化工新材料:与未来世界共舞

“化工新材料发展不够好是我国石化行业大而不强的原因之一。去年的中央经济工作会议提出了我国经济新常态的九大特征, 其中好几条都与化工新材料紧密相联。那么, 新常态下化工新材料的发展机遇在哪里?我想就在3D打印、半导体、节能环保等行业的发展中, 在人口老龄化等问题的解决中。”在1月28日由工信部原材料司组织的新常态下化工新材料发展座谈会上, 工信部原材料司副司长潘爱华表示。

3D打印、半导体、节能环保等行业的发展以及人口老龄化问题的解决都离不开化工新材料的支撑, 化工新材料将以成就他们的方式与世界共舞。业界专家就这些领域化工新材料的发展机遇进行了探讨。

3D打印材料最赚钱

3D打印是通过CAD设计模型, 采用离散材料 (液体、粉末、丝、块等) 逐层堆积原理制造三维实体材料的技术。与传统的车铣刨钻等减式制造技术和铸造、锻压等成形工艺不同, 3D打印是自下而上的原料累加制造成形工艺, 也被称作材料累加制造、快速原型、分层制造、实体自由制造等。中科院化学所研究员徐坚指出:“当人们都在关注3D打印的机器是如何工作, 3D打印究竟能做出什么的时候, 却忽视了3D打印未来最赚钱的部分之一:材料。”

3D打印材料是3D打印技术发展的重要基础。目前, 3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料。此外, 彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到应用。业界认为, 工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料, 常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。国际市场分析机构Smar Tech去年发布的《3D打印市场中的塑料:十年机会预测》报告称, 目前, 全球3D打印用塑料销售额已达到3.1亿美元, 预计2019年将增至14亿美元。随着消费市场和专业用户群的快速增长, 3D打印用塑料材料有望获得高利润。

徐坚研究员表示, 3D打印的突出特点是即设计—即打印—即成型—即验证, 对工业设计而言, 将会极大地缩短前期设计时间, 在未来工业设计为先导的工业信息化过程中会成为一项颠覆性技术, 这是3D打印或者增材制造技术的核心内涵和重要性所在, 而不是30年前即存在的玩具或者艺术品打印技术。目前, 3D打印主要的成型方法有熔融沉积造型 (FDM) 、立体光刻 (SLA) 、三维印刷 (3DP) 、选择性激光烧结 (SLS) 等, 西安交大卢秉恒院士、清华颜永年教授、北航王华明教授、华中科大史玉升教授、西北工大黄卫东教授等都在进行相关研究, 他们的研究主要采用基于金属粉末的选择性激光烧结 (SLS) 法。

他提出, 3D打印对高分子化学和物理提出了新的挑战。高分子材料的特点是随着相对分子质量的增加, 机械性能不断提升, 目前亟须开发聚酯类、聚烯烃类超高相对分子质量聚合物材料的高效合成方法, 以及获取在激光加热状态下超高相对分子质量聚合物的链缠结和高强度。同时, 3D打印对高分子材料加工来说也是一个新的机遇。因为在传统加工技术中, 高相对分子质量往往导致高成型加工难度, 需引入助剂来提高加工性能, 但加工助剂的引入会导致制品拉伸强度、硬度、电绝缘性下降, 影响热稳定性和阻燃性。而且, 一种助剂的加入, 需要另添加一种或多种助剂来平衡补偿, 配方复杂, 工艺繁琐, 成本高。利用3D打印对超高相对分子质量聚合物粉体在其高弹态下进行加工成型, 是高性能高分子材料加工的新机遇, 势必带来高分子学科发展的新突破。

目前国内3D打印企业追求轰动效应多, 踏踏实实研发少;追求整体系统集成多, 关注材料的少;追求表观模型的多, 关注3D实质的少;追求表面形式的多, 关注知识产权的少;人云亦云多, 原始创新少, 战略布局少。针对这些问题, 徐坚研究员率领中科院团队近200名人员, 高效协同, 历经4个月艰苦研发, 攻克了超高相对分子质量聚合物微球、500℃以下激光高精度控温等一系列关键技术, 已于2014年4月30日向国家知识产权局专利局提交了57项关于3D打印用高分子材料制备及应用的发明专利申请, 成为目前在高分子材料增材制造方向上申报的最大专利池。

目前, 中科院化学所正跟相关单位合作, 力争今年初步建成超高相对分子质量聚合物3D打印精细加工成型示范线, 进一步形成超高相对分子质量聚合物3D打印专用材料、方法与装备, 为高性能高分子及无机-高分子复合材料的3D制造探索可行途径, 希望率先在工业预设计、医学等2~3个方向上形成突破。

中国石油化工集团公司正在谋求从石油+化工向能源+材料的战略转变, 发展3D打印材料正是中石化布局新材料版图的重要一环。该公司科技部合成材料处处长庄毅表示, 中石化于去年开始部署3D打印战略, 目前有7~8组人员正围绕3D打印材料、加工方式、应用领域等开展相关研究。

据了解, 3D打印材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发, 与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别, 形状包括粉末状、丝状、片状和液体状等。根据打印设备的类型及操作条件不同, 所用的粉末状3D打印材料的粒径在1~100μm, 为保证粉末有良好的流动性, 一般要求粉末具有高球形度。

半导体产业高纯材料紧缺

巨化股份浙江博瑞电子科技有限公司总经理陈刚表示, 电子化学材料是大规模/超大规模集成电路、分立器件、平板显示器、LED、太阳能电池等半导体产业制造过程中不可或缺的关键性化工材料。对国家而言, 电子化学材料是信息化产业发展的重要基础支撑产业, 是两化融合的重要体现。但是, 国内电子化学材料的品质与国际先进水平有差距, 核心技术匮乏, 进口依存度高, 给国家带来极大的信息安全隐患。

我国电子化学材料产业发展的困境主要表现在几个方面, 一是技术严重滞后于微电子、光电产业的发展, 产品单一、规模小, 无法形成系列产品的解决方案, 高端市场自给率不足10%;二是半导体行业材料供应商准入门槛极高, 设备投入大、管理要求高、产品导入期长, 国内企业提升技术的积极性不高;三是国内企业一有技术突破, 国外材料商就下调价格, 因价格差距不大, 国内半导体企业导入国内产品的积极性不高;四是国内半导体企业多为代工企业, 国外半导体企业直接指定上游供应材料企业, 国内代工企业没有自主更换材料的话语权。

陈刚认为, 半导体产业所用的电子化学材料分为电子气体和电子化学品两大类, 先进制造过程对所使用的电子化学材料提出了更高的要求, 电子化学材料产业和技术应满足集成电路发展要求, 争取弯道超车。其中, 电子气体的发展方向是深度纯化, 纯度由5N向7N、9N发展;电子化学品的方向则是深度提纯, 纯度由ppm级提高到ppb级, 正在向ppt级发展。

光刻胶可以用于微电子加工的多个工序中, 但大多为国外公司掌握。目前, 中科院化学所副所长杨国强团队开发的超高精细光刻胶已经取得突破, 完成了实验室性能检测设备和光刻胶主体材料的研发, 下一步将进行放量生产。

徐坚还提出, 应加大后3代半导体材料、智能工业用材料、高温超导材料、移动电子信息用材料、激光显示技术用材料等的开发。

潘爱华指出, 大力发展电子化学品和3D打印材料, 是石化化工行业推进产业间两化深度融合的着力点。

节能环保万亿元市场待分享

潘爱华表示, 石化行业是高能耗、高排放产业, 同时也是生产节能环保产品最多的行业。我国“大气十条”的发布, 能够带动2万亿元的需求, 这里面化工材料所占比例一定不低。

清华大学膜材料与工程北京市重点实验室主任王晓琳认为, 节能减排将是化工适应新常态的重要举措。他说, 一个销售额在1亿元左右的石化企业, 如果存在高浓废水未经深度处理回用而排放, 那么从废水、废气中排出的资源价值可能在500万元以上。有句老话叫“天无弃物”, 绝大多数的废水、废气都可以实现资源化利用, 而这需要各种化工新材料的支持。遗憾的是, 在节能减排领域, 化工新材料的发展现状尚不尽如人意。

他以膜材料举例。近年来, 膜产业产值每年以30%的速度增加, 但大多数产品仍属于中低端, 难以进入高端。国外企业非常乐意看到中国推动节能减排, 因为他们储备了很多先进技术。他强调, 作为一种重要的化工新材料, 膜材料在节能减排中机遇很多, 下一步的方向就是在废水处理、废物资源化利用方面发挥更大作用, 满足行业重大需求, 促进化工行业适应新常态发展。

据了解, 近年来国内也有不少很好的膜产品问世。譬如, 清华大学自主研发的热致相分离法聚偏氟乙烯中空纤维膜, 通过产学研合作成功开发出压力式、浸没式及膜生物反应器等三大系列超滤膜组件 (赛诺膜) 。北京赛诺膜技术有限公司以清华大学热致相分离技术为核心, 进行高性能膜产品开发、制造及服务。截至目前, 该公司已实施项目超过100多个, 超滤系统处理水量每天达100万吨以上, 膜产品在钢铁、电力、石化、煤化工等工业领域, 以及海水淡化、市政等领域得到了广泛应用, 并出口到美国、日本、韩国、澳大利亚等发达国家。

人口老龄化蕴含大机遇

民政部老龄科学研究中心副主任党俊武表示, 2014年我国老龄人口在2.12亿, 2053年将达到4.83亿, 占总人口的34.9%, 其中失能人口在1亿左右。2011年, 我国老年人卫生费用在9000亿元, 占全国卫生总费用的40%。随着我国人口老龄化加剧, 老年人用品的市场需求日益多样化。而原材料工业是满足人口老龄化需求的基础支撑。

潘爱华指出:“人口老龄化是我国不可回避的现实, 也是必经阶段, 但对制造业来说却是一种机遇。目前, 我国专用于老人的产品不足2000种, 而日本有4万多种, 日本、法国等已经看到了这里面的机遇。在产能过剩的背景下, 多生产能为老年人服务的材料是一个转型的方向, 目前我国进入该领域的企业还相对较少, 化工材料企业可以往这个方向努力。”

据了解, 随着人口增长和人口老化比例的升高, 塑料医疗器材的需求持续扩大, 从药品及药剂的包装品, 到针管、软管、手术器械等一次性医疗器材中都能看到塑料器械的存在, 尤其是置入人体的器材。在老年人用品中, 一些关键性材料我国尚不能自主生产。徐坚认为, 应加速生物医用材料等的研发速度。