傅向升:化工新材料產業創新與發展之思考

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中國石油和化學工業聯合會副會長 傅向升

編者按

化工新材料因其質量更輕、性能更優異、功能性更強,尤其是技術要求和技術含量更高,一直是一個國家化工技術水平的重要體現,又加上具有傳統化工材料以及金屬材料都不具備的優異特性,已經成為世界各國高端制造業不可或缺的重要配套材料,也是發達國家和跨國公司重點發展和戰略轉型的首選。

在11月4日由中國化工報社、石油和化工產業金融創新聯盟主辦的2019(第二屆)石油和化工產業金融創新聯盟年會暨化工新材料產業創新發展與投融資峰會上,中國石油和化學工業聯合會副會長傅向升對化工新材料產業的創新與發展進行了全面深入地分析思考。本版今日全文刊登,以啟迪石油和化工行業高質量發展。

化工新材料發展之現狀

化工新材料通常指工程塑料、特種工程塑料、高性能纖維、功能性膜材料,有時還把聚氨酯材料、氟硅材料、高端聚烯烴、電子化學品也包括在內。五大工程塑料即聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、PBT、聚苯醚,五大特種工程塑料即聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮,隨著技術的進步和不斷創新,尤其是特種工程塑料的種類近幾年得到拓展,品種和性能都不斷增強。

汽車的輕量化,特別是新能源汽車和無人駕駛技術的發展;民用客機的大型化,譬如A380、夢幻787以及我們的C929等;電子信息、人類宇宙探索和太空行走、國防軍工的隱形技術、航母潛艇等深海遠洋,都離不開化工新材料為之配套。

美歐日等發達國家及全球化工50強的跨國公司,都把化工新材料作為發展重點。很多知名跨國公司把化工新材料當作轉型的首選,一邊加大化工新材料領域的創新力度,一邊加快傳統化工材料的高性能化,近十幾年以來基本已完成由傳統化工向化工新材料領域的轉型。

最典型的是陶氏、杜邦的發展,以及近年的合并與再拆分。今年4月1日拆分的新陶氏定位為一家新材料為主業的公司,年銷售額約480億美元。成立217年的杜邦上個世紀就實現了由化學品公司向材料科學的轉型。6月1日拆分的新杜邦定位是特種化學品,其主導產品也屬于我們通稱的新材料領域,年銷售額約250億美元。

三菱化學重點發展的也是化工新材料,擺在首位的是功能材料包括高功能薄膜、工程塑料、碳纖維及其復合材料、鋰離子電池材料等。三井化學的核心業務也是功能性材料,其茂金屬聚合LLDPE和HDPE以及聚氨酯材料等都居世界領先水平。三井化學把未來研發的重點也放在新材料領域。

跨國公司都把在中國的發展定位在新材料領域,三菱、三井、旭化成、阿科瑪、朗盛等公司都在中國建設和投產了新材料項目,其中最典型的案例就是巴斯夫和埃克森美孚宣布各投資100億美元,分別在湛江和大亞灣建設新材料基地。

中國作為制造業大國,對化工新材料的市場需求大,而我國化工新材料的產量和種類都難以滿足高端制造業的實際需求,化工新材料一直是我國化工領域的一個短板和弱項。

據工信部對全國130多種關鍵基礎材料調研的結果,其中32%在中國是空白,52%的材料依賴進口。有些材料被一些公司壟斷,如東麗和帝人壟斷高性能纖維及其復合材料市場,杜邦、帝人控制全球對位芳綸90%的產能,信越、瓦克、住友、三菱等占據國際半導體硅材料80%的市場。

據新材料專委會統計,我國2018年化工新材料產量約2210萬噸,自給率約65%。其中,工程塑料產量306萬噸,消費量548萬噸,自給率約55.9%;功能性膜材料產量約50億平方米,消費量超過60億平方米,自給率超過80%;電子化學品消費量約90萬噸,國內產品占有率低,如光刻膠、高分子封裝材料等部分產品的進口依存度高達80%以上,尤其是高端產品幾乎全部靠進口。

化工新材料創新與發展之挑戰

化工新材料一直是新中國成立以來國民經濟的重點發展領域,開始主要是為國防軍工領域配套,原化工部時期設有二局,專門負責化工新材料的研發與生產配套。改革開放以后,隨著電子信息、汽車制造、航空航天等高端制造業的發展,化學工業的每個五年發展規劃和年度計劃都把化工新材料作為重點,期間很多工程塑料、特種工程塑料品種以及氟硅材料、聚氨酯材料、芳綸和碳纖維材料、膜材料等獲得技術突破,實現規模化生產,并被大量推廣到民用領域。

尤其是走進很多“三線”企業,我們體會到化工新材料產業也是我國獨立自主、自力更生的一個縮影。化工新材料產業的創新與發展成績是顯著的,尤其是新世紀以來,我國化工新材料產業的快速發展,成績是主要的。但是,站在今天的視點上,對照黨中央提出高質量發展的根本要求,我國化工新材料產業的創新與發展還面臨著一些挑戰。

關鍵技術難以突破一直是化工新材料最嚴峻的挑戰。聚碳酸酯、聚甲醛、PBT、有機硅、碳纖維以及聚氨酯材料等很多化工新材料品類,都是國家自“七五”計劃就開始組織重點技術攻關的品類。其中,PBT、聚甲醛、有機硅等通過自主攻關和消化吸收相結合最早取得技術突破。近幾年,尼龍新材料、聚碳酸酯、PMMA、聚氨酯用異氰酸酯、有機氟材料、聚酰亞胺等領域的核心技術相繼取得突破,并達到世界先進水平。

但是,很多高端型號的化工新材料產品生產技術還未能掌握,如用于高端膜的茂金屬聚乙烯專用樹脂、茂金屬聚合的乙烯與α-烯烴共聚產品、茂金屬均聚聚丙烯樹脂、高性能聚烯烴彈性體等。還有一些是技術取得重大突破而關鍵設備未掌握的,如碳纖維生產過程中的氧化爐和碳化爐。

最典型的是茂金屬聚合技術,茂金屬烯烴聚合工藝具有更高的靈活性和可控性,廣泛應用于通用塑料、彈性體以及工程塑料等,是當前烯烴聚合過程中發展很快的新工藝。埃克森美孚、陶氏、利安德巴塞爾、北歐化工等跨國公司在該領域均處領先地位,我國從上世紀90年代開始組織國家級技術攻關,還專門組建了國家工程技術中心。20多年過去了,齊魯石化、大慶石化、獨山子石化等尚有產品供應市場,但是產業化規模、產品型號等都難以滿足市場需求,茂金屬聚烯烴消費量的自給率不到30%。

另一個例子是尼龍66的主要單體己二腈的生產技術。尼龍66既可以做工程塑料也可以做化學纖維,應用于汽車、電子電氣、機械儀表儀器、航空航天工業、輪胎簾子線、民用制品等。2018年,我國尼龍66的產能為43萬噸、產量30萬噸、表觀消費量約50萬噸。但是我國尼龍66的生產嚴重受己二腈的制約,由于不掌握己二腈的生產技術,國內尼龍66的生產企業只能外購己二腈,致使利潤的大頭被跨國公司獲取。遼陽石化曾引進法國己二腈技術,但由于消耗高、流程長、經濟不過關而停產。后來山東潤興建設了丙烯腈電解法工藝裝置,但在開車時發生了爆炸,至今未復產。目前,己二腈生產技術最具代表性的是英威達公司的丁二烯法和奧升德公司的丙烯腈電解二聚法,這兩種工藝各有優缺點,但都是成熟工藝。

今年3月,我帶隊訪問了奧升德公司,他們非常重視在中國的發展,但是近期沒有技術轉讓的想法。英威達近期也沒有技術許可的可能,雖然其早前曾宣布在上海化工園區建設40萬噸/年己二腈裝置。可見,國內己二腈生產技術還將長期被跨國公司壟斷,國內尼龍66產業的發展還將嚴重受制于人。但值得高興的是,天辰公司的己二腈中試裝置已經取得突破,正在與齊翔騰達合作建設產業化裝置,一期規模為20萬噸/年。

還有就是膜材料的制備技術,如燒堿工業用離子膜,我國也是自“七五”計劃就開始組織國家級技術攻關,但始終難以工業化。今年,東岳集團從樹脂到制膜都已取得重大技術突破,但產品的市場占有率還不高,現在我國每年需要的30萬~40萬平方米離子膜還幾乎全部依靠進口。

此外,新能源用高端膜、高端顯示屏用膜、醫療用膜,目前也都是由于核心技術不掌握,主要依靠進口滿足市場需求,如醫療透析用膜、國內透析膜及組件的70%都是從德國和日本進口。

高端產品短缺一直是化工新材料創新發展的一大短板。石化全行業“低端產品過剩,高端產品缺乏”的結構性矛盾一直比較突出。近3年來雖然全行業淘汰落后產能、加快轉型升級都取得了明顯成績,但是這一問題始終沒有解決。

2018年,石化全行業貿易逆差達2833億美元,增長42.5%,其中合成樹脂、合成橡膠和合成纖維單體三類合計逆差567億美元,占比超過20%。進口量和貿易逆差較大的品種有:聚乙烯進口1402.5萬噸,比上年增長18.9%。其中,HDPE進口673萬噸,增長5.2%;LLDPE進口436.7萬噸,增長44.3%。聚乙烯貿易逆差171億美元,增長23.7%;聚丙烯貿易逆差37億美元,增長8%;合成橡膠貿易逆差88.2億美元,其中乙丙橡膠貿易逆差24億美元,丁苯橡膠貿易逆差9億美元。

化工新材料領域高端產品短缺的問題更加突出。聚甲醛、PBT、碳纖維等工程塑料和高性能纖維、高端膜材料等產品的基礎型通用型樹脂都呈現過剩狀態,而適合于高端應用領域的品種或型號還是依靠進口滿足市場需求,如光學級聚碳酸酯、PMMA等品種,茂金屬聚烯烴及其彈性體材料。它們中有的是受技術制約不能生產,有的是產品質量的穩定性難以保證。2018年,聚碳酸酯的貿易逆差37億美元,比上年增長14.3%;聚酰胺貿易逆差17億美元;聚甲醛進口約34萬噸,增長9.7%;PMMA進口22萬噸,增長15.7%,逆差在6億美元左右。光刻膠每年約用1400噸,對外依存度為80%。

化工新材料產能過剩態勢不可回避。近年來,全球石化產業呈現出又一個景氣周期,尤其是北美頁巖氣革命成功以及沙特經濟戰略轉型,使這兩大區域的烯烴和聚烯烴產能增量較大。中國也處在這一輪發展周期中,石化產業布局調整和結構調整的步伐加快,煉化一體化裝置集中建設,烯烴、芳烴等大宗石化產品集中投產,石化產業的規模集中度、整體技術水平以及有機化學品的自給率都得到大幅提升。

隨著技術的突破,化工新材料領域很多品種也出現了集中規劃建設的熱潮。碳纖維熱、聚碳酸酯熱、尼龍熱以及超高相對分子質量聚乙烯、有機硅等產品的規劃建設熱度持續上升,百萬噸聚碳酸酯基地、千億元級尼龍城等大手筆不時見諸報端。如上面提到的己二腈,目前全球也就14套生產裝置,總產能約200萬噸/年。目前國內每年消耗己二腈約為30萬噸,現在有的企業一出手就是100萬噸/年的規劃目標。

另一個典型的產品是聚碳酸酯,2018年國內產能約120萬噸,自給率不足50%,未來幾年內已有、在建和擬建的總產能超過700萬噸/年,產能年均增速高達30%。照這種勢頭下去,不知市場如何承受?

化工新材料高質量發展之思考

化工新材料產業是一個技術含量高、專為高端需求配套的產業,是國家石化產業技術水平和整體技術水平的典型代表。一個國家化工新材料發展不上去,其高端制造能力與水平就會受到嚴重制約。去年我們的中興電子被制裁立馬陷入癱瘓,今年日本對韓國電子化學品限制出口使韓方陷入被動,就是明顯的例證。我國化工新材料產業的技術水平與美歐日等發達國家相比有著明顯差距。化工新材料產業的創新與高質量發展,不僅是石化強國的關鍵內容,也是制造強國的關鍵所在。

傳統化工材料的高性能化不容忽視。化工新材料不能狹隘地理解為僅指完全創新的材料。相對于通用塑料,工程塑料、特種工程塑料、氟硅材料、高性能纖維和膜材料等新品種是化工新材料的重要構成。但是隨著技術的進步,傳統化工材料或者說通用合成材料通過改性、實現高性能化也是化工新材料的一個重要領域。

例如最早的合成材料聚氯乙烯,通過離子交聯改性可以提高耐熱性,通過接枝改性可以改善其抗沖擊性能、實現高韌性。其最典型的一個新用途是在高鐵上的內飾膜,聚氯乙烯裝飾膜耐磨性、耐腐蝕性都好,而且圖案豐富、易清潔、施工方便,可直接用于鋁型材、玻璃鋼制品及其復合材料,所以復興號等動車組的中頂板、客室墻板等都貼有聚氯乙烯膜。此外,在高鐵和軌道交通上還有聚氯乙烯防紫外線膜、密封條等。

再如聚乙烯、聚丙烯等通用合成樹脂材料,一方面是通過新的聚合技術(如茂金屬聚合)實現高性能化,以及與己烯共聚、辛烯共聚制成聚烯烴彈性體等;另一方面是通過改性技術實現高性能化。如高熔體強度聚丙烯就是在后聚合過程中引發接枝了長支鏈,其流動性是普通均聚聚丙烯的9倍。還有高技術含量、高附加值的聚丙烯微孔膜,可用于電池、醫療、廢水過濾、煙塵分離等領域。

曾有報道的汽車保險杠自修復材料,就是在現有PU材料中加入微膠囊,一旦刮蹭碰裂,微膠囊會自行修復,一夜間保險杠就恢復如初。可以說對傳統材料的改性實現高性能化和高端化應用,有著無窮的魅力,這些也都是很多跨國公司和大學創新的重點方向和領域。瓦克的醫用有機硅新材料、電動汽車顯示屏用新材料等都是對現有有機硅材料改性實現的。曾有報道加利福尼亞大學發明了一種具有自愈功能的的新型聚合物,這是一種可拉伸聚合物與離子鹽制成的新材料,可用于智能手機屏幕和電池,這樣以后的手機屏幕摔碎就不用換屏了。還有報道美國科羅拉多大學研究出一種無需制冷劑和電力就可以為建筑物降溫的薄膜材料,加工成50微米厚的薄膜,成本約每平方米50美分,一棟普通房子的屋頂若鋪設20平方米,當室外溫度37℃時,室內溫度就可以保持在20℃。

我國近幾年形成了中國化工、萬華化學、新和成、華峰集團等一批以化工新材料為主導產業的企業,以及中石化、中石油、中國中化和新成長起來的金發科技、鑫達、杰事杰等企業。它們都在改性材料方面積累了豐富的經驗和大量的創新成果,為滿足我國電子信息、機械制造、軌道交通、航空航天等高端制造領域以及新能源等戰略新興產業的現實需求提供了配套與支撐。

以市場為導向是化工新材料創新與發展的基本準則。近4年來,我相繼訪問過杜邦威明頓和上海創新中心、埃克森美孚休斯頓研發中心、亨斯邁休斯頓研發總部、薩比克利雅得和上海研發中心、陶氏休斯頓和上海研發中心、霍尼韋爾華盛頓和休斯頓及上海體驗中心,三菱化學、大金、LG、SK等跨國公司創新中心總部,這些跨國公司的創新能力與水平都是世界頂級水平。他們都有一個共性:就是始終把市場導向作為創新的重點和發展的方向。在跟巴斯夫、贏創、帝斯曼、阿科瑪、朗盛、英力士、索爾維、BP、殼牌等跨國公司交流的過程中,我發現他們也是始終緊緊圍繞市場需求而創新, 還特別注意與下游用戶開展協同創新,為客戶提供一攬子解決方案。

我們應當學習和借鑒跨國公司在創新發展過程中的成功實踐和積累的有益經驗,不能機械地為了創新而創新。當前應當以汽車輕量化和新能源汽車、電子信息產業、大飛機和軌道交通等戰略新興產業以及正在實施的制造業強國戰略對化工新材料提出的新要求和新需求,作為化工新材料創新與發展的主攻方面和重點配套領域。國家新材料產業發展專家咨詢委員會談到:我國新一代信息技術產業急需的是第三代半導體材料和顯示材料,其中顯示材料到2030年需3.5億平方米;水資源領域2020年需高性能分離膜材料約1億平方米,現在國內的自給率還不到15%;新一代信息技術急需補短板的化工新材料有光刻膠、高光敏性有機光導材料、超大規模集成電路和化合物半導體用高純氣、特種液晶高分子材料、特種光學共聚物等以及高性能纖維和復合材料、稀土新材料等。

我們應當認真對照“新材料產業化發展指南”和“新材料進口替代工程”提出的材料清單和目錄,認真分析哪些材料已經實現了國產化?哪些還依賴進口?依賴進口的原因是什么?是沒有該產品,還是產品的質量不穩定?我們做哪些創新、改進和提升就能滿足需要?同時積極與用戶對接、共同開展協同攻關,這樣一來化工新材料的創新就可以有的放矢,針對性也會更強。

創新始終是化工新材料發展的關鍵。前面談到,關鍵技術和核心技術長期難以突破是制約化工新材料領域創新發展的最大瓶頸,關鍵設備不掌握也是化工新材料領域一大短板。化工新材料的關鍵技術和核心技術跨國公司不會同意轉讓,關鍵設備即使同意賣給我們也有著嚴格的限制條款。這就是習近平總書記在視察煙臺萬華談到自主創新時特別強調的:重大關鍵技術是買不來、討不來的!再加上化工新材料產業與電子信息、高端制造、航空航天和國防軍工領域以及戰略新興產業密切相關,發達國家和跨國公司對其技術許可更加嚴格,所以我國化工新材料的發展一定要把創新擺在重中之重的地位。通過創新突破其技術瓶頸,實現現有材料的升級,滿足重大工程和高端制造之需求。

化工新材料的創新既要重視特種工程塑料等尖端材料的創新,也要重視通用工程塑料、傳統材料的產品升級與高性能化;既要重視新材料技術的創新,也要重視研發、生產、應用上下游的協同創新。

石化產業“十三五”科技發展指南把化工新材料列為“五大創新重點”之一,“十三五”以來石化聯合會協助組織高分子材料國家重點專項研發項目,化工新材料領域取得了一批重大創新成果,組建了特種尼龍工程塑料聯盟,認定了一批高分子材料領域的技術創新示范企業。

新材料領域的創新應密切跟蹤國際科技創新的新進展和產業發展的新變化,瞄準產品的高端化和差異化,強化以企業為主體的創新體系建設,關鍵是集中力量攻克一批“卡脖子”技術、補短板技術、顛覆性技術和關鍵設備,建設一批高質量、高水平的公共創新平臺和創新聯盟,高度重視創新人才和創新團隊的培育和成長,通過創新加快化工新材料產業的高質量和可持續發展,為我國高端制造和戰略新興產業領域提供強力保障。

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