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　　摘要：概述了我国高分子产业的发展现状,指出我国高分子产业存在产品结构类同、低端产品结构性过剩、技术支撑能力不足等问题,必须加快高端高分子材料的研究与开发。分析了三大通用高分子材料的消费趋势,预测了近中期市场需求有较快增长、长期市场需求可能保持稳定的十一类高端高分子材料。提出了高分子材料高端化的研发思路:一是既要重视特种材料的研究开发,也必须高度重视高端通用材料的研究开发;二是深入研究高分子材料结构与性能的关系,尽快实现从定性分析向定量建模的深化;三是重视高分子材料高端化的技术路径的优化与选择,实现低能耗、低投资和低成本的高端化;四是突破高端分子材料的单体制约;五是加强加工应用技术及装备的研究开发。

　　关键词：高分子材料合成树脂合成纤维合成橡胶单体

　　在现代社会,从人们的衣、食、住、行、医,到农业、工业、交通工具、建筑工程、航空航天、国防军工都在使用高分子材料,只是对材料的类别、品种、性能有不同的要求。在经济社会发展的进程中,我国十分重视高分子材料产业的发展。经过半个多世纪的持续努力,我国已成为世界高分子材料生产与消费第一大国。但是我国高分子材料产业大而不强,生产使用的技术除小部分可以依靠国内,大部分还在引进,高分子材料中的高端产品也有较高比例依靠引进。针对我国高分子材料高端化存在的问题和经济社会发展、能源低碳化转型、建设国防强国等对高分子材料的需求,围绕产业链建立创新链,加强产学研用联合,发挥各方技术及人才优势,加大科技投入,进行合作攻关,从消化吸收再创新、模仿创新、跟踪创新到实现原始创新,突破技术制约,尤其突破高端高分子材料生产技术瓶颈,是将我国建设成高分子材料强国的必由之路。

　　1 我国高分子材料产业的发展现状

　　1.1 我国高分子材料产业快速发展,成套技术开发取得了一批成果

　　高分子材料广泛应用于国民经济的各个领域,经济社会发展不断为高分子材料产业发展带来新的机遇。表1总结了2021年我国通用合成树脂、合成纤维和合成橡胶的产能、产量和消费量。按材料的总量计算,我国2021年三大通用高分子材料的产能、产量和消费量均居世界第一,三大通用高分子材料的总消费量为164 Mt,以体积计算约为钢材的1.22倍。高分子材料产业的发展有力支持了国民经济的高速发展、国防实力的迅速增强和人民生活质量的不断改善。

　　表1 2021年我国通用合成树脂、合成纤维、合成橡胶的产能、产量和消费量

　　目前,我国高分子材料的生产技术正在由以引进为主逐步向依靠自主技术为主转变。合成材料的催化剂大部分可以由国内供应。生产合成材料装置的核心装备,除少部分有特殊要求外,也可以由国内供应,如长期依赖进口的管式法高压聚乙烯的管式反应器、大型合成树脂挤压造粒机组从材料到制造都已实现国产化。合成材料成套生产技术开发取得了一批成果,达到国际先进水平聚烯烃技术建成的产能达到17.37 Mt/a,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)及其下游短丝、瓶片等生产技术可以依靠国内技术,碳纤维、超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维、芳纶技术取得突破,顺丁橡胶、丁苯橡胶等合成橡胶技术已经全部依靠自主技术。

　　我国少数自主开发的合成材料生产技术已进入世界领先行列。如中国石化北京化工研究院通过系统的试验研究,发现了聚烯烃共聚单体和无规结构在不同相对分子质量组分的分布及其对产品性能的影响,发明了三种调控共聚单体和无规结构向高相对分子质量组分移动的新方法,开发出具有原创性的低可溶出物透明聚丙烯、高熔体强度抗冲聚丙烯、耐高电压击穿膜用聚丙烯、抗菌防霉聚丙烯新产品和耐应力开裂的聚乙烯PE100-RC、环保型低挥发性有机化合物(VOC)车用聚丙烯、无塑化剂高性能聚丙烯无纺布专用树脂等6类高性能产品,部分产品已出口到过去向我国转让聚丙烯技术的日本。

　　1.2 产业跟风排浪式发展,产品结构类同

　　“十三五”以来,我国合成材料产业跟风排浪式发展,都称是化工新材料,实际上大多是同质化低端产品,高端产品也存在同质化发展的倾向。产能的迅速增长,造成通用低端材料供应过剩,高端材料(包括功能化高性能通用材料和特种工程塑料、特种合成纤维、特种合成橡胶3大类特种材料)供给不足,大量从国外进口,高分子材料产能结构性过剩问题突出[1]。据统计,我国新领域高分子材料的自给率约50%[2],工程塑料和特种合成橡胶自给率约35%和30%。

　　产能结构性过剩只是表象,技术支撑能力不足才是根本原因。例如,2021年我国合成树脂中消费量最大的聚烯烃树脂(聚乙烯、聚丙烯)产能为61.45 Mt/a(26.87 Mt/a,34.58 Mt/a),国内技术建成的产能仅占总产能的28%。其中,高压聚乙烯(低密度聚乙烯LDPE、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA)生产技术更是完全依赖引进。这和我国高分子材料技术研究与开发、重大装备研制的投入不足有关。长期以来,国内围绕高分子材料开展的研究工作主要在催化剂的进口替代上,缺少聚合工程技术及专用生产装备开发,开发成功且已实现工业应用的成套生产技术除顺丁橡胶、溶聚丁苯橡胶等少数几个产品外,大部分是通过对引进技术消化吸收再创新开发成功的,缺少原创性,开发中也是偏重催化剂、生产工艺与工程技术,缺少系列化产品开发和产品应用技术开发。从国际上看,几乎没有专门从事技术开发与转让的高分子材料技术专利商,一般既是高分子材料生产技术开发商,也是材料的生产商。他们对外转让技术时不可能转让高附加值的高端高分子材料生产技术,以防止威胁和影响其自身的市场竞争力。

　　2 未来高端高分子材料的市场需求

　　2.1 三大高分子材料消费趋势

　　高端高分子材料包括高端通用材料(有特殊物理机械性能和专门用途的通用材料)和特种高分子材料。党的“二十大”提出了全面建成社会主义现代化强国的宏伟目标。这个目标要在推进碳达峰碳中和目标,加快能源低碳化的大背景下实现。高分子材料是建设现代化强国、满足人民不断改善物质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转型过程中不可或缺的材料。

　　中国工程院2020年咨询研究项目《我国炼油和石化产品消费规律、产能发展规模及布局战略研究》课题组研究了未来需要使用高分子材料的主要产业及行业的发展趋势和世界发达国家高分子材料的消费规律,预测了我国未来高分子材料的消费量,表2～表4分别给出了2035年前我国合成树脂、合成纤维和合成橡胶消费预测。研究认为,在基准消费情景和约束消费情景下,三大高分子材料的市场需求近中期会有一定幅度增长,2030年前后,我国三大通用高分子材料消费量先后进入一段峰值平台期,此后消费量逐步降低。

　　表2 2035年前我国合成树脂消费预测

　　1)斜杠前为基准消费情景下数据,斜杠后为约束消费情景下数据。基准消费情景为在已发布政策和行业规划目标下的发展情景,约束消费情景为在满足气候温升小于2 ℃目标下的发展情景(下同)。

　　表3 2035年前我国合成纤维消费预测

　　1)斜杠前为基准消费情景下数据,斜杠后为约束消费情景下数据。

　　表4 2035年前我国合成橡胶消费预测

　　1)斜杠前为基准消费情景下数据,斜杠后为约束消费情景下数据。

　　2.2 近中期市场需求有较快增长、长期市场需求可能保持稳定的主要高端高分子材料

　　相对于三大通用高分子材料,与食品和洁净水供应、医疗卫生健康、治理生态环境、节能降碳、能源低碳化转型、战略性新兴产业发展等有关的高端材料的需求,近中期会以较快速度增长,长期也将保持稳定的需求[3-4]。

　　(1)农业材料:无污染地膜,具转光功能及防雾滴功能的棚膜材料,耕地保水材料,现代设施农业材料等。例如,可回收地膜用聚乙烯、转光膜用聚乙烯、EVA、聚丙烯酸盐、土壤熏蒸膜用聚氯乙烯(PVC)、立体种植用PVC。

　　(2)服装材料:抗静电、抗菌除臭、防紫外线、超防水、温度感应等服装面料材料。例如,超仿真聚酯,具有抗静电、原液着色、抗菌、除臭、导电、疏水、阻燃等一种或多种功能的聚酯等。

　　(3)建筑材料:阻燃家居材料、建筑物阻燃保温材料、长效屋顶防水材料、建筑物损伤修复补强材料、低能耗照明材料、混凝土增强材料等。例如,聚丙烯高取向塑木复合材料、耐候软质聚丙烯、聚烯烃热塑性弹性体、有机发光二极管(OLED)用聚合物、环保型阻燃聚合物、碳纤维热固性复合材料、建筑增强用聚丙烯腈纤维等。

　　(4)交通运输材料:各类车、船、飞行器的轻量化壳体与结构材料,绿色轮胎材料,汽车油箱材料,无气味内饰材料,高效润滑材料,高分子玻璃等。例如,长纤复合聚丙烯、溶聚丁苯橡胶、溴化丁基热塑性弹性体(HBTPV)、仿生异戊橡胶等轮胎用橡胶、增强聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)黏结膜、大丝束碳纤维及其热塑性或热固性复合材料、轮胎骨架用对位芳纶纤维等。

　　(5)生态治理材料:海水、苦咸水、城市废水和工业废水深度处理使用的超滤、纳滤、反渗透膜及膜组件材料,干旱地区类蜘蛛丝集水材料,空气净化材料等。例如,集水用聚乙烯醇(PVA)复合材料、高效粉尘过滤用聚酯或芳纶纤维、极性聚丙烯、聚酰胺、聚醚砜、聚苯醚、聚苯咪唑等。

　　(6)医疗卫生材料:一次性卫生材料,光学镜片材料,长效、卫生安全的血液储存材料,导管、心脏支架、人工骨、手术缝合线、药物缓释等有良好生物相容性的介入材料,人工肾、人工肺、人工关节用高分子材料,各种医疗仪器及设备用材料等。例如,抗菌无纺布用聚丙烯、采血管专用PET、耐辐照聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、医用超高相对分子质量聚乙烯、聚氨酯弹性体、聚碳酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙交酯、聚乳酸、光学级环烯烃共聚物(COP)、聚4-甲基-1-戊烯(PMP)等。

　　(7)各类包装材料:气体阻隔材料,抗静电包装材料,防伪包装材料,无析出物包装材料等。例如,乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、热塑性PVA、耐高温聚酯、内增塑PVC、极性聚烯烃等。

　　(8)工业过程材料:油气勘探开发过程用材料,炼油化工过程防腐材料,物料分离提纯用材料,机械装备用特种工程塑料,钢铁、石化、化工等工业过程尾气资源化利用材料等。例如,油气井钻探过程防漏失聚合物、地层压裂改造用压裂液、桥塞、驱油、稠油减黏、原油输送减阻、城市天然气管网使用的各类高分子材料,气气、液液、气液分离膜使用的各种高分子材料,制造耐不同化学品腐蚀的设备、阀门及管件用高分子材料等。

　　(9)新能源材料:动力电池、储能电池、燃料电池等不同场景使用的膜材料,高压储氢瓶用材料,太阳能电池封装材料,大型风电机组叶片材料,耐盐雾腐蚀及耐候涂料等。例如,EVA、乙烯和辛烯共聚物(POE)、UHMWPE、聚四氟磺酸树脂、高清洁聚烯烃、柔性光伏用聚酰胺、储氢瓶专用聚乙烯及改性尼龙、发泡聚酯(PET)、含石墨烯聚氨酯涂料等。

　　(10)电子电器材料:光电子材料、柔性显示材料、机器人材料、阻燃电器材料、电力电子材料、电气元件材料、热塑性高压电缆材料、离型膜材料、防静电材料、抗菌防霉材料等。例如电子级环氧树脂、聚碳酸酯、介电弹性体、光刻胶用及柔性显示用聚酰亚胺、玻璃纤维增强PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)、无卤阻燃PA66(聚己二酰己二胺)、聚酯工程塑料、离型膜用PET、聚醚醚酮、碳纤维复合材料等。

　　(11)国防材料:个人防护材料,潜艇隔声材料,飞机、舰船隐身材料,高速飞行器用材料,坦克防弹材料,耐温密封材料等。例如,功能性溶聚丁苯、氢化丁腈橡胶、UHMWPE纤维、芳纶、高强高模碳纤维及其复合材料用基体树脂等。

　　上述未来市场需要的材料中,特种工程塑料、特种合成纤维、特种合成橡胶主要应用于航天航空、电子元器件、特种装备等高技术领域,是需求量小、作用大、不可或缺的材料;有较高消费增速、需求量大的是高性能功能化的通用高分子材料。这两种类型高端高分子材料的单体生产技术、聚合催化剂工艺技术、加工应用技术的研究开发都是高分子领域科技进步的重要组成部分,在迈向高分子材料产业强国的进程中都应该得到高度重视。

　　3 高分子材料高端化的研发思路

　　3.1 开发高端高分子材料既要重视三类特种材料开发,也必须加强高端通用材料的开发

　　近几年来,高端高分子材料供给不足的问题受到各方高度关注。电子信息、航空航天等涉及国家安全的高技术产业急需的“卡脖子”材料,基本都是三大类特种高分子材料,国家有关部门采取设立专项的方式,加大投入、组织相关单位联合攻关,参加开发的单位和人员也高度重视,已经或正在不断取得突破。但是面向未来,国家需要的高端高分子材料还包括高端通用材料。从数量上看,高端通用材料的需求量明显大于特种材料,“卡脖子”的特种高分子材料开发受到了高度重视,但是高端通用高分子材料开发重视不够、投入不足。主要原因是针对此类材料的研究难出显示度高的科技成果,社会氛围导向和驱动机制让高校、科研单位和研究人员都缺少积极性。要明确“基础+高端”的方向,完善研发平台,组织研发团队,建立必需的激励机制,切实加强高端通用材料的开发。

　　3.2 深入进行材料结构与性能关系的研究

　　高分子材料的3个层次结构,即近程结构、远程结构、聚集态结构,都会影响材料的性能,导致结构与性能的关系复杂,但综合分析,分子链结构是材料性能的主要控制因素。要加强应用基础研究,使各种高分子材料结构与性能的关系的研究从定性分析向定量建模深化,不断完善高分子材料分子设计理论[5]。20世纪80年代初期,笔者在中国石化北京燕山分公司合成橡胶厂聚合车间工作,当时厂里能测试生胶分子结构与性能的只有红外光谱仪、电子拉力机、黏均相对分子质量测定仪各一台,通过收集积累数据进行数据分析,发现生胶中的反式-1,4结构与反式-1,2结构的比值和特征松弛时间τ有较好的线性关系,与应力-应变曲线的形态和加工性能有明显关联性,还对混合胶样的物理机械性能有明显影响,并提出了调控反式-1,4结构与反式-1,2结构比值的技术[6]。现在表征合成材料结构与性能的仪器及装备取得了很大的进步,数据处理分析技术有了巨大的提升,高分子材料结构与性能的关系研究从定性到定量均有了现代化的手段。深入进行高分子材料结构与性能的研究,要做到:

　　一是收集已生产的各种高分子材料的结构、性能等历史数据和研究中获得的数据,建立包括高分子材料品种牌号、单体、催化体系、聚合工艺、化学及物理改性、材料层次结构、材料性能的高分子材料数据库。

　　二是建设高水平的结构测试与性能表征实验室和高通量聚合实验室,形成完善的研究开发平台,结合反应机理和聚合技术研究,应用大数据分析、机器学习、人工智能等现代信息技术手段开发表征各种高分子材料结构与性能关系的模型库。

　　三是深化高分子材料数据库和模型库的应用,指导高分子材料分子设计和催化体系研究,结合高通量聚合试验,提高高端高分子材料的开发速度,同时逐步实现新材料从逆向开发向正向开发转变。

　　四是加强新结构聚合反应器及配套的反应工程技术研究。创新开发与聚合工艺相适应的聚合反应工程技术,包括反应器的形式及内构件、反应器的配置、工艺流程、单体及催化剂的加入方式及加入位点、工艺条件及控制技术。

　　3.3 优化高分子材料高端化的技术路径选择

　　在科研开发中,往往可以通过不同的技术路径实现高分子材料的功能化和高端化,满足不同用途的要求。

　　一是通过新单体的应用,使均聚物变成有不同序列结构的共聚物、非极性聚合物变成极性聚合物、刚性链聚合物变成刚柔可调的聚合物等,实现材料的功能化和高端化。

　　二是通过新催化剂和配套的聚合新工艺的研究开发,使得可以在比较缓和的反应条件下生产出功能与性能和市场已有的产品基本相同的材料,而已有的产品是在苛刻的聚合工艺条件下生产。

　　三是通过新催化剂或助剂的应用,使线性聚合物变成不同形态的支链聚合物,提高催化剂活性,减少催化剂及小分子易析出物在聚合物中的残留,调控分子链中链节构型和不同链节构型在不同大小分子中的比例,调控链端或链中官能化程度等,实现高分子材料高端化。

　　四是通过深入分析各类聚合反应器,如气相流化床、卧式气相流化床、液相搅拌釜、液相环管反应器、管式反应器、双螺杆反应器等的优势、特点与不足,从材料性能与功能的要求出发,研究开发新的反应工程技术,结合催化剂与助剂配制方法、注入位点的优化,实现共聚物序列结构、支化度及支链长度、相对分子质量分布的优化调控,实现材料高端化。

　　五是通过化学改性改变已形成的聚合链的结构,或支化或适度交联;通过物理改性改变材料的聚集态结构,综合两种或多种材料的性能优势。

　　要通过深化材料结构与性能关系的研究,优化路径选择,以低能耗、低投资、低成本实现高分子材料高端化。

　　3.4 突破高端高分子材料的单体制约

　　聚合单体及其纯度对材料的结构和性能有决定性影响。我国高端高分子材料生产技术的差距首先体现在单体合成与提纯技术的差距上。不少单体的合成涉及氧化、硝化、氯化、氟化、胺化、酰胺化等反应过程,具有较高的安全环境风险。聚合级单体的合成与提纯一般要经过小试、模试、中试、工业试验等过程,而且往往只有在中试和工业放大试验中才暴露和解决问题,最终形成成熟可靠的技术。实现高分子材料的高端化,要把加大投入、加强合成材料使用的单体生产技术的开发放在突出位置。地方安全环保部门对涉及高端材料的单体合成技术及单体聚合技术的开发研究要给予大力支持,对中试、工业侧线试验、工业试验项目的安全、环保合规性审批要加快进度。

　　3.5 加强加工应用技术及装备的研究开发

　　重材料合成、轻加工应用,缺少支持材料加工应用的高水平装备,是我国高分子材料产业发展中的短板。高端高分子材料开发过程中,要结合应用目标场景开展加工技术研究,深入开展材料加工过程的加工工艺及条件、流变特性、无定形结构和结晶结构双向变化与材料物理机械性能的关系等应用基础研究,指导加工工艺、加工装备的研究开发,致力形成新的加工工艺、技术和装备,着力建设学、研、产、装、用紧密结合的高端高分子材料协同创新体制。

　　4 结束语

　　我国高分子材料的产能产量已居世界首位,但大而不强,低端材料产能过剩,高端材料供应明显不足,结构性矛盾突出,问题的实质是生产高端材料的技术支撑能力明显不足。面向未来,为满足人民对美好生活的追求,加快能源低碳化转型,建设制造强国、健康中国、美丽中国,加强国防建设,我国对高端高分子材料有迫切需求。要坚持问题导向和目标导向,加强高端高分子材料的生产技术开发,既要重视“卡脖子”的特种材料的开发,也必须重视高端通用材料的技术开发。同时,高分子材料高端化要从深化结构与性能关系的研究,优化高端化的技术路径选择,突破单体生产技术瓶颈,加强材料加工应用技术与装备开发等多维度发力,加快创新开发的步伐。

　　曹湘洪

　　【作者机构】中国石油化工集团有限公司

　　【来

　　源】《石油炼制与化工》

　　来源：超级石化，兴园化工园区研究院综合整理，转载请标注来源。

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