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来源:未知作者:资讯 日期:2020/04/16 13:58 浏览:

摘要:当前,高分子材料正处于从发展壮大向产业成熟期过渡,并迈向产业中高端的关键时期。“十三五”期间,我国高分子材料将会迎来新的挑战和机遇,在快速发展的同时,应该向复合型、高端型方向迈进,尤其要通过推进具有自主知识产权技术的开发,推动高端高分子复合材料的产业化、新型化、功能化。 据统计,目前作为高分子材料典型代表的工程塑料,其产能的年均增长率为39.8%,其中聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)产能的复合年均增长率分别为116.5%、23.9%。但国内特种工程塑料的产能、产量以及市场占有率都很小,原因是在上世纪特种工程塑料已被列为战略物资,国外对我国实行禁运。与传统工程塑料相比,应用于航空航天等领域的高端工程塑料往往采用增强剂进一步增强。最常用的增强剂为玻璃纤维、碳纤维。由于玻纤韧性差,对基体材料只有增强作用,并存在制品中玻纤外露等弊端。碳纤维是航空材料中使用最广泛的增强材料,需要经过纤维表面处理、上浆等多道工序,国内的工艺仍然不能生产品质较好的产品。另外,国内碳纤维的生产技术仍然较为落后,能够应用于复合材料增强的碳纤维(一般需要T800以上)仍然需要进口,这也是制约我国更高端工程塑料发展的瓶颈之一。由此可见,我国高端聚合物材料的产业化势在必行。石墨烯的开发,为高端高分子复合材料的开发提供了新的途径。石墨烯—高分子复合材料的制备工艺相对简单,流程短、易实现,因此前景极为广阔。自2004年在实验中从石墨中分离出石墨烯以来,主要发达国家纷纷掀起研究石墨烯的热潮。2013年1月,欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,10年内提供10亿欧元资助,将石墨烯研究提升至战略高度。IBM、苹果、三星等巨头分别成立了石墨烯专题组,将其作为未来产品柔性化、智能化的核心研发材料。可喜的是,我国的石墨烯研究由于起步较早,与发达国家的差距并不是很大。目前,制约国内石墨烯产业发展的最重要因素就是石墨烯生产成本居高不下,原因在于生产石墨烯的原料——高端鳞片石墨的生产技术受到国外垄断。因此,大力发展石墨烯产业,从而带动上游石墨产业的发展,实现高端石墨的国产化,对推动我国的科技与社会发展具有深远的战略意义。国家在“十二五”规划中明确将新材料列为重要的战略新兴产业,国家引导石墨烯产业成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟。与此同时,民间资本向石墨烯产业流动,产学研用构架基本形成。为此,我国可以在石墨烯增强的高端工程塑料进行开发研究,并实现产业化。首先围绕石墨烯—高分子复合材料的基础理论进行研究,阐明强韧化机理、界面性质等。同时,根据复合材料的性质,开发材料在不同领域的用途。加快石墨烯—高分子复合材料的产业化,在完成小试、中试的基础上实现规模化生产。同时,由于绿色环保、对人体无毒无害,且改性效果显著,石墨烯能够作为改性添加剂制备高分子功能材料,以改变目前高分子功能复合材料使用的添加剂或者助剂往往对环境不友好,或者对人体有毒副作用的现状。例如目前广泛使用的导电高分子材料,其中含有重金属、防腐剂、增韧剂等,这些添加剂对人体都会产生危害。如果能够结合石墨烯优良的导电性能制备高分子导电功能材料,不仅降低了对环境的污染,也减少了对人体健康的危害。因此,“十三五”期间,我们可以结合石墨烯特殊的光学、电学、热力学性能来开发高端高分子复合材料。同时,发展高分子材料,需坚持以下几个原则:一是坚持创新驱动发展,加快以产学研为基础,以产业化为目标,以企业为主体的创新体系建设,向“功能化、生态化、高端化”的高技术方向发展。二是坚持自主创新,形成具有自主知识产权的高端高分子复合材料的新技术。同时,把提高性能和降低成本在首位,进一步提高要素配置效率和提升要素质量,全面提高全要素生产率。三是坚持个性化、小批量、“私人订制”,推动新型生产模式和新兴业态的快速成长。四是坚持统筹协调、规划发展综合资源市场和区位优势,推动行业有序、系统地发展,进一步优化产业区域布局。总之,新常态下,在谋划“十三五”规划时,必须紧紧围绕国民经济和社会发展重大需求,以加快高端高分子复合材料的转型升级为重点,以提高高分子材料自主创新能力为核心,以新材料、新技术、新装备和新产品为重点,大力实施高分子材料赶超战略,努力缩小与发达国家差距,大力实施高端化战略,全面提高高分子材料产业素质。同时,加快完善创新体系建设,大力推进复合化、高端化深度融合,力争在智能制造、数字制造、网络制造上取得新的突破,为高分子复合材料进入世界先进国家行列打好基础。作者:上海交通大学材料科学与工程学院副院长 朱申敏 (来自:中国聚合物网)

近日,浦东新区高分子学会邀请东华、复旦、二工大四位教授来到会员单位上海石油化工研究院,就高功能性高分子复合材料的开发技术,与该院研发人员进行了交流讨论,期待通过搭建起高校与研究所的交流平台,促进校所合作协同创新和科研成果的转化。

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近年来,我省新材料产业发展迅速,已经初步形成先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进高分子材料、高性能纤维与复合材料、石墨新材料等多个领域的产业集群,具有较好发展态势。今年上半年,我省规模以上新材料产业主营业务收入、工业总产值同比增长均超过30%;工业增加值同比增长超过14%。

高校历来是科技原始创新的主力军。东华大学、复旦大学和上海第二工业大学在碳纤维、石墨烯等高功能性高分子复合材料的研发方面,一直处在领先地位,近年发表了大量基础研究论文,获得了一批技术发明专利,正积极实施研究成果转化。上海石油化工研究院是国内著名的石化产业技术研发单位之一,近年该院积极开展碳纤维等高性能高分子材料的制备和应用技术的研制,十分期待与高校建立合作开发协同创新的机制,借助高校丰厚的智力资源和基础研究成果,选好开发课题,攻克技术难关,加快成果转化。

一、石墨烯材料的整体技术现状和应用现状

记者从省工信委获悉,近年,我省先后出台了《黑龙江省制造业转型升级“十三五”规划》《关于培育壮大“新字号”的若干意见》《关于深度开发“原字号”的若干意见》《黑龙江省原材料工业“十三五”发展规划》《黑龙江省石墨产业“十三五”发展规划》《石墨烯产业三年专项行动计划》等一系列指导产业发展的政策文件,确定要推动关键基础材料产业化、规模化,重点推动高品质特殊钢、铝镁合金、钛合金、石墨及石墨烯、玻璃基材料、工业陶瓷、碳化硼粉体、人工晶体、矿物功能材料、高性能纤维及复合材料加快发展。明确指出重点打造“哈尔滨石墨烯及石墨新材料高端产品研发中心”和“鹤岗、鸡西生产加工基地”,加快形成高端化、集聚化、品牌化的产业集群。重点培育一批石墨烯创新团队和优势企业,布局抢占石墨烯产业创新链及价值链高端,实现石墨烯创新突破。

当天,会议选择了与浦东新区航空、汽车、光电等产业密切关联的高性能碳纤维、石墨烯、导电导热复合材料的开发和应用为主要话题,开展了广泛的交流和讨论。

石墨烯产业链包括上游、中游和下游,上游为生产石墨烯所用的各种原材料,如石墨、烃类等物质的开采,中游为各类石墨烯材料的研究,包括石墨烯薄膜、石墨烯粉体等,下游为石墨烯终端产品的开发。

在先进钢铁材料方面,以齐齐哈尔市建龙北满特钢、一重集团等企业为龙头,满足先进轨道交通装备、海洋工程装备、军工装备轻量化等重大工程需求。

东华大学潘鼎教授,是我国碳纤维制备技术开发的元老,国家自然科学基金委重点项目"高性能碳纤维制备中若干基础问题的研究"的领衔人物。会上潘教授作了《高性能碳纤维及其复合材料的发展》的主题报告。他指出,为了改善我国的能源和环保问题,汽车的轻量化是必然之路,汽车将成为碳纤维复合材料最大应用市场。目前,我国还未能掌握高性能的碳纤维生产技术,还存在大量的高分子化学和物理的难关,限止了高性能复合材料品种及汽车应用领域的开发,有待我们继续攻克。针对石化研究院高性能丙烯腈碳纤维工艺开发项目,他介绍了干喷湿纺的技术关键以及先进的致变凝胶化纺丝技术,并表示愿意提供有关专利,与研究所课题组探讨,共同攻克有关技术难关。

从各国的研究发展情况看,美国已经涵盖了从上游石墨烯原材料的开采到下游具体产业应用的全链条,欧洲基础研究成果丰富,但是产业应用环节较为薄弱,日本和韩国集中在下游产业应用上,尤其在电子器件领域中的应用成果丰富。我国拥有丰富的石墨资源,在石墨烯原料的规模化生产以及在部分下游领域如涂料、电池导电添加剂,实现了产业化,但是目前下游应用仍然集中在附加值较低的产品上,高附加值产品进展薄弱。

在先进有色金属材料方面,依托东北轻合金公司、北方特种合金公司、航天海鹰钛合金公司、东大高新等骨干企业,发展高性能铝合金、镁合金、钛合金和新型电接触材料,重点满足航空航天、国防军工、轨道交通、石油化工等装备需求。按照《龙江》,铝镁产业园初步规划面积22平方公里,打造成国际铝镁新材料创新中心、轻量化材料应用示范区和国家级资源循环利用基地。

复旦大学卢红斌教授近年从事石墨烯制备技术和应用领域的研究,申请专利5项。他在《石墨烯及其复合材料的制备和应用》的主题发言中称,石墨烯是一种神奇的材料,应用广泛,将发展成一个万亿产业。目前,我国的石墨烯产业尚处于初创阶段。他认为,石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现,产业发展的关键问题一是:获得一种低成本、规模化生产的制造技术;二是寻到高附加值、大宗型、突破性的应用领域。复旦已开发出一种低成本绿色高效的水相剥离制备高品质石墨烯制备技术,每克成本约0.1元,单层收率达90%。期待不久能在储能材料、柔性显示、高性能涂料等应用领域有所突破。目前,正在积极探索产业化模式,特别欢迎下游应用企业的加盟和合作。

目前掣肘石墨烯产业发展的关键性问题是制备高质量的石墨烯,结合各个国家相关政策可以看出,未来一段时间内研究发展的重点是产业链中游的石墨烯材料的研究。当前,石墨烯制备方法主要有机械剥离法、液相剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化还原法。

在先进高分子材料方面,初步形成了以大庆为中心的高分子材料生产基地。已建立大庆兴化、大庆宏伟、大庆林源、安达等多个专业化工园区,拥有2040万吨炼油、120万吨乙烯、120万吨聚乙烯、80万吨聚丙烯的产能,具有较强的石化产业基础。

第二工业大学于伟教授在会上作了《散热材料及散热解决方案》的主题发言时指出,当今,轻薄化已成为电子产品发展的大趋势,伴随功能增强,性能提高,散热问题已成为产业发展必须解决的难点和热点。石墨烯具有优异的导热性能,将石墨烯复合材料用作散热界面材料的研究已成为3C产业的热门课题。二工大选择了LED产业为应用目标,开展了石墨烯制备和导热复合材料的研究。目前,已筛选出一种低成本、高导热性的制备技术,并在宝山工业园建立了实验平台。愿意与有关单位合作,共同探索产业化制备工艺,加快开拓应用领域。

在下游产业应用上,石墨烯的应用领域主要涉及电子器件领域、光电器件领域、能源领域、复合材料领域、生物医用领域以及环境领域。在电子设备领域,石墨烯由于具有优异的电学性能,研究者已将其应用于电子器件中,目前已开发出在沟道层使用石墨烯的高速动作性RF电路用电场效应晶体管、在SiC晶元上集成使用石墨烯作为沟道的晶体管和电感器、工作带宽超过10GHz的混频器IC。在能源领域,石墨烯优良的导电性可大幅提高电池的输出功率密度,石墨烯制备的锂离子电池、超级电容器充放电速率远远高于普通电池。在光电器件领域,透明导电膜是最接近实用化的应用例之一,石墨烯可作为ITO的替代材料,用于触摸面板、柔性液晶面板、有机EL照明等,据报道目前手机用石墨烯电容触摸屏已研制成功。石墨烯基的复合材料对材料的机械强度、导热性、吸附性等方面都有很大程度的提升,被看好是制作“宇宙电梯”的缆线材料,近期也被提倡用于散热等方面。在生物医药领域,石墨烯纳米生物分子传感器研究也取得突破性的进展。

在高性能纤维及复合材料方面,主要依托哈尔滨玻璃钢研究院、哈工大、哈尔滨天顺化工、哈飞空客复合材料、斯达玻璃钢、齐齐哈尔翔科等行业骨干,重点发展树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料,开发碳纤维、超高分子纤维等高性能纤维及复合材料。

国家千人计划特聘专家、上海石油化工研究院首席专家王洪学博士和上海石油化工研究院合成材料研究所李应成博士,先后介绍了该所的研究课题,就碳纤维制备工艺、石墨烯复合材料研制和应用领域的有关问题,与四位教授进行了深入的交流和探讨,并对三所高校有些研究成果,表示了兴趣和关注,有意作进一步的交流。

二、国内石墨烯材料技术与应用与国外存在的差异

在无机非金属材料方面,依托牡丹江金钻碳化硼公司等骨干企业,研发碳化硅硬质粉体材料、高性能碳化硼和碳化硅特种陶瓷材料。依托世界领先的哈尔滨奥瑞德光电技术有限公司的技术、产业优势,发展高品质蓝宝石人工晶体及制品,国内领先的大庆佳昌晶能有限公司生产砷化镓抛光片等电子晶体材料。

据悉,上海石油化工研究院的导热材料课题组在会议后,专程前往第二工业大学,探讨石墨烯-PC导热膜的合作开发立项问题。

从国内外石墨烯材料的研究领域上看,我国与国外的研究不分伯仲,甚至在部分领域处于领先水平,到2015年,中国关于石墨烯的研究论文发表数量在全球处于第一位,达到34%,超过美国的19%。与国外相比,我国在石墨烯材料生长与制备方法方面已经取得突破性进展,研究水平进入到国际先进行列。

在石墨新材料方面,“哈尔滨石墨烯及石墨新材料高端产品研发中心和鹤岗、鸡西两个石墨生产加工基地”建设初具规模。重点发展高纯石墨、锂电池负极材料、密封散热材料、超硬材料、特种石墨、吸附净化材料和石墨新型建筑材料等石墨深加工产品。哈尔滨万鑫石墨谷公司、鹤岗华升公司、七台河宝泰隆新材料公司等骨干企业,开展石墨烯绿色制备、石墨烯润滑油、石墨烯散热等重点产业化项目,推进石墨烯技术研发和生产应用。哈工大、哈工程等高校孵化培育石墨烯吸附过滤、石墨烯金属复合材料、石墨烯在新能源领域应用等项目,促进石墨烯前沿技术研发和成果转化。

从石墨烯规模化量产上看,我国已可以实现石墨烯粉体和浆料的规模化生产,与国外不相上下。

据省工信委原材料处工作人员介绍,坚持“加快先进基础材料工业转型升级、加快关键战略材料应用突破、加强前沿新材料布局”是我省新材料产业的发展方向,我省将着力推动新材料与制造业加速融合,不断提升新材料产业竞争力,加快建设“工业强省”。先进基础材料、关键战略材料、重点前沿新材料、石墨新材料都是我省当前和未来的重点发展领域。

在产业应用上,国内目前集中在导电散热膜、电池导电添加剂、散热材料这几个领域,并且均已实现了产业化应用。而欧美日韩等发达经济体主要集中在光电部件、传感器、医疗和环保材料等高端领域,相比之下,我国对高科技产品中石墨烯的应用准备不足,例如,在新能源电池领域,美国开发的石墨烯电池技术应用于新能源汽车已可以达到续航里程643公里,并且可以产业化应用,而我国新能源电池技术虽已有实质性进展,尚不能实现产业化。在涂料领域,我国大力发展石墨烯在防腐涂料中的应用,但是在耐盐雾、耐雨蚀方面与国外差距较为明显。

三、石墨烯材料当前存在的技术壁垒

目前石墨烯产业化最大的技术瓶颈在于尚未有高质量的石墨烯原料规模化生产技术,对于大尺寸、杂质缺陷可控的高品质石墨烯技术存在壁垒,直接限制了下游产品的性能,这也是目前石墨烯技术在高端电子产品中应用不足的主要原因。机械剥离法获得的石墨烯虽然质量高,但是成功率太低,根本无法工业化量产,只适用于实验室研究;化学气相沉积法可以生产出高质量、大面积的石墨烯,但是对环境影响较大,成本高;氧化和还原法是目前大规模生产石墨烯的最理想的方法,但是也会导致质量下降。