯后于微電子、光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品單一、規(guī)模小，無(wú)法形成系列產(chǎn)品的解決方案，高端市場(chǎng)自給率不足10% ；二是半導(dǎo)體行業(yè)材料供應(yīng)商準(zhǔn)入門檻極高，設(shè)備投入大、管理要求高、產(chǎn)品導(dǎo)入期長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)提升技術(shù)的積極性不高；三是國(guó)內(nèi)企業(yè)一有技術(shù)突破，國(guó)外材料商就下調(diào)價(jià)格，因價(jià)格差距不大，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)導(dǎo)入國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的積極性不高；四是國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)多為代工企業(yè)，國(guó)外半導(dǎo)體企業(yè)直接指定上游供應(yīng)材料企業(yè)，國(guó)內(nèi)代工企業(yè)沒(méi)有自主更換材料的話語(yǔ)權(quán)。

陳剛認(rèn)為，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所用的電子化學(xué)材料分為電子氣體和電子化學(xué)品兩大類，先進(jìn)制造過(guò)程對(duì)所使用的電子化學(xué)材料提出了更高的要求，電子化學(xué)材料產(chǎn)業(yè)和技術(shù)應(yīng)滿足集成電路發(fā)展要求，爭(zhēng)取彎道超車。其中，電子氣體的發(fā)展方向是深度純化，純度由5N向7N、9N發(fā)展；電子化學(xué)品的方向則是深度提純，純度由ppm級(jí)提高到ppb級(jí)，正在向ppt級(jí)發(fā)展。

光刻膠可以用于微電子加工的多個(gè)工序中，但大多為國(guó)外公司掌握。目前，中科院化學(xué)所副所長(zhǎng)楊國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的超高精細(xì)光刻膠已經(jīng)取得突破，完成了實(shí)驗(yàn)室性能檢測(cè)設(shè)備和光刻膠主體材料的研發(fā)，下一步將進(jìn)行放量生產(chǎn)。

徐堅(jiān)還提出，應(yīng)加大后3代半導(dǎo)體材料、智能工業(yè)用材料、高溫超導(dǎo)材料、移動(dòng)電子信息用材料、激光顯示技術(shù)用材料等的開(kāi)發(fā)。

潘愛(ài)華指出，大力發(fā)展電子化學(xué)品和3D打印材料，是石化化工行業(yè)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)間兩化深度融合的著力點(diǎn)。

節(jié)能環(huán)保 萬(wàn)億元市場(chǎng)待分享

潘愛(ài)華表示，石化行業(yè)是高能耗、高排放產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品最多的行業(yè)。我國(guó)“大氣十條”的發(fā)布，能夠帶動(dòng)2萬(wàn)億元的需求，這里面化工材料所占比例一定不低。

清華大學(xué)膜材料與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王曉琳認(rèn)為，節(jié)能減排將是化工適應(yīng)新常態(tài)的重要舉措。他說(shuō)，一個(gè)銷售額在1億元左右的石化企業(yè)，如果存在高濃廢水未經(jīng)深度處理回用而排放，那么從廢水、廢氣中排出的資源價(jià)值可能在500萬(wàn)元以上。有句老話叫“天無(wú)棄物”，絕大多數(shù)的廢水、廢氣都可以實(shí)現(xiàn)資源化利用，而這需要各種化工新材料的支持。遺憾的是，在節(jié)能減排領(lǐng)域，化工新材料的發(fā)展現(xiàn)狀尚不盡如人意。

他以膜材料舉例。近年來(lái)，膜產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值每年以30%的速度增加，但大多數(shù)產(chǎn)品仍屬于中低端，難以進(jìn)入高端。國(guó)外企業(yè)非常樂(lè)意看到中國(guó)推動(dòng)節(jié)能減排，因?yàn)樗麄儍?chǔ)備了很多先進(jìn)技術(shù)。他強(qiáng)調(diào)，作為一種重要的化工新材料，膜材料在節(jié)能減排中機(jī)遇很多，下一步的方向就是在廢水處理、廢物資源化利用方面發(fā)揮更大作用，滿足行業(yè)重大需求，促進(jìn)化工行業(yè)適應(yīng)新常態(tài)發(fā)展。

據(jù)了解，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有不少很好的膜產(chǎn)品問(wèn)世。譬如，清華大學(xué)自主研發(fā)的熱致相分離法聚偏氟乙烯中空纖維膜，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作成功開(kāi)發(fā)出壓力式、浸沒(méi)式及膜生物反應(yīng)器等三大系列超濾膜組件（賽諾膜）。北京賽諾膜技術(shù)有限公司以清華大學(xué)熱致相分離技術(shù)為核心，進(jìn)行高性能膜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造及服務(wù)。截至目前，該公司已實(shí)施項(xiàng)目超過(guò)100多個(gè)，超濾系統(tǒng)處理水量每天達(dá)100萬(wàn)噸以上，膜產(chǎn)品在鋼鐵、電力、石化、煤化工等工業(yè)領(lǐng)域，以及海水淡化、市政等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并出口到美國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家。

人口老齡化 蘊(yùn)含大機(jī)遇

民政部老齡科學(xué)研究中心副主任黨俊武表示，2014年我國(guó)老齡人口在2.12億，2053年將達(dá)到4.83億，占總?cè)丝诘?4.9%，其中失能人口在1億左右。2011年，我國(guó)老年人衛(wèi)生費(fèi)用在9000億元，占全國(guó)衛(wèi)生總費(fèi)用的40%。隨著我國(guó)人口老齡化加劇，老年人用品的市場(chǎng)需求日益多樣化。而原材料工業(yè)是滿足人口老齡化需求的基礎(chǔ)支撐。

潘愛(ài)華指出：“人口老齡化是我國(guó)不可回避的現(xiàn)實(shí)，也是必經(jīng)階段，但對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)卻是一種機(jī)遇。目前，我國(guó)專用于老人的產(chǎn)品不足2000種，而日本有4萬(wàn)多種，日本、法國(guó)等已經(jīng)看到了這里面的機(jī)遇。在產(chǎn)能過(guò)剩的背景下，多生產(chǎn)能為老年人服務(wù)的材料是一個(gè)轉(zhuǎn)型的方向，目前我國(guó)進(jìn)入該領(lǐng)域的企業(yè)還相對(duì)較少，化工材料企業(yè)可以往這個(gè)方向努力?！?/p>

據(jù)了解，隨著人口增長(zhǎng)和人口老化比例的升高，塑料醫(yī)療器材的需求持續(xù)擴(kuò)大，從藥品及藥劑的包裝品，到針管、軟管、手術(shù)器械等一次性醫(yī)療器材中都能看到塑料器械的存在，尤其是置入人體的器材。在老年人用品中，一些關(guān)鍵性材料我國(guó)尚不能自主生產(chǎn)。徐堅(jiān)認(rèn)為，應(yīng)加速生物醫(yī)用材料等的研發(fā)速度。