化工材料

發(fā)展

　　化工新材料是新材料產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支，是基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。發(fā)展化工新材料產(chǎn)業(yè)在突破國內(nèi)資源“瓶頸”，環(huán)境保護(hù)、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，保持石油和化學(xué)工業(yè)平穩(wěn)、較快和可持續(xù)發(fā)展方面“大有可為”。2011年中國原油對外依存度已突破55%，且連續(xù)三年超50%警戒線，預(yù)計(jì)到2020年對外依存度將達(dá)67%。國內(nèi)石化工業(yè)能源利用率比發(fā)達(dá)國家平均低15%，而一些產(chǎn)品單位能耗要高出20%-30%；國內(nèi)石化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性矛盾突出，總產(chǎn)值的65%以上是由石油和天然氣開采、精煉石油、基礎(chǔ)化學(xué)原料和肥料等初級加工產(chǎn)品構(gòu)成，不能滿足相關(guān)產(chǎn)業(yè)的需求。

　　政策“春風(fēng)”促發(fā)展?；ば虏牧鲜菄抑攸c(diǎn)扶持的低碳經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域新興產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》和《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，化工新材料產(chǎn)業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)?！妒秃突?ldquo;十二五”科技發(fā)展規(guī)劃綱要》提出力爭到2015年，國內(nèi)高端化工新材料整體技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家的差距縮小到10年左右，達(dá)到本世紀(jì)初國際先進(jìn)水平?！妒突瘜W(xué)工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出“十二五”化工新材料發(fā)展重點(diǎn)包括：特種合成橡膠、工程塑料、高性能纖維、氟硅材料、可降解材料、功能性膜材料、功能高分子材料及復(fù)合材料等領(lǐng)域。

　　目前國內(nèi)化工新材料市場存在巨大的市場缺口，進(jìn)口量占據(jù)國內(nèi)大部分市場份額，國內(nèi)化工新材料整體自給率在56%左右，其中新領(lǐng)域的化工新材料自給率僅為52%，工程塑料和特種橡膠自給率僅為35%和30%。一般而言，化工新材料產(chǎn)品都會經(jīng)歷產(chǎn)品毛利率波動和進(jìn)口替代率不斷上升的過程。在化工新材料進(jìn)口替代過程中，多數(shù)產(chǎn)品供大于求的矛盾不突出，部分產(chǎn)品供不應(yīng)求，掌握核心技術(shù)的企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)張即能獲得與投資成正比的利潤，多數(shù)企業(yè)能實(shí)現(xiàn)持續(xù)快速增長。高壁壘帶來高的回報(bào)，尖端化工新材料產(chǎn)品毛利率在70%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大宗化學(xué)品15%左右的行業(yè)平均利潤。

材料種類

　　由于化工生產(chǎn)的物料和工藝條件各不相同，因而化工材料的品種繁多，型號、規(guī)格復(fù)雜，既包括一般工程材料，也包括化工裝置專用的具有特殊性能、特殊用途的材料。

　　化工材料分為金屬材料和非金屬材料兩大類?；び媒饘俨牧嫌挚煞譃楹谏饘俨牧虾陀猩饘俨牧?。黑色金屬材料主要指鐵和鋼，多數(shù)化工機(jī)械設(shè)備是用鑄鐵和碳鋼制成的。高合金鐵、高合金鋼（如高硅鐵、高鎳鐵和各類不銹鋼）以及鎳、銅、鋁、鈦、鋯及其合金，也廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中。非金屬材料在化工中的使用日益廣泛，主要有塑料、橡膠、玻璃、陶瓷、搪瓷、不透性石墨等類。塑料發(fā)展迅速，耐蝕性優(yōu)良，應(yīng)用最廣泛；不透性石墨既耐熱、耐酸、還具有高熱導(dǎo)率，用量也較多；陶瓷、玻璃等耐酸性良好，但性脆，又不能制成大體積設(shè)備，所以其本身用途有限，但可用來搪、襯金屬表面，制成耐蝕的搪瓷設(shè)備，搪（或襯）玻璃的槽、罐等。

　　在金屬與非金屬之間，還有一種非晶質(zhì)（態(tài)）合金，具有過冷液體的結(jié)構(gòu)，耐蝕性很強(qiáng)，有些接近鉭和貴金屬，是一種發(fā)展中的材料。

　　為了利用不同材料的優(yōu)點(diǎn)，還發(fā)展了多種復(fù)合材料，其中有：①金屬與金屬復(fù)合，如夾層金屬板，利用高強(qiáng)度、低耐蝕的材料（如碳鋼、鋁合金）作底層，耐蝕性較高的材料（如純鋁、鎳、鈦、不銹鋼等）作接觸腐蝕介質(zhì)的表層。②非金屬與非金屬復(fù)合，如增強(qiáng)塑料。③非金屬與金屬復(fù)合，如合金陶瓷，既有一定強(qiáng)度，又能耐高溫。

機(jī)械性能

　　化工機(jī)械一般都承受一定壓力、拉力或沖擊力，故化工材料首先須滿足機(jī)械性能的要求，主要是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、彈性模數(shù)、伸長率、硬度、疲勞極限等。化工機(jī)械又多在強(qiáng)腐蝕環(huán)境和介質(zhì)中運(yùn)轉(zhuǎn)，如采用手冊中的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（或稱名義強(qiáng)度，即在空氣中試驗(yàn)的平均值），有時(shí)會在應(yīng)力遠(yuǎn)低于最大值時(shí)損壞，在可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂或腐蝕疲勞的環(huán)境中尤其如此（見腐蝕和防腐），故對可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的環(huán)境，考慮采用應(yīng)力腐蝕破裂臨界強(qiáng)度值。

耐腐蝕性

　　相對概念

　　不同材料對于各種腐蝕環(huán)境具不同的耐蝕性，所謂優(yōu)良耐蝕材料只是相對的概念。例如：一般認(rèn)為不銹鋼是優(yōu)于普通碳鋼的耐蝕材料，但這只是在大氣、水和氧化性環(huán)境中才如此；在還原性酸中，兩者同樣被腐蝕；在70%以上的濃硫酸中，碳鋼比不銹鋼好；在含有氯離子的水中，奧氏體不銹鋼可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，而碳鋼卻沒有這種危險(xiǎn)。通常在手冊中載有各種材料在各種環(huán)境中（酸、堿、鹽、氣體、無機(jī)物、有機(jī)溶劑、大氣、土壤、水、海水、工業(yè)產(chǎn)品、食品及植物油等）的腐蝕數(shù)據(jù)，如手冊中沒有所需數(shù)據(jù)，則應(yīng)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。

　　評定標(biāo)準(zhǔn)

　　金屬耐蝕性的評定標(biāo)準(zhǔn)，按均勻腐蝕率大小分四個(gè)等級。對于精密部件和高壓、有危險(xiǎn)性的設(shè)備應(yīng)用腐蝕率極低的一級材料，一般容器、設(shè)備等則可用二三級材料，適當(dāng)增加壁厚，可保證較長壽命。對于金屬材料，不僅要注意均勻腐蝕，更應(yīng)注意局部腐蝕。當(dāng)手冊上指出這種“材料-環(huán)境”體系有產(chǎn)生孔蝕、晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕破裂的可能時(shí)，則避免采用，或采取必要的防護(hù)措施。

　　非金屬迄今還沒有很好的評定方法，對于玻璃、陶瓷、石墨等可以參用金屬標(biāo)準(zhǔn)。而塑料和橡膠的適用標(biāo)準(zhǔn)可參考下列數(shù)字：抗彎強(qiáng)度的下降要小于25%；重量或尺寸變化要小于5%；硬度（洛氏M）變化要小于30%。

　　環(huán)保安全

　　在選材中還必須考慮材料與環(huán)境的反應(yīng)是否對環(huán)境或生產(chǎn)造成不利的影響，如是否會污染產(chǎn)品質(zhì)量，影響工序流程，產(chǎn)生副反應(yīng)，降低收率，甚至引起火災(zāi)、爆炸等。如有些材料腐蝕率雖然很低，但能使產(chǎn)品的色、香、味變質(zhì)，甚至產(chǎn)生毒性（如微量鉛化合物），這對于食品、醫(yī)藥、纖維、化妝品類的工業(yè)，就絕對不能使用。

加工性能

　　材料的加工性能如鑄造、切削、焊接、鍛造、熱處理等性能應(yīng)滿足要求。其中焊接性能對化工設(shè)備尤為重要。

物理性能

　　材料一般物理性能如密度、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等，也應(yīng)加以考慮。例如：要選用熱導(dǎo)能力強(qiáng)的材料制造換熱器；選用熱導(dǎo)能力最低的材料做保溫材料。

經(jīng)濟(jì)效益

　　選材的目的是避免設(shè)備、建筑等過早地?fù)p壞，保證生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)經(jīng)濟(jì)效益問題。希望選用的材料都是耐蝕性最優(yōu)、價(jià)格最低，但往往耐蝕性最強(qiáng)的材料價(jià)格卻很高。通常需要從材料價(jià)格、設(shè)備壽命、檢修周期、維修費(fèi)用、停產(chǎn)損失、事故可能性和廢品價(jià)值等各方面來綜合考慮，以選擇最合適的材料。一般短期運(yùn)轉(zhuǎn)的中間試驗(yàn)設(shè)備，小型、間斷操作設(shè)備和容易更換的零部件，可選用價(jià)格和耐蝕性較低的材料；大型連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，則要求壽命長、檢修次數(shù)少，多采用價(jià)格較高、耐蝕性強(qiáng)的材料。

綠色環(huán)保

　　2008年，北京成功舉辦29屆奧運(yùn)會令全球矚目，綠色化工材料也因本屆奧運(yùn)會被人們廣泛認(rèn)同。從某種意義上說，引領(lǐng)綠色環(huán)保消費(fèi)理念的北京奧運(yùn)會，開啟了我國綠色化工材料行業(yè)的新紀(jì)元。因?yàn)榕c短暫的北京奧運(yùn)會相比，綠色化工材料的“后奧運(yùn)”效應(yīng)更值得業(yè)界期待。

　　“鳥巢”、“水立方”等一批奧運(yùn)標(biāo)志性場館已成為綠色北京的象征和節(jié)能環(huán)保的樣板。建設(shè)這些場館所需要使用先進(jìn)化工材料和技術(shù)，因而化學(xué)工業(yè)是當(dāng)之無愧的功臣。

　　2008北京奧運(yùn)會不折不扣地成為綠色化工材料等一大批高精尖技術(shù)、產(chǎn)品演示的舞臺。奧運(yùn)村、“鳥巢”和“水立方”等場館設(shè)施都采用了零VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)和低VOC水性涂料。如“水立方”的泡泡吧采用了拜耳公司的無溶劑以及水性聚氨酯環(huán)保涂料。水性聚氨酯涂料具有無污染、黏合持久、干燥時(shí)間更短等特性，并且更容易維護(hù)；此外這種涂料還是不可燃材料，具有防火性能。大連振邦集團(tuán)研制生產(chǎn)的氟碳涂料，用于“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)的涂裝，總涂裝面積達(dá)到28.4萬平方米。氟碳涂料不僅耐候、耐溶劑、耐酸堿性能優(yōu)異，而且成膜物質(zhì)高度穩(wěn)定，無毒無害，被譽(yù)為“涂料之王”，是繼丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有機(jī)硅涂料等高性能涂料之后新興的一種高端涂料。

　　在奧運(yùn)建筑的隔熱保溫材料方面，聚氨酯隔熱保溫材料、聚氨酯外墻涂料和擠塑聚苯乙烯是用得最多的幾種，它們?yōu)閵W運(yùn)建筑穿上絢麗的保暖外衣。如“鳥巢”采用了聚氨酯硬泡保溫節(jié)能材料，這種保溫材料具有保溫節(jié)能、環(huán)保和降噪的功能。

　　不僅如此，奧運(yùn)場館還采用了多項(xiàng)化工環(huán)保新技術(shù)。如“鳥巢”采用了中國藍(lán)星水處理技術(shù)有限公司開發(fā)的中水和雨水回用技術(shù)。該技術(shù)經(jīng)過石英砂過濾、超濾膜過濾和納濾膜過濾3道2008年世界先進(jìn)的處理工藝，使中水回用、污水處理再生利用率達(dá)到100%，可解決場館70%的用水需求。中國石化承擔(dān)的“鳥巢”8萬個(gè)固定座椅的原料研發(fā)、外形設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作等。這些座椅采用聚丙烯中空成型，座椅專用原料在耐候、阻燃等方面均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，并實(shí)現(xiàn)了可回收再利用。

　　膜材料讓奧運(yùn)場館得以大放異彩。“水立方”的外立面涂層采用的是乙烯-四氟乙烯的共聚物(ETFE)膜材料。有自我清潔、節(jié)能、隔熱保溫等功能。僅在控溫方面，膜結(jié)構(gòu)就能幫助"水立方"節(jié)省30%的電力。“鳥巢”鋪的是兩層膜，ETFE膜和PTFE(聚四氟乙烯)膜，PTFE膜實(shí)際上是一層“隔音幕”，能夠較好地解決噪音問題。奧運(yùn)會射擊館的防彈膜工程采用了PET(聚對苯二甲酸乙二酯)膜材料，具有高透光性、隔紫外線、節(jié)能環(huán)保、單項(xiàng)透視、耐久性強(qiáng)、防爆、防盜等優(yōu)點(diǎn)。

　　北京奧運(yùn)會還大量采用了生物降解材料制品，如塑料袋、一次性餐盒及臨時(shí)塑料桌椅等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅南京比澳格公司就提供了570萬個(gè)全降解的塑料袋。北京奧運(yùn)會期間集中用餐地點(diǎn)大量使用了生物降解塑料餐具，奧運(yùn)場館所需的近10萬把臨時(shí)塑料座椅都是由生物降解塑料制造的。

　　此外，噴涂聚脲、聚氨酯、膨潤土防水毯、聚氯乙烯單層屋面系統(tǒng)、聚乙烯丙綸等綠色防水材料，廢舊橡膠生產(chǎn)的道路瀝青和木塑復(fù)合材料等再生材料，作為生態(tài)建筑的“寵兒”的聚碳酸酯材料等，都在北京奧運(yùn)會上獲得廣泛的應(yīng)用。可以說，綠色化工材料和技術(shù)滲透到了北京奧運(yùn)會的方方面面。

　　2008北京奧運(yùn)會雖然已經(jīng)結(jié)束，但綠色化工材料產(chǎn)業(yè)化的市場大門剛剛開啟。隨著奧運(yùn)會所倡導(dǎo)的環(huán)保理念日漸深入人心，業(yè)界相信，在北京奧運(yùn)會巨大的示范和宣傳效應(yīng)促進(jìn)下，綠色健康的化工新材料、新技術(shù)將加速產(chǎn)業(yè)化的步伐，其產(chǎn)品和技術(shù)將得到進(jìn)一步升級，也將在更多的領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。