圖片來源@視覺中國
文 | 華創(chuàng)資本
在下一代生產(chǎn)力綻放的早期、前沿技術(shù)工業(yè)化的非共識階段，新材料行業(yè)將作為技術(shù)和行業(yè)創(chuàng)新的重要基石。我們希望打開更多對話，通過線上主題系列活動，邀請行業(yè)大咖在科研前沿、產(chǎn)業(yè)革新、創(chuàng)業(yè)投資等各方面進(jìn)行思想交流，觀點碰撞，互相激發(fā)。
劉小青博士分享了《環(huán)境友好環(huán)氧樹脂——從生物基到可降解》這一主題，本文摘錄內(nèi)容如下：
在正式開始之前，先厘清幾個概念：
一個概念是常說的塑料和樹脂。老百姓普遍認(rèn)識的塑料，一般以固態(tài)的形式，以粒子的形式出現(xiàn)。我們在日常生活中說到樹脂，一般是熱固的，所謂熱固就是固化之后不能再成型加工，不能再熔。而熱塑性塑料在加熱的情況下，可以再成型加工。比如尼龍、聚丙漆、聚乙漆、滌綸紡絲，這些被稱之為塑料，是可以塑性加工的，這是基本的概念。今天說的環(huán)氧樹脂，是熱固性樹脂里最大的品種，每年用量全球是 300 萬噸。
第二個概念是降解。中國的禁塑令開始之后，大家對“可生物降解”非常了解了，可生物降解對應(yīng)的是什么呢？對應(yīng)的是禁塑令下的一次性產(chǎn)品，超市里面的餐具、刀叉和塑料薄膜。禁塑令之后，大家到星巴克買咖啡，已經(jīng)看不到不可降解的塑料吸管，都改成紙質(zhì)的吸管了。以前的PP 吸管不可以降解，禁塑令不讓用了，但降解塑料跟不上，就用了很多紙質(zhì)的材料替代。有些酒店不再提供一次性的牙刷和梳子，也是為了配合禁塑令。
生物降解對應(yīng)的產(chǎn)品是什么呢？就是一次性的低質(zhì)易耗品生物降解，降解的手段是用生物或者堆肥發(fā)酵，直接的自然降解，最終目標(biāo)是降解成水和二氧化碳。今天給大家講的是化學(xué)降解，所謂化學(xué)降解就是把熱固性的樹脂，通過化學(xué)作用降解成低聚物，降解成可以用的化工原料，而不是水和二氧化碳，因為碳中和、碳達(dá)峰，不利于二氧化碳的排放。
所以熱固性樹脂的降解要達(dá)到兩點：首先，能滿足高性能、高耐熱、高物理性能需求，廢棄了之后，通過化學(xué)的手段降解成可以再次利用的化學(xué)物質(zhì)，而不是降解成水和二氧化碳。其次，要降解的是在普通條件下非常穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂、復(fù)合材料。所以，我想厘清幾個概念，熱固性樹脂降解跟普通的生物降解不一樣。
接下來，想分享我們對新材料的發(fā)展趨勢的看法。我一直認(rèn)為材料首先是要滿足高性能，能用是最基礎(chǔ)的需求。第二是功能化，比如復(fù)合材料能不能防腐？能不能抗菌？能不能導(dǎo)電？能不能導(dǎo)熱？第三是智能。比如食品的包裝，食品過期了之后有變色，一看就知道。還有自修復(fù)，一個材料如果劃損或者損傷，能不能自己愈合？就像人一樣。
智能化之后是什么？我覺得應(yīng)該是綠色化，在滿足了人類基本需求后，最應(yīng)該考慮的是什么？是健康、是環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，所以一定是綠色化、綠色可循環(huán)。
功能化、智能化和綠色化其實是并行的，不是有了智能化之后再做綠色化。怎么樣在滿足功能化、智能化的前提條件下賦予綠色化是現(xiàn)在的趨勢。
回到今天的主題——綠色復(fù)合材料，作為復(fù)合材料用的最多的環(huán)氧樹脂是什么概念？大家熟知的環(huán)氧樹脂，多用在涂料復(fù)合材料，建筑交通領(lǐng)域非常多。每年全球用量 300 萬，中國的實際用量大概為 200 萬，它不像熱塑性塑料，可以再次加工、再次成型，用完之后只能粉碎、燃燒或者填埋，污染嚴(yán)重。
現(xiàn)在不允許填埋，粉碎主要作為化學(xué)填料填充到別的物件里，低質(zhì)化利用非常嚴(yán)重，且它的燃燒值不高，變成熱量的過程中，會造成二次污染。大家對熱固性樹脂復(fù)合材料的固體垃圾很頭疼，不知道該怎么處理。傳統(tǒng)的降解方法就是高溫、高壓、強酸、強堿把樹脂降解掉，最后把固體垃圾變成了液體垃圾。固體垃圾其實還好處理，變成液體垃圾更麻煩。
2009 年以來，我一直做生物基的熱固性樹脂，就是不用石油資源?，F(xiàn)在，針對實際需求做可降解、可回收的環(huán)氧樹脂。
我們來看產(chǎn)業(yè)需求，以風(fēng)機(jī)葉片為例：2030年全球每年廢棄葉片將達(dá)到40萬噸，2050年將達(dá)到200萬噸，歐洲倡議在2025年起禁止通過掩埋處理葉片，德國、奧地利、荷蘭已經(jīng)頒布禁令。中國的風(fēng)機(jī)葉片整裝機(jī)總量風(fēng)機(jī)和光伏大概7.6億千瓦時，2030 年可能要到十幾億千瓦，還有很大的增量空間。面對這么大量的風(fēng)機(jī)葉片回收，怎么去存量？退役下來的葉片如何處理？風(fēng)機(jī)葉片帶來的問題已經(jīng)引起了熱固性樹脂降解回收的關(guān)注度。
以前沒有明確中國的風(fēng)機(jī)葉片退役之后誰來處理，6月13日國家能源總局發(fā)布了兩個文件，立法由電廠來處理。并且明確了小的葉片，像高速公路旁邊看到 30 米長的葉片，都要換成將近 100 米長的葉片，因為可以把發(fā)電效率提得更高，以小換大也是為了降低污染。因此，我們面臨著以小換大和未來風(fēng)機(jī)葉片新的裝機(jī)容量暴增，這是中國的市場。
再看學(xué)術(shù)界，連續(xù)好幾年 Nature、Science 頂刊持續(xù)關(guān)注熱固性樹脂，熱固性樹脂包括塑料的回收是國際社會非?；馃岬姆较?，人類要進(jìn)入循環(huán)經(jīng)濟(jì)，不是靠資源投入來帶動發(fā)展。
研究上如何解決？一說到可降解，我們做研究的人或者對行業(yè)跟蹤得比較緊密的人都覺得用的動態(tài)鍵，就是動態(tài)可逆的化學(xué)鍵來保證它的降解。這確實是一個很容易的方式，但作為復(fù)合材料用的樹脂，如果有一個動態(tài)鍵在里面，它的性能會在使用過程中發(fā)生各種變化。隨著熱濕度變化，性能是否滿足我們的需求？我們是否會放心它？我個人是不看好的，當(dāng)然它是一種非常好的技術(shù)，肯定會有一些應(yīng)用。
一個能用的技術(shù)或者能真正盈利的產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)，到底要具備什么樣的特點？首先是性價比，要滿足應(yīng)用需求，生產(chǎn)、價格要有足夠的競爭力。
作為研發(fā)人員，想引領(lǐng)這個行業(yè)，當(dāng)市場容量和市場的需求足夠大的時候，才有資源去做新材料。我們的技術(shù)需要什么樣的特點？去年我們利用現(xiàn)在市面上可以買到的普通環(huán)氧樹脂，做了一步化學(xué)改性，可以把它做到可降解。這只是化學(xué)降解，我們的降解條件是 80~90 度/三個小時，完全可以把纖維、把要回收的產(chǎn)品回收出來，降解的液體也可以再利用。
從去年到今年大概大半年的時間，我一直在做使用性能的評價。第一當(dāng)然是熱力學(xué)性，它的力學(xué)性、熱學(xué)性，耐熱溫度從 85~150度都可以做到。針對它的應(yīng)用，我們最關(guān)鍵要做的是什么？一個是吸水率，當(dāng)吸水率高的時候，復(fù)合材料是不可能用的。吸水率跟普通銷售的151環(huán)氧樹脂沒有太大的差別。
第二，濕熱老化，濕熱老化是否足夠穩(wěn)定？Nature、Science文章，絕對看不到濕熱老化的指標(biāo)，但這非常重要。做過了之后，我對這個技術(shù)的信心度就更高了。有了基礎(chǔ)的性能，對于熱固性樹脂來講，加工適用性就是好不好用，我們做了RTM 工藝，就是真空灌注，這是復(fù)合材料里面用得非常多的工藝。我們做的碳纖維的復(fù)合材料的力學(xué)性能跟普通的樹脂沒有區(qū)別，濕熱、老化，靜態(tài)的、動態(tài)的沒有區(qū)別。另外我們也做了預(yù)攪料，把樹脂同步到增強纖維上做預(yù)攪料，它的玻璃化溫度、強度、吸水率也沒有問題，比普通樹脂甚至要好一些。
第三，電性能，它的電性能擊穿強度、電阻力、表面電阻、介電常數(shù)和建聯(lián)耗損，跟普通的不可降解樹脂幾乎差不多。最后降解成什么？降解成雙酚氨的多元醇，這個雙酚類的多元醇是聚氨值的，可以再做成聚氨值樹脂用，這是技術(shù)端。簡單來說，我們主要圍繞在三個點：
立足生物基單體的結(jié)構(gòu)特點，通過化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，合成高性能結(jié)構(gòu)-功能一體化高分子材料，是提高不可替代性，增強生物基高分子競爭力的重要途徑；
對熱固性樹脂而言，可以在分子結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就考慮其廢棄之后的處理問題，引入雜原子和功能化復(fù)合等手段，得到性能易于調(diào)控的功能化碳材料；
可持續(xù)熱固性樹脂必須考慮原材料的可再生，使用過程中的高性能，廢棄之后的再利用，從我們的研究結(jié)果來看，全生命周期的可持續(xù)完全可以實現(xiàn)。
我們面向的市場是什么？第一個最大的市場是風(fēng)機(jī)葉片市場，一講風(fēng)機(jī)葉片，首先會被問成本足不足夠低？風(fēng)機(jī)葉片樹脂太便宜了，但回頭想，中國人沒有掌握這個技術(shù)的時候，它并不便宜，中國人把它做通了之后，馬上便宜了，然后外企不干了，覺得利潤太低。我們現(xiàn)在的可降解樹脂，它的價格比市售的稍微貴一丁點，大概10% 左右，市場完全是能接受的。
第二個市場是電工，電工復(fù)合材料里有一個產(chǎn)品可能馬上會替代，就是干式變壓器。以前電壓器把電壓棒放到泡的油里面，用外殼包住，后來國外發(fā)生很多爆炸，所以現(xiàn)在要變成干式。銅棒要用樹脂封起來，那就會有一個問題，銅棒這些附加值高的金屬回收。
第三個市場是新能源汽車，新能源汽車一定是要配合輕量化，輕量化怎么體現(xiàn)？就是復(fù)合材料。當(dāng)然現(xiàn)在復(fù)合材料在汽車?yán)蒙嫌龅揭恍┢款i，但我相信只要趨勢在那里，它肯定能走過去。新能源汽車復(fù)合材料用多了，會比風(fēng)機(jī)葉片的污染更嚴(yán)重，因為它是分散的，風(fēng)機(jī)葉片是集中的。
還有一些相對小宗的領(lǐng)域，消費電子品、運動器材等等?，F(xiàn)在谷歌和蘋果已經(jīng)在宣傳，新產(chǎn)品用的材料一定都是可再生或者是可降解的，這些市場雖然相比不大，但是附加值比較高。
當(dāng)然，還會有一些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在沒有想到的，未來可能也會有。
不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)到獾哪繕?biāo)和需求也不一樣。比如變壓器里面，降解的目的是什么？是要把貴重的金屬回收，關(guān)注降解之后的產(chǎn)物能不能用；比如玻璃纖維復(fù)合材料，因為玻璃纖維不貴，首要講的降解的樹脂能夠用好玻璃纖維。所以，要根據(jù)降解的目的，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性來制定降解的策略。
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