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化工新材料的三大瓶颈如何突破?

文章附图

新的科技革命和第四次工业革命变革的脚步声已越来越清晰,尤其是化石能源的顶峰时代已经来临,新能源及其新能源技术成为当今世界的必然选择,这对化工新材料尤其是功能材料提出了现实的需求;我国产业的转型升级和经济的健康可持续发展以及实现由制造业大国走向强国的梦想,都离不开化工新材料的特殊保障作用。

息息相关的化工新材料

化工新材料与里约奥运会碳纤维自行车助力中国姑娘实现自行车女子团体金牌零突破,其重量为3.5千克,普通人一只手就能抓起来,而强度却是钢的50倍。聚氨酯“鲨鱼皮”(由闭孔的聚氨酯泡沫制成,每个小孔之间都充了气)助力孙杨夺金牌,孙杨、宁泽涛以及洪荒少女傅园慧穿的泳衣,其密度比水小,可以增加运动员的浮力,从而减少水中的阻力。此外,体育场馆五颜六色的聚脲涂层(固化快35秒、颜色鲜艳、无毒、耐候、成本低),以及乒乓聚酯纤维新材料都显示出化工新材料与此次奥运会密不可分。

化工新材料与G20杭州G20峰会有100辆贵宾用车,是郑州宇通生产的T7高端商务用车,车内的座椅、仪表盘和扶手等内饰件,都是聚氨酯新材料,为冷固化高回弹组合料,具有无味、手感好、耐磨等优点。

化工新材料与航天梦17日神十一的发射、中秋节那晚“天宫二号”的发射场面都记忆犹新。为了解决航天器的防盐雾、防湿热、防霉菌问题,航天器的防热涂层主要包括有机硅树脂、环氧树脂、酚醛树脂等,环境防护涂层主要采用聚四氟乙烯。航天员的航天服面料是高级混合纤维制成,具有高强度、耐高温、抗冲击、防辐射等特性,夹层还具有自动堵漏功能;手套的手指部位是硅橡胶材料,能够操作精密仪器;靴子的内层是特氟龙涂层的玻璃纤维,紧接着是25层聚酰亚胺薄膜和玻璃纤维布间隔重叠的材料,保证轻盈和隔热。

由此可见,化工新材料性能优异、功能性强、技术含量高,是化学工业技术水平的重要代表,为航空航天、国防军工、电子信息、高铁大飞机等尖端领域配套,属于重要战略新兴产业。同时,其又为高端装备制造、新能源、新能源汽车、节能环保等战略新兴产业的发展以及传统产业的转型升级提供重要支撑。因此,发达国家以及跨国公司都把化工新材料的创新与发展作为核心竞争力的重中之重,知识产权保护和技术封锁始终是跨国公司占领技术制高点紧紧握在手里秘而不宣的一把钥匙。我国石化产业产值已连续六年列世界第二、化工已连续六年列世界第一大国,但行业结构性过剩的矛盾十分突出,结构调整和转型升级的任务还很艰巨,大宗基础化学品产能严重过剩,化工新材料、专用化学品等高端产品市场短缺。传统化工领域基础化学品的产能过剩已成为重灾区,而化工新材料领域高端化学品的缺乏也严重制约着国民经济重要领域的发展。

高端产品难以产业化拖累行业发展

世界化工新材料总产量超过6000万吨,总产值超过2万亿元。从产量和产值来看,美国分别占38%、30%,西欧分别占20.6%、19.7%,日本分别占12%、16.8%,即三个国家的产量占世界总产量的70%、产值大于2/3。全球化工50强榜单中,美国、德国、日本三大强国占27席,杜邦、陶氏、巴斯夫、朗盛、科思创、住友化学、东丽、旭化成等跨国公司都以化工新材料和专用化学品为发展重点。其中,日本化学工业的转型升级之路十分值得借鉴。众所周知,日本在电子化学品领域处于世界领先水平,高性能膜材料、高性能纤维、工程塑料与特种工程塑料、高端聚烯烃树脂、高性能橡胶、氟硅树脂和橡胶等领域具有较高水平。

今年,笔者在4月初的日本经产省产业经济论坛、8月初的日本同友会座谈以及9月中旬的中日石化高峰论坛上分别与日本化工界进行了三次深入交流。交流期间,三菱、住友、三井等日本各大化工公司都表示,日本化工企业未来的发展重点是化工新材料和专用化学品。

我国对化工新材料的研发与产业化一直十分重视。自“六五”、“七五”以来,我国一直围绕国家重点领域和重大工程,组织工程塑料、特种工程塑料、特种纤维、膜材料等方面进行技术攻关、中试研究及工业化开发,“十一五”以来氟硅材料、聚氨酯材料、工程塑料、高性能橡胶等行业装置能力快速增长,先进储能材料、光伏材料、有机硅等产能居世界前列。然而,由于核心技术难以攻克、产业化技术掌握不了,导致一些通用型品种的装置和产量可观,但大部分高端产品始终难以产业化稳定供应。目前,国内化工新材料市场的综合自给率仅约60%,该领域成为我国石化行业最大的短板,也是我国战略新兴产业发展、重点工程、甚至成为涉及国家安全的重大制约因素。在高端产品方面,我国和日本的差距很明显.据统计,我国化工新材料的产量比日本多105万吨,而产值却少460多亿元。

三大瓶颈制约行业踏入国际前列

我国石化行业的炼油及大宗无机和有机化学品的规模和生产技术水平都可以说与国际水平相当,但代表石化行业先进技术水平的化工新材料行业却始终与国际水平存在明显的差距,与国际跨国公司相比差距就更大。主要表现为三大瓶颈:

1. 高端产品稳定供应难实现。化工新材料行业的高端产品自给率低,2015年工程塑料消费量421万吨,而自给率只有49%;同期聚碳消费量166万吨,其中有73%依靠进口;高端聚烯烃去年消费量922万吨,进口587万吨,自给率只有38%;高性能纤维中的碳纤维,国内装置的开工率只有20%,自给率28.6%;更具有代表性的是高性能膜材料,市场容量约450亿元,综合自给率43%。据统计,在7大类、12个产品中自给率不足20%的就有6个,电解用全氟离子交换膜年用量19万平米,几乎全部靠进口;全氟燃料电池膜,自给率5%;PVF/PVDF背板保护膜年用量4.1亿平米,自给率10%;工业气体分离膜,自给率13%;反渗透膜年用量约3400万平米,自给率15%;血液透析膜年用量1100万平米,自给率18%;

2. 核心技术久攻不下。尽管我国对化工新材料行业一直十分重视,但一些核心技术始终难以攻克,尤其是工业化技术久攻不下,以致严重制约着行业发展。工程塑料聚碳酸酯从“六五”开始,以晨光院和常州有机化工厂为主、聚甲醛从“八五”开始,以上海溶剂厂和吉林石井沟联合化工厂为主,就组织科技攻关,现在国内已有了工业生产装置,但都是以通用型品种为主,高端品种还是难以连续稳定供应。碳纤维也是从上世纪六十年代起步的,后来又组织高校和企业开展国家级科技攻关,始终也没有形成连续稳定的工业化生产装置,目前国内很多厂家都建了碳纤维生产线,T300产品可以提供,T700、T800等高端产品还是难突破技术瓶颈,产品质量不稳定、实际产量低、产品均匀性和稳定性差、成本高等问题始终没有很好的解决。离子交换膜的研发起步于上世纪五十年代后期,一直未形成工业化生产装置。我国现在是氯碱生产世界第一大国,全行业年均全氟离子交换膜需求量30~40万平米,几乎全部靠进口。尽管目前已有东岳集团开发成功,但包括工程塑料尼龙、聚苯硫醚,以及异戊橡胶、光刻胶等产品的大规模工业化应用尚需时日。

3. 关键原料久攻不下。如尼龙工程塑料用关键原料--己二腈,主要生产工艺分丁二烯法和丙烯腈电解法,国际上以丁二烯法为主,因反应流程短、能耗低约占70%,一直被英威达、巴斯夫等少数公司垄断,我国一直不能掌握其核心技术,产品主要靠进口,严重制约着尼龙66的发展。由于己烯、辛烯等高碳烯烃依赖进口,致使己烯共聚聚乙烯的自给率44%、辛烯共聚聚乙烯的自给率只有8.3%。2015年,我国高端聚烯烃市场消费量922万吨,就有进口量587万吨。此外,高性能纤维的PTT(聚对苯二甲酸丙二醇酯)也长期受原料丙二醇供应不足的影响。

这些瓶颈和制约如何突破?关键就是创新。总书记在G20峰会上讲“创新是从根本上打开增长之锁的钥匙”,创新是五大发展理念之首位,只有创新才能攻克其关键核心技术,只有创新才能提升化工新材料产品的自给率,只有创新才能改善化工新材料产品的高端化和差异化。

创新的重点在哪里?一是以化工新材料基础产品的产业化为重点,实现工程塑料、特种工程塑料、高性能纤维等重要产品的连续稳定生产;二是以产品的高端化和系列化为重点,加大氟硅材料、电子化学品、高性能膜材料等下游产品链和终端产品的研发和产业化力度;三是高度关注化工新材料领域新的技术和产品,如无机陶瓷膜,因具有高效分离功能,又具有耐高温、耐化学侵蚀、机械强度好、抗微生物能力强、渗透量大、可清洗性强、使用寿命长等特点,日益受到人们的重视,并正在成为高性能膜材料的重要组成部分,南京工业大学已开展了多年研发,已基本掌握了无机陶瓷膜的制备技术,正在石化行业加快应用开发,预期今后数年将形成百亿以上的市场规模。四是高度重视功能材料的开发,化工新材料领域的功能材料是世界各国研发的热点和重点,随着我国信息技术、生物技术、新能源技术,以及航空、航天等高技术领域的发展,尤其是随着我国大飞机、高铁等轨道交通等重点工程,以及电子电器、通讯器材、生态环境产业的发展,超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料等方面,孕育着巨大的发展潜力和市场空间。

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