新材料讲座

化工新型材料前景似锦应用化工技术078段乐园化工新型材料系指新近发展起来的或正在发展之中的具有特异性能或特殊功能的化工材料，是新材料的一个重要部分。化工新型材料既是最新科学与技术发展的产物，又是最新科学与技术发展的前提和基础。它已成为高新技术发展的重要物质基础和发展新兴产业，推动技术进步的重要支撑，也是促进国民经济发展、现代化国防建设和提高人民生活水平的保证。目前，化工新型材料已形成拥有十余大类品种的新材料的主要组成部分。根据我国国情，现有化工新型材料主要是指：有机硅材料、有机氟材料、特种工程塑料、特殊橡胶及其制品、高性能纤维及其复合材料，功能高分子材料以及微电子化工材料、专用和特种精细化工材料。1.我国化工新型材料现状我国化工新型材料的研制与生产已有近半个世纪的历史，先后研制出上千个不同品种、牌号的新材料和制品。目前国外已有的主要品种，我国都有生产或研制，有机硅材料、有机氟材料、信息记录、感光材料等，都有一定的生产规模。为化工新型材料自身的发展，为适用国民经济和社会发展，特别是为高新技术和国防建设的需要奠定了基础，形成了较为完整的体系。下面将简单叙述其中数量较大，影响面较广的新型材料现状。1.1有机硅材料有机硅材料是以有机硅化合物为原料合成的系列化工新型材料，它是化工新型材料中产业规模最大的三个行业之一。有机硅材料主要包括硅油、硅树脂、硅橡胶和硅烷偶联剂、有机硅涂料、有机硅表面活性剂、匀泡剂等含硅精细化学品。国外有机硅材料品种、牌号有5000个以上，而我国只有几百个。但基本有机硅品种，我国都已有商品问世。如硅橡胶、硅树脂、硅油和硅烷偶联剂、有机硅涂料、有机硅表面活性剂、匀泡剂以及二次加工品等均有一定规模的生产。生产有机硅材料的主要单体为甲基氯硅烷和苯基氯硅烷，含乙烯基的硅烷等也有不同规模生产。目前甲基单体生产能力3万吨/年多，单套装置的年生产能力已近2万吨，并准备近期扩大到5万吨/年，单体自给率25%左右。我国硅油、硅橡胶和硅树脂三大类产品目前已有数百个品种。硅橡胶总生产能力为3.8万吨/年；硅油年产量5000吨；有机硅特种单体产量6000余吨，但生产规模小，最大装置能力才100吨/年；硅烷偶联剂质量不稳定，且产量少，大部分依赖进口解决。有机硅产品能耐高温，防潮湿，绝缘，具有良好的电性能、阻燃性、耐候性、耐臭氧及生理惰性，无毒无味，形态多样，广泛用于纺织、电子电器、石油化工、轻工、建筑、机械、军工、办公设备、交通运输、医药、食品加工和日用化工等领域，对高科技和产业结构优化升级日益显示出重要作用。1.2有机氟材料有机氟材料是聚合物结构中含氟原子的材料，主要包括含氟聚合物、氟化烷烃和含氟芳香族化合物三大类产品。我国有机氟材料于20世纪50年代末60年代初开始研制，成功地用自己的技术建成了千吨级四氟乙烯生产装置，百吨级氟橡胶和其他含氟材料。有机氟材料的年生产能力已超过1万吨，氟材料总消费量9000吨/年，占世界的7%，仅次于美国、西欧和提本，已居世界前列。2000年聚四氟乙烯和氟橡胶需求量分别为6600吨和600吨。从统计情况看，聚四氟乙烯和氟橡胶等大宗产品，有进有出，可基本满足市场需求。但产品档次低，不能完全满足要求，聚四氟乙烯市场占有率只有50%，其加工产品的市场占有率约60%，含氟织物整理剂、涂料等精细化学品市场占有率更低，有的尚属空白，主要靠进口解决。目前我国的有机氟材料初级品过剩，中级品质量不稳定，高级品缺乏，品种牌号少的状况。有机氟材料具有卓越的耐化学性和热稳定性，还具有优良的介电性、不燃性和不粘性，摩擦系数极小，为许多其他合成材料所不及。广泛用于军工、电子电器、机械、化工、纺织和人民生活等各个领域。1.3特种工程塑料特种工程塑料又称高性能工程塑料，是现代化工新型材料之一。我国特种工程塑料的研制始于20世纪60年代初，但发展速度较慢，多数品种正处于中试阶段，少数品种有几十吨至几百吨级的生产装置，多数尚未能真正实现产业化，只有个别品种生产能力达1500吨/年左右。目前聚酰亚胺总生产能力1000吨年左右，但实际产量不多，年需求量约5000吨。双酚A型聚砜目前年总生产能力约为550吨，实际产量只有300吨/年左右。目前聚苯硫醚年总生产能力约1500吨。热致液晶聚合物，聚醚醚酮等处于试制研究阶段，仅有中试装置。其他品种如聚芳酯、聚苯酯、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚芳砜、聚醚酮等都有研制。虽然我国特种工程塑料尚未形成规模，与国外差距较大。但在技术上已有相当基础，奠定了发展基础。特种工程塑料具有重量轻、强度高、耐热、耐磨、耐辐照、耐疲劳、耐燃、耐老化、尺寸稳定性好、介电性优良、耐化学介质等诸多特性。在机械、汽车、电子电器、航空航天等工业上可以代替某些金属作为结构材料，而且它的某些特性和用途是一般金属材料所不能化拟和代替的。1.4高性能纤维及其复合材料高性能纤维是高性能复合材料的主要增强体，以碳纤维和芳纶纤维为代表。目前，我国高强碳纤维的最大生产装置能力只有100吨/年，芳纶纤维还处于中试阶段，基体树脂从品种到性能还不能完全配套。高性能复合材料是由比强度和比模量高的纤维与树脂或金属、陶瓷等基体材料复合而成的。树脂基复合材料是目前技术比较成熟，应用最广泛的复合材料，如碳纤维增强环氧树脂基复合材料，以重量轻、强度高和易加为其最大的特点，用于航空航天及交通、文体、环保等部门。目前，我国PAN基碳纤维的生产能力约为160吨/年，质量水平接近国外的T300，有1K、3K、12K等几个品种。通用级沥青基碳纤维的生产能力200吨年；高性能沥青基碳纤维的研究工作正在进行，其工艺和产品性能正在完善和提高；粘胶基碳纤维长丝已建呈吨级规模的装置；纳米级碳纤维的研制工作也已起步，已研究出纳米级碳纤维。但从整体上讲，我国碳纤维的生产规模小，产品质量不高，开工率较低，市场尚未真正打开。芳纶纤维研制产品的性能已接近美国Kevlar-49的水平，但尚未工业化生产，需求基本靠进口解决。1.5功能高分子材料功能高分子材料是指有电磁功能、光学功能、分离功能、催化功能、高吸水性功能等的高分子聚合物及其制品。功能高分子材料种类很多，包括膜材料、感光材料、医用高分子材料、导电和磁性高分子材料、膜分离材料等，例如医用高分子材料，包括人体内使用的人造器官材料和治疗用的医药及器械材料，包括我国已开发生产的人工脏器、医用导管、整容材料等；还有阻尼、减震、降噪音、隐身等多功能防涂层、多功能胶粘剂等也属高分子材料之列。高分子分离膜是近几十年发展较快的一个领域，膜材料以有机聚合物为主导材料。膜材料似乎分离技术的基础和核心，直接关系着膜的分离性能和工业化。我国膜材料和膜技术现已广泛应用于海水淡化、超纯水制备和环保等诸多方面。目前，我国膜行业总产值近20亿元，在建和建成的反渗透装置50余套，中空纤维超滤膜生产厂80余家。我国目前生产的微滤膜以纤维素材料为主；陶瓷微滤膜已开发出陶瓷管式和多通道微滤膜，并已小规模生产；超滤膜的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚酰亚胺等；中空纤维已成为我国超滤膜组件的主要品种；气体分离膜及膜技术，已开发出60余套气体分离装置用于工业生产。高吸水性树脂可吸收自身重量的几百倍至几千倍的水，它吸水后溶胀呈凝胶状态，被水吸收的水包封在高分子的网络中，即使在加压下也不易失水，干燥后可恢复原有的吸水能力。它广泛应用于生理卫生、农林园艺保墒、工业脱水、建筑水膨胀用密封胶、保鲜、医药、日用化工、电子工业等领域，有很好的发展前景。1999年我国聚丙烯酸盐型高吸水性树脂（SAP）生产能力1万吨，产量近3000吨。1.6微电子化工材料微电子产品主要包括集成电路（IC）和分离器件，微电子化工材料是IC产业的关键性基础化工材料。IC所需的关键性化工材料主要是光致抗蚀剂（光刻胶）、超净高纯试剂、特种电子气体和塑封材料。这些微电子化工材料约占IC材料总成本的20%。目前，我国光刻胶年产量约为100吨，紫外线正胶年产5吨左右，可满足2μm的工艺要求，紫外负型胶年产20吨左右，可满足3μm工艺要求，辐胶和电子束胶可提供少量产品。超净高纯试剂，BⅤ-Ⅲ级试剂质量已达到国外先进水平，生产能力达500吨/年；MOS级试剂已有22种，产量超过4000吨/年，适用于中小规模IC5μm技术的要求。环氧模塑料，目前有3000吨/年的生产能力，2～3μm技术用塑封料也已能批量供货。塑封料用填充剂SiO2微粉也有小批量生产，万吨级装置也在建。特种电子气体已研制成功十余种，能满足5μm技术的使用要求，但大部分由美、法、日等进口。2.市场前景与需求预测我国化工新型材料经过几十年的发展，在生产工艺、产品数量和质量以及技术方面都有了很大的发展和提高。但目前我国化工新型材料的整体水平相当于国外发达国家70年代水平，与我国经济和国防的发展不相适应，已直接影响国民经济的发展。我国化工新型材料的研究开发工作起步并不晚，但因种种原因发展较慢。与国外先进水平相比有较大的差距，主要表现在：生产规模小、技术水平低、消耗定额高、品种牌号少、产品档次低、质量不稳定和发展速度慢。为推动新材料技术及产业以高速度、高质量地发展，迎接加入WTO后世界范围的挑战，国家有关部门和各地方政府已为此制定了一系重要政策和措施；中国化工新材料总公司作为研制、开发、生产密集高新技术的化工新型材料企业，在迎接21世纪的挑战中，正在调整整个企业发展的战略，力争促进一批化工新型产业的形成和发展，建立一批化工新材料科研中心和基地，培养一批高水平的科研队伍。这些将为我国化工新型材料的发展创造和提供了极好的条件和机遇。根据有关资料报道，下面介绍一些化工新型材料今后几年市场需求预测情况。根据国家今后几年中航天航空、汽车、电子、通讯、建筑、能源等工业以及医疗保健事业的发展需要，到2004年通用工程塑料需求量将达到35.2万吨，其中尼龙9.2万吨，聚碳酸酯14.2万吨，聚甲醛9.8万吨，PBTI1.4万吨，聚苯醚0.63万吨。平均年递增率达8.46%。其中尤以聚碳酸酯及聚甲醛的增长最快，因此扩大工程塑料，特别是聚碳酸酯及聚甲醛的生产有着广泛的前途，是我国化学工业发展的新的经济增长点。用于生产特种工程塑料的聚合物，多数品种正处于中试阶段，只有少数有几十吨至几百吨级的生产装置，远远不能满足国内需求，以PPS（聚苯硫醚）为例，目前年需求量约500吨，到2010年需求量将达到5000吨左右。聚酰亚胺（PAI、PI、PEI）现在生产能力1000吨年，2000年需求量4000～5000吨，2010年预计需求量8000～10000吨。目前，我国聚硅烷产量约6700吨/年，甲基氯硅烷单体自给率25%左右。应尽快把其生产能力提高到5万吨/年以上，进而达10万吨/年，同时配套建设有机硅制品生产装置，其规模应达1000吨/年以上。2000年我国有机硅氧烷需求量约5.5万吨，预计到2004年达8.4万吨左右，年增长率11.17%。硅烷偶联剂目前年需求只有100吨左右。预计，2000年国内共需有机硅产品5.2万吨，到2010年聚硅氧烷预计需要10万吨，生产能力需要大量增长。2000年我国氟树脂需求量约为1.5万吨，预计到2004年达2.3万吨左右，年增长率10.38%。由此可见，增加有机硅、有机氟材料的生产也有着很大的发展空间，这也是我国化学工业发展的新的经济增长点。如果这些工程塑料、硅氟材料需求量的80%有我国自己供应，就可创造产值每年100亿元。随着我国信息产业的高速发展，“十五”期间我国电子化学品年均增长率将超过20%，到2005年我国，微电子用光刻胶、超净高纯试剂BV-Ⅲ、各种MOS试剂，环氧模塑料的需求量将分别超过200吨、2000吨、8000吨、8000吨。根据预测，到“十五”末期我国电子化学品市场规模将超过200亿元，比1999年增加100亿元，可能成为化工行业中增长速度最快，最有活力的行业之一。高性能纤维、膜材料、特种涂料的需求也将有很大的增长。高性能、高功能、合金化、精细化、智能化的化工新型材料作为基础材料之一，将在21世纪担当重要角色，其前景无可限量。