高分子材料如何转型升级、创新发展
今年以来，随着《中国制造2025》的发布，在制造强国战略中担纲重任的高分子材料产业也开始谋划“立业之本、兴业之器、强业之基”。对于低端产品严重过剩，高端产品大量依赖进口的高分子材料产业而言，如何转型升级、创新发展，实现从大到强的历史性飞跃?对此，中国化工报记者进行了深入采访。
产业大而不强
据北京化工研究院副院长、教授级高级工程师乔金樑介绍，经过40多年的发展，我国已经成为高分子材料产业大国，产量和消费量均居世界第一位。我国三大合成材料产量从1981年的142万吨，增长到2013年的8830万吨。2014年，我国合成树脂消费量达8700多万吨，塑料表观消费量高达9300多万吨。
“然而，我国高分子材料产业大而不强。突出表现是低端产品产能过剩，高端产品大量进口。”乔金樑说。
据介绍，在三大合成材料中，合成纤维的产能过剩已使我国相关产业亏损多年，局面短时间内难以改变。合成橡胶原本供不应求，一直是盈利的行业，但这也促使近年来我国合成橡胶产能快速增长，也出现了供过于求的局面。2013年，我国合成橡胶产能达到509万吨，全行业开工率只有60%;进口量达到155万吨，主要是高端产品。2014年，我国合成橡胶产能达到518万吨，开工率只有57%，进口量148.5万吨。随着产能过剩，国内合成橡胶价格快速下跌，全行业出现亏损局面。
合成树脂总体过剩现象虽然不像合成纤维和合成橡胶那么严重，但是前景也不容乐观。由于煤化工的高速发展，一些合成材料品种已经严重过剩，聚氯乙烯、聚甲醛和聚乙烯醇等行业已严重亏损，聚乙烯和聚丙烯等行业也将随着我国煤制烯烃和美国页岩气制烯烃产能的释放而进入困难时期。我国新的PE和PP产能在不断释放，但是高端产品还必须进口。2014年，我国工程塑料消费量达到300多万吨，其中2/3依赖进口。
中国工程院院士、华南理工大学教授瞿金平则从技术角度认为我国高分子材料产业大而不强。他表示，我国高分子材料加工产业受制于能源、资源和环境。一是单位产值能耗高;二是受到有限的石油资源限制;三是废旧高分子材料难以自然降解。“高分子材料产业要想实现可持续发展，就必须在保证材料或制品质量、成本、可靠性的前提下，尽量降低能耗，充分利用资源，减轻对环境的影响。”瞿金平说。
科技创新是出路
高分子材料产业辉煌不再，出路何在?业内专家表示，通过科技创新，实现产品的高端化、市场的国际化，是我国高分子材料产业的出路。
记者了解到，近年来，在新材料研发以及工艺技术方面，我国高分子材料行业的科技创新正风生水起。
其中，中国工程院院士、大连理工大学教授蹇锡高带领的科研团队研究开发出了国际前沿的热塑性树脂基复合材料。据蹇锡高介绍，采用高性能热塑性树脂基复合材料设计飞机弯曲后，多肋结构比传统热固性树脂基复合材料夹心板结构减重10%;同时，热塑性复合材料类似金属，可进行热焊接、热折弯，使制作成本降低20%。特别是热塑性复合材料失效后可以回收再利用，解决了热固性复合材料难以回收再利用的环境污染问题。
在工艺技术创新方面，瞿金平的科研团队开展了基于拉伸流变的聚合物加工技术研究，突破了百年来高分子材料以“螺杆”为标志的发展模式，实现了国内外高分子材料成型加工领域的重大创新。
据了解，基于拉伸流变原理开发的高分子材料塑化输运方法及工艺设备，其产量比传统的螺杆挤出机高出25%左右，能耗降低30%左右。由于物料可以在很短的空间内完成压实、排气、研磨及塑化，因而设备的尺寸也得以大大减小，物料热机械历程比单螺杆挤出机缩短50%以上，设备体积减小2/3左右，同时设备噪音降低至75分贝以下。
瞿金平表示，该技术缓解了高分子材料加工行业面临的能源、资源、环境问题。一是缩短了高分子材料加工的热机械历程，实现高分子材料产品的绿色低耗加工成型;二是在有效提升高分子原料利用效率的同时，可制备高质量的生物质复合材料，推动生物质资源对石化资源的替代;三是可实现无分拣废旧塑料合金化加工，提高废旧塑料的循环利用率。据了解，应用这项技术及设备，可以将塑料原料的60%~70%置换成植物纤维，比如废弃的中药渣、甘蔗渣和秸秆等，不仅能极大减少塑料的使用量，减少“白色污染”，而且能实现废弃资源的有效利用。目前，该项目已建成多套示范工程，实现了工业化生产。
此外，北京化工大学机电工程学院副院长吴大鸣教授的科研团队进行了聚合物微尺度制造技术的研究。据了解，他们模仿蚊子口针的原理，研发了聚合物医用微针，包括实心或空心微米级尺寸的针，可实现高效、无痛给药;研发的医用美容微针滚轮，其疗效比表层涂敷吸收法可提高4000倍以上。此外，他们还研发了一种基于微透镜阵列的高效散射材料和高效浸反射材料，在解决照明舒适度的同时，能显著提高灯具的光照效率。
向智能制造迈进
“工欲善其事，必先利其器。”业内专家表示，除了在科技创新上下功夫外，我国高分子材料产业还应向智能制造迈进，努力造就智能工厂，实现生产的智能化。
据记者了解，当前国内企业研发的一些先进控制系统为高分子材料生产智能化提供了可能。
其中，浙江精诚模具机械有限公司首创了平模头流体可视化智能系统(简称微互系统)，实现了挤出成型的智能化制造。
据该公司董事长梁斌介绍，微互系统通过整机的流体可视化，实时检测不同流体应用中的一些条件变化，例如温度、压力及不同产能条件下的状态，结合模拟分析找到最佳工艺契合点，还可随时启动预警和排查故障的功能，提供人机交互的系统解决方案。
“微互系统实现了逆向的系统工程，即从结果导入到过程优化。传统的习惯是先开机生产再发现问题，然后进行工艺调整，现在通过模拟实验，发现并解决问题，再开机生产，避免了盲目开机造成的成本浪费。客户只要把最终想要的产能及工艺效果导入到系统，系统就会提供模拟测试分析，经过多次反复的参数假设研究，改进设计来应对其他的技术难题，帮助用户缩短新产品研发周期。此外，微互系统还具有完整的数据库——模头数据库的集成。每一套模头从设计到生产过程中所产生的数据都集成在系统里，并支持数据的存储和调用。遇到故障可以及时调用分析各项数据，发现并解决问题。因此客户如果需要工艺调整或者遇到工艺难题，通过数据库的支持，然后再通过远程辅助，就可自行解决。”梁斌解释道。
改性塑料供应商金发科技股份有限公司开发的生产系统实现了特种工程塑料的智能制造。据该公司曹民博士介绍，金发科技开发了智能自动排程系统(APS)、智能自动配方系统(AFS)、生产过程集中控制系统(MCS)，较早实现了信息化与工业化的融合。目前，该公司产品的设计和制造完全根据仪表集散控制要求进行设计，具有监测控制精度高、计量准确、控制方案设计合理的特点，能充分体现特种工程塑料制造的工艺特点和工艺要求。其中主要参数由数字显示仪表检测，并传送到计算机;计算机可采用工控组态软件，构成显示和记录的平台，将现场上传的工艺流程及数据进行实时动态画面显示，建立数据曲线、报警曲线、历史数据曲线等。
青岛科捷自动化设备有限公司则开发出机器人技术以实现高分子材料的智能制造。该公司副总经理赵明告诉记者，公司深入研究轮胎生产成型、硫化、检测、仓储等各个工序的生产工艺，成功地研发出了应用于轮胎行业各个工序的多款机器人产品。其“橡胶轮胎智能分拣系统”经中国石油和化学工业联合会专家委员会鉴定为国际先进水平，属于国内首创。目前该系统已在正新集团、双钱集团、赛轮集团、金宇轮胎等公司成功应用，实现了轮胎行业的自动化、智能化生产。如果按照年产1000万套轮胎计算，应用后将节省人工80%以上，产品混装错误率将由1%降为0.1%，生产效率将提升15%以上。
围绕节能环保作文章
针对高分子材料产业未来发展方向，业内专家还指出，应该围绕节能作文章。
“未来20~30年，最大的‘新能源’应该是节能。”乔金樑认为，高分子材料可在太阳能和风能的高效利用，以及提高石油采收率的驱油聚合物、页岩油气开采用的压裂液等方面发挥不可替代的作用。例如，以高分子材料生产的低成本表活聚合物可用于三次采油;节能型LED照明和显示用光扩散材料可以节约大量的电能;采用高分子材料制作的能够克服“魔三角”的汽车轮胎胎面胶，可以节约大量石油资源。“世界石油消费量的40%用于汽车，而轮胎的滚动阻力占油耗的14.4%，如果滚动阻力下降30%，则可节油约5%。”乔金樑说，“高分子材料在节能的同时，还可大幅度降低污染物的排放。”
乔金樑表示，高分子材料还可以生产农用大棚膜、地膜和种子包衣等，在农作物增产方面发挥积极作用。另外，在延长食品保质期，减少食品浪费方面，高分子材料的作用更是难以替代。“目前，全世界有近10亿人吃不饱饭，同时各国均有大量食品因过期变质而成为需要处理的垃圾。如果高阻隔氧气或杀菌的低成本材料能大幅度减少食品浪费，人类将不再有粮食短缺问题。这是人类面临的巨大挑战，也是高分子材料的发展机遇。”
同时，高分子材料还可在水资源保护、淡水的制备和收集方面发挥重要作用。例如，高分子材料可以制作海水淡化、污水回用的土工膜;也可制作具有抗菌防霉功能的输水管道，可以保持水质，防止浪费;具有集水功能的高分子仿生材料有望使空气中水分的收集成为可能。
此外，在医疗与保健方面，高分子材料也将发挥不可替代的重要作用。如高分子材料可用于制造卫生用品、医疗器械、医用导管、人造器官等。另据国外权威机构预测，未来超过20%的塑料制品将采用抗菌防霉材料。抗菌防霉材料在医疗领域的使用比例会更高。
