王 瑞

（中國(guó)樂(lè)凱集團(tuán)有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

目前，以低能耗、低污染、低排放為特點(diǎn)的低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大勢(shì)所趨。低碳經(jīng)濟(jì)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的低碳化轉(zhuǎn)型升級(jí)，激發(fā)新能源產(chǎn)業(yè)的活力推動(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展。綠色新材料是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)低碳化轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ)，也是新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展所面臨的需要盡快解決的“卡脖子”問(wèn)題。

1 雙碳視角下，國(guó)家系列政策相繼出臺(tái)助力新材料發(fā)展

2020年,國(guó)家提出力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”（簡(jiǎn)稱“雙碳”）[1]。“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、低碳，旨在推進(jìn)綠色技術(shù)創(chuàng)新，提高國(guó)家的全球競(jìng)爭(zhēng)力。綠色新材料技術(shù)門檻高，附加值高，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)?！笆濉币詠?lái)，國(guó)家發(fā)布多條政策助力新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將綠色新材料提升到戰(zhàn)略高度布局，鼓勵(lì)企業(yè)加快技術(shù)創(chuàng)新，突破核心技術(shù)、提高市場(chǎng)占有率。

“十三五”以來(lái)，國(guó)家發(fā)布了3個(gè)新材料行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)，參見(jiàn)表1。

表1 新材料產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 New material industry statistical classification standard

2021年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，這兩個(gè)重要文件構(gòu)建了我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”政策體系的頂層設(shè)計(jì)。之后，近百條重點(diǎn)領(lǐng)域、行業(yè)配套的“雙碳”政策圍繞這兩個(gè)意見(jiàn)及方案陸續(xù)出臺(tái)助推新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，部分政策中重點(diǎn)提及了綠色新材料。

表2 2020-今國(guó)家節(jié)能降碳政策與重點(diǎn)關(guān)注材料Table 2 China Energy conservation and carbon reduction policies and key materials since 2020

開(kāi)展規(guī)?；茪涫痉?，推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域國(guó)家發(fā)展改革《“十四五”可再生能源綠氫替代，氫能被視為未來(lái)能源體系委員會(huì)等發(fā)展規(guī)劃》的重要組成部分燃料電池與質(zhì)子交換膜技術(shù)。鈉離子國(guó)家能源局、科《“十四五”能源領(lǐng)域科電池、液態(tài)金屬電池、鈉硫電池、固學(xué)技術(shù)部技創(chuàng)新規(guī)劃》態(tài)鋰離子電池、儲(chǔ)能型鋰硫電池、水系電池等基于新材料的高效薄膜電池、疊層國(guó)家科技部、國(guó)電池；固態(tài)鋰離子電池、鈉離子電池；家發(fā)展改革委《科技支撐碳達(dá)峰碳中和研究以水、二氧化碳和氨氣等為原員會(huì)等、工業(yè)和實(shí)施方案（2022—2030年）》料直接高效合成甲醇等綠色可再生信息化部燃料的技術(shù)

梳理表2中國(guó)家發(fā)布的數(shù)條政策可以看出，在包裝領(lǐng)域，國(guó)家力推生物可降解塑料來(lái)降低塑料污染；在節(jié)能減排領(lǐng)域，國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)系列分離膜材料。在綠色能源領(lǐng)域，推進(jìn)可再生能源對(duì)傳統(tǒng)能源的替代，鋰能、氫能、太陽(yáng)能、風(fēng)能相關(guān)材料將會(huì)迎來(lái)良好的發(fā)展機(jī)會(huì)。

2 包裝用薄膜材料技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展

2.1 生物降解薄膜

我國(guó)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見(jiàn)》推進(jìn)生物可降解材料在快遞、外賣、地膜等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在生物基產(chǎn)品生產(chǎn)和使用過(guò)程中均能大幅削減碳排放，使用生物降解薄膜被認(rèn)為是根治一次性塑料“白色污染”最有效的解決方案。

生物降解薄膜主要包括聚乳酸PLA、聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯PBAT、聚羥基脂肪酸酯PHA，可降解薄膜主要應(yīng)用于包裝與農(nóng)用地膜領(lǐng)域。

圖1 市場(chǎng)主流生物降解塑料薄膜 Fig 1 Market mainstream biodegradable plastic film

聚乳酸PLA源自可再生資源，是一種可生物相容、可生物降解的線性脂肪族聚酯，采用雙軸拉伸成膜，力學(xué)性能與聚丙烯PP類似，可以在一些領(lǐng)域替代PP和PET，同時(shí)兼有良好的光澤度、透明度等。PLA的不足是脆性強(qiáng)、斷裂伸長(zhǎng)率低，沖擊強(qiáng)度和耐熱性能較差，采用PBAT與PLA共混改性提高PLA的柔韌性與抗撕裂性。

PBAT是己二酸丁二醇酯（PBA）和對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的共聚物，目前，源自生物質(zhì)的PBAT約占50%。PBAT的柔性、加工性能、延展性、耐熱性、沖擊性和親水性較好，其拉伸性能與低密度聚乙烯（LDPE）相媲美。

PHA存在于微生物細(xì)胞中，具有生物降解性與生物兼容性。目前可采用微生物發(fā)酵制備PHA成為石化材料的替代品。PHA幾乎在所有環(huán)境中都可以被微生物分解，最適合“必須進(jìn)行生物降解”的應(yīng)用，為禁塑替代提供了綠色可持續(xù)發(fā)展的機(jī)會(huì)。

2.2 PEF與PET共聚、共混、多層共擠薄膜

目前，聚呋喃二甲酸乙二酯（PEF Polyethylene Furanoate）被視為最有潛力取代PET的生質(zhì)聚酯材料。PEF物理性能、機(jī)械性能優(yōu)于PET。PEF的氣體擴(kuò)散系數(shù)低，是更好的阻氣材料。

PEF的單體2,5-呋喃二甲酸（FDCA）由羥甲基糠醛、二甘醇酸、康酸和己糖二酸等不同生物基原料合成，但FDCA單體制備成本高，以PEF全面取代PET難度大，目前PEF仍未被廣泛應(yīng)用與商業(yè)化。

采用少量的PEF增加PET的阻隔性能，且能減少PET的用量[2]。目前，PEF與PET結(jié)合的技術(shù)包括3類：（1）以合成方式將PEF的單體FDCA與PET的單體對(duì)苯二甲酸單體（TPA）共聚成PEFT；（2）通過(guò)加工設(shè)備將PEF與PET共射出成多層結(jié)構(gòu)；（3）直接將PEF與PET共混。

3 聚合物分離膜

液體或氣體混合物中的各組分透過(guò)同一分離膜的速率不同，膜分離技術(shù)是以分離膜作為間隔層，在壓力差、濃度差的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)混合物的分離、濃縮、純化和精制。膜分離廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、石油、水處理、電子等領(lǐng)域，是分離技術(shù)領(lǐng)域重要的手段之一，是高效節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)。

按照被分離物的形態(tài)，分離膜分為水處理膜、氣體分離膜、滲透汽化膜。

3.1 水處理膜

水處理膜技術(shù)大大提升了水資源利用效率，得到了業(yè)界廣泛認(rèn)可。隨著市場(chǎng)需求的不斷變化，水處理工藝不斷完善，水處理膜產(chǎn)品形成了種類繁多的產(chǎn)品體系。以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家水處理膜技術(shù)發(fā)展更為成熟，并且能夠不斷調(diào)整開(kāi)發(fā)順應(yīng)市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品。與國(guó)外相比，我國(guó)水處理膜技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后。

常見(jiàn)的水處理膜技術(shù)主要分為微濾、超濾、納濾、反滲透。

表3 水處理膜技術(shù)Table 3 Membrane technology for water treatment

目前，我國(guó)以碧水源、時(shí)代沃頓等為代表的水處理膜企業(yè)取得了一定的成就，但和先進(jìn)的水處理膜外企相比，在水處理膜的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品種類方面仍然存在一定的差距。我國(guó)水處理膜技術(shù)的不足之處主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，我國(guó)污水廢水水質(zhì)復(fù)雜，而國(guó)產(chǎn)水處理膜針對(duì)性較強(qiáng)，適用性不足。另外，膜使用壽命短，水處理成本相對(duì)較高；另一方面，污水與廢水中的微生物及顆粒物會(huì)造成膜污染，需要膜清理，降低了水處理效果。

3.2 氣體分離膜

氣體采用膜分離的原理是上游氣體吸附并溶解在膜中，然后在推動(dòng)力作用下從膜一側(cè)向另一側(cè)擴(kuò)散，透過(guò)膜后從膜上脫附。

氣體分離膜主要應(yīng)用于石化、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，工業(yè)上，氫氣、二氧化碳、氧氣與氮?dú)獾闹苽浞蛛x基本都采用膜分離技術(shù)。

表4 氣體分離膜技術(shù)Table 4 Membrane technology for gas treatment

3.3 滲透汽化膜

滲透汽化分離過(guò)程由“滲透”和“蒸發(fā)”2個(gè)過(guò)程組成，稱為滲透汽化或滲透蒸發(fā)，主要用于有機(jī)溶劑的脫水、混合有機(jī)物的分離和有機(jī)物的回收，實(shí)現(xiàn)了蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)方法難以完成的分離任務(wù)。滲透汽化特點(diǎn)是膜上游物料為液體混合物，下游透過(guò)側(cè)為蒸氣，分離過(guò)程中必須提供一定熱量（高的操作溫度）以促進(jìn)過(guò)程進(jìn)行。

目前，研究應(yīng)用最多的聚合物滲透汽化膜包括聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等聚合物材料。

在有機(jī)溶劑的脫水中，優(yōu)先透水膜在醇水分離中實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟。優(yōu)先透有機(jī)物膜已經(jīng)商業(yè)化或者成功應(yīng)用的仍然很少,基本還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，其綜合性能距離工業(yè)應(yīng)用仍有較大差距。在混合有機(jī)物間的分離方面，滲透汽化膜產(chǎn)品不成熟，依然在研發(fā)試驗(yàn)階段。滲透汽化膜的開(kāi)發(fā)主要表現(xiàn)出了2個(gè)特點(diǎn)：一方面，針對(duì)不同的使用場(chǎng)景和工藝條件開(kāi)發(fā)相應(yīng)的膜產(chǎn)品，專業(yè)化開(kāi)發(fā)越來(lái)越強(qiáng)。另一方面，膜技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)主要集中在如何提高膜材料的穩(wěn)定性及耐溶劑性等方面。

4 新能源汽車用電池與材料

在“碳中和”的愿景下，新能源汽車純電動(dòng)化方向轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為全球共識(shí)。車企綠色轉(zhuǎn)型，汽車材料的應(yīng)用和發(fā)展始終圍繞著“電動(dòng)化、智能化、輕量化”這一大方向?！半妱?dòng)化”通過(guò)電池與材料——鋰離子電池與材料、質(zhì)子交換膜燃料電池與材料來(lái)實(shí)現(xiàn)；“輕量化”方面“以塑代鋼”已成為汽車材料實(shí)現(xiàn)輕量化發(fā)展的主要方向，是汽車節(jié)能減排的必由之路，從結(jié)構(gòu)件到整車的內(nèi)外飾件，輕量化材質(zhì)都有所應(yīng)用。汽車輕量化材料主要包括改性塑料聚乙烯與聚丙烯、工程塑料聚碳酸酯、碳纖維復(fù)合材料等。

4.1 動(dòng)力鋰離子電池與材料

隔膜材料方面，聚烯烴隔膜材料是市場(chǎng)上主流的隔膜材料，但是，聚烯烴隔膜存在孔隙率低，電解液潤(rùn)濕性差、高溫?zé)崾湛s等問(wèn)題，常用的解決方法是在聚烯烴隔膜的一面或兩面涂布納米陶瓷材料、PVDF對(duì)其進(jìn)行改性。例如，陶瓷涂布隔膜在聚烯烴隔膜單面或雙面涂覆Al2O3、SiO4、勃姆石等無(wú)機(jī)陶瓷材料，提升聚烯烴隔膜的高溫尺寸穩(wěn)定性，主動(dòng)防御鋰離子電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生[3]。在聚烯烴隔膜表涂布無(wú)機(jī)納米粒子和有機(jī)聚合物混合漿料，經(jīng)過(guò)固化后可得無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合涂布隔膜，能夠顯著改善鋰離子電池的安全性，目前該技術(shù)基本還停留在研發(fā)階段。

4.2 質(zhì)子交換膜燃料電池與材料

質(zhì)子交換膜燃料電池加氫時(shí)間短，無(wú)里程焦慮，低溫環(huán)境影響小。

質(zhì)子交換膜在氫燃料電池堆里面被稱為“芯片”，是核心材料之一，目前被國(guó)外公司“卡脖子”。根據(jù)氟含量，質(zhì)子交換膜分為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜[4]。其中，全氟磺酸樹(shù)脂分子主鏈具有聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)，在熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度方面優(yōu)于其他材料；聚合物膜壽命較長(zhǎng)，同時(shí)由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團(tuán)，具有優(yōu)秀的離子傳導(dǎo)特性。

PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）薄膜由于單體價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)受限。PEN原料NDC（2,6-萘二甲酸二甲酯）生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在海外公司手中，代表性公司包括帝人集團(tuán)、伊斯曼、三菱化學(xué)、杜邦等。PEN薄膜性能優(yōu)于PET薄膜，全球市場(chǎng)對(duì)PEN需求十分迫切，促使全球傳統(tǒng)的聚酯薄膜生產(chǎn)商紛紛涉足PEN薄膜領(lǐng)域，在氫能領(lǐng)域，PEN薄膜用作氫燃料電池膜電極邊框密封膜。

質(zhì)子交換膜燃料電池用密封膠確保氫密封，能夠提高氫的使用率和電池壽命。目前氫燃料電池用密封膠主要包括有機(jī)硅密封膠、聚烯烴密封膠、環(huán)氧樹(shù)脂密封膠。有機(jī)硅密封膠熱穩(wěn)定性佳、耐低溫，同時(shí)具有良好的電絕緣性、橡膠彈性、低壓縮變形及耐酸性和耐溶劑性，是最常用的密封膠。聚烯烴密封膠常用的是聚異丁烯聚合物，氣體防漏性高、透濕性低。環(huán)氧樹(shù)脂密封膠密封性佳，膠接強(qiáng)度高。

4.3 新能源汽車輕量化用碳纖維復(fù)合材料

我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，倒逼碳纖維復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用步伐加快，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求快速增長(zhǎng)，上汽、北汽等部分量產(chǎn)車型開(kāi)始使用碳纖維零部件。碳纖維“輕質(zhì)高強(qiáng)”，屬于軍民兩用材料，除了新能源汽車之外，在航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域都有著重要的戰(zhàn)略地位。

碳纖維的穩(wěn)定性能和工藝技術(shù)是決定碳纖維質(zhì)量的關(guān)鍵所在，我國(guó)的國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品因工藝技術(shù)上的缺陷，易出現(xiàn)絲束不均寬、織物和預(yù)浸料均勻性不過(guò)關(guān)，高端碳纖維仍然和日、美等國(guó)家的產(chǎn)品存在很大差距。

5 太陽(yáng)能電池與材料

太陽(yáng)能發(fā)電是沒(méi)有碳排放的清潔能源，硅片是生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的核心部件。高分子材料用于對(duì)硅片的保護(hù)。高分子材料主要包括光伏模組中的封裝膠膜與背板，所需主要薄膜材料包括PET薄膜、含氟薄膜、EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）膠膜、POE（乙烯和辛烯的共聚物）膠膜等。太陽(yáng)能電氣配套部分包括接線盒、線纜、連接器等零部件，所需工程塑料包括聚苯醚（PPO）、聚酰胺66（PA66）、聚碳酸酯（PC），以及線纜材料聚乙烯（PE）等。

太陽(yáng)能電池用含氟薄膜種類多，技術(shù)被國(guó)外公司掌控，在國(guó)內(nèi)屬于“卡脖子”材料。

表5 太陽(yáng)能電池用含氟薄膜開(kāi)發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀Table 5 Development and application of fluorinated films for solar cells

6 風(fēng)電材料

2020年，北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)（CWP 2020）上，400余家風(fēng)能企業(yè)聯(lián)合發(fā)布了《風(fēng)能北京宣言》，提出在“十四五”規(guī)劃中，為風(fēng)電設(shè)定與碳中和國(guó)家戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間，保證年均新增裝機(jī)50 GW以上；2025年后，中國(guó)風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于60 GW。“碳中和”政策助力風(fēng)電市場(chǎng)平穩(wěn)發(fā)展。

風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的核心部件，主要構(gòu)成材料包括增強(qiáng)材料、夾芯材料、基體材料、表面涂料及粘接不同部分之間的結(jié)構(gòu)膠。

圖2 風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料FIG 2 Key materials of wind turbine blade structure

基體材料方面，環(huán)氧樹(shù)脂是核心基體材料。我國(guó)市場(chǎng)葉片專用環(huán)氧樹(shù)脂供不應(yīng)求，依賴進(jìn)口。例如，風(fēng)電葉片專業(yè)生產(chǎn)公司艾郎科技，2018—2020年，公司所用環(huán)氧樹(shù)脂主要來(lái)自美國(guó)瀚森化工與美國(guó)OLIN公司，進(jìn)口依賴度較高。聚醚胺是環(huán)氧樹(shù)脂體系的固化劑，該領(lǐng)域美國(guó)亨斯曼、德國(guó)巴斯夫公司市占率較高。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)體組成，在風(fēng)電葉片中，基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂，碳纖維為增強(qiáng)體，環(huán)氧樹(shù)脂體系與復(fù)合材料成型工藝的匹配性會(huì)影響碳纖維復(fù)合材料性能，也是能否實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

風(fēng)葉表面涂料保護(hù)強(qiáng)光、風(fēng)沙、腐蝕以及高低溫對(duì)葉片造成的損壞。目前，涂料的主要成膜樹(shù)脂包括聚氨酯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、氟樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂。其中，聚氨酯樹(shù)脂涂料彈性高、附著力佳、耐磨、耐高低溫、成本低，是使用最多的樹(shù)脂材料。氟碳涂料具有優(yōu)異的耐候性和表面自潔性能，保護(hù)葉片免受紫外線和化學(xué)品的侵蝕，能夠提升風(fēng)電機(jī)組的免維護(hù)周期，是未來(lái)的發(fā)展方向。

風(fēng)電結(jié)構(gòu)膠對(duì)葉片的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)都會(huì)起到重要作用，屬于結(jié)構(gòu)膠中的高端產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)膠需要保證葉片長(zhǎng)達(dá)20年的使用壽命，并且確保葉片擁有持續(xù)穩(wěn)定的機(jī)械性能，按化學(xué)結(jié)構(gòu)分為4大類：環(huán)氧類、乙烯基酯類、聚氨酯類、丙烯酸酯類。環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠是應(yīng)用較廣、用量較大的一種，供應(yīng)商主要包括美國(guó)瀚森、美國(guó)陶氏化學(xué)與我國(guó)的康達(dá)新材，進(jìn)口替代空間大。

7 結(jié)語(yǔ)

低碳經(jīng)濟(jì)已成全球共識(shí)，我國(guó)由此提出雙碳目標(biāo)，同時(shí)國(guó)家出臺(tái)了一系列政策助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，所以降碳、減污、增綠是未來(lái)膜材料行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和方向。綠色膜材料大多技術(shù)含量高，核心技術(shù)掌握在國(guó)外公司手中，我國(guó)進(jìn)口依賴度大，這也恰好為膜材料企業(yè)的技術(shù)發(fā)展提供了良好的市場(chǎng)發(fā)展機(jī)會(huì)。綠色膜材料是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，用來(lái)解決塑料污染問(wèn)題的生物可降解材料、能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的系列分離膜材料技術(shù)將被重點(diǎn)關(guān)注和大力發(fā)展。另外，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的進(jìn)程中，綠色能源對(duì)傳統(tǒng)能源的替代將會(huì)發(fā)揮重大作用，氫能、鋰能、太陽(yáng)能、風(fēng)電等新能源與材料面臨良好的發(fā)展機(jī)遇。