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雄县“材料革命”隐藏无限机会

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发布时间:2016-10-13 00:55:06

雄县

    【环氧树脂网(环氧地坪施工)http://www.epoxy-cn.com/】2016年9月14日讯:材料的革命“中国制造2025”隐藏的机会——当超级台风“威马逊”以每小时250公里的速度横扫广东时,70000多根水泥和钢铁电杆尽数倒毁。据环氧树脂网(环氧地坪施工)http://www.epoxy-cn.com/专家介绍,神奇的是,一种以复合材料制成的电线杆却安然无恙。一役成名的是巴斯夫研制的用于电杆的玻璃纤维和聚氨酯复合材料Elastolit。中国古谚“疾风知劲草”,这根电线杆就像“劲草”,可以依着强风的来势顺势弯曲,卸下强风的力。玻璃纤维的强度加上聚氨酯的柔韧性,使得它比普通水泥电杆的弯曲强度高出2.5倍,而重量仅为250公斤,是普通水泥电杆的四分之一。面对大自然的无常,是先进的材料科技帮助人类抵御了天灾。“材料是工业发展的基础。”“2015年度新材料最佳投资机构”获得者,上海谱润股权投资管理有限公司董事长周林林一直在关注材料行业的发展,但遗憾的是,在这个领域的斩获不算丰厚,但春天似乎已经来临。


    《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图(2015版)》明确了包括新材料在内的十大领域的发展目标。新材料之下分为3个大类、19个小类,有色金属、钢材、石化材料在内的先进基础材料;陶瓷、稀土在内的关键战略材料,以及包括3D打印在内的前沿新材料。在全球市场缺口高达60%~70%的碳纤维材料领域,周林林跟踪近20年,却没能在中国本土的企业中发现好产品。从投资者角度而言,好产品的标准是规模化生产的稳定性,有竞争力的成本以及生产效率。据环氧树脂网(环氧地坪施工)http://www.epoxy-cn.com/专家介绍,中国在上世纪60年代就在从事碳纤维研究,与日本几乎同时。碳纤维强度比铁高3倍,比重仅是铁的1/4左右,比铝和玻璃纤维还轻,拉伸强度约是铁的10倍,这正是碳纤维取代以往金属材料被确定为轻量化材料的原因,在飞机、汽车上有着广泛的应用前景,隐形飞机、战斗机、民航客机均可使用,也是中国大力发展的关键战略材料。据MarketsandMarkets预测,到2020年,全球碳纤维复合材料的市场规模将357.5亿美元。


    如何看待材料的“新”与“旧”?与一般制造业不同的是,材料行业与一个国家的科研水平紧密相关。且需要长期、持续的大投入。“中国制造2025”对于“新材料”的解读可以分成以下几个角度:一是强调比传统材料更为优异的性能,能满足各种需要;二是突破产业化制备瓶颈;三是加快基础材料升级换代;四是关注颠覆性新材料对传统材料的影响。巴斯夫不倒的电线杆中使用的聚氨酯在中国新材料列表中属于基础材料中的石化材料,并非近年才研制。它诞生于1937年,由德国人Otto Bayer教授发明。1946年,美国将硬质聚氨酯泡沫塑料用于飞机夹心板材部件。聚氨酯材料听着陌生,但却是生活中再熟悉不过的产品。像记忆忱、坐垫等都属于软泡类聚氨酯,像“大白”一样柔软;但是当它“硬”起来时,作为建筑外墙保温材料使用时,能有效提高屋面的抗载荷能力,还耐油、耐渗透、耐老化,使用寿命长达50年。
据环氧树脂网(环氧地坪施工)http://www.epoxy-cn.com/专家介绍,2016年3月,阿迪达斯NMD运动鞋发售在全球掀起排队热潮。业界备受关注的Boost鞋底即是由发泡热塑性聚氨酯 (E-TPU) 构成。起始原料TPU颗粒经过加压加热预处理后,原来5毫米大小的颗粒像爆米花一样体积膨胀10倍。这些密闭气泡能够赋予发泡微球以优异的弹性和需要的回弹效果,有效吸收跑步过程中对足部的冲击。这一技术一举让阿迪达斯在跑步鞋领域人气飙升,一双NMD的黑市价格从官方价一千多元爆炒至上万元。而Boost的研发便来自巴斯夫特性材料部门。“很多材料早在几十年前都已经出来,现在所谓的新材料实际是指创新性的应用。”负责特性材料大中华区业务的巴斯夫副总裁郑惟成表示,“NMD运动鞋用到的原材料聚氨酯并不新,是我们研发出新配方和新的生产工艺才使材料发挥出特定的功效。”


    老材料、新领域、新配方——相对于日新月异的IT科技,材料科技的发展更为缓慢,事实是,未必全新的材料就一定有广阔的应用前景,“该有的材料都有了,现在业界主要的工作是找到新的应用条件。从客户获得需求,根据需求进行配方设计,之后进行改性生产。”郑惟成说,“这是一个化学、工艺与市场结合的事。”1970年代,巴斯夫与保时捷共同研发出塑料材质(尼龙为主)的进气歧管,并且突破产业发展的瓶颈。塑料是各种聚合物的统称,像尼龙、聚氨酯……均纳入此列,一些应用于工程领域的塑料也被称为“工程塑料”。据环氧树脂网(环氧地坪施工)http://www.epoxy-cn.com/专家介绍,进气歧管位于汽车节气门与引擎进气门之间,功用是将空气、燃油混合气分配到各缸进气道。之所以称为“歧管”,是因为空气进入节气门后,经过歧管缓冲后,空气流道在此“分歧”。由于塑料质轻且内部光滑,它能有效减少阻力,增加进气的效率。


    之所以采用塑料进气歧管,是因为金属歧管的成型工艺较为复杂。一般的技术难以加工如此形状复杂的较大型中空部件,但是塑料可以一体成型,且比金属材质轻40%~60%。“如果单从原材料的成本来看,塑料进气歧管与金属材质费用基本持平或略高,但是在生产加工环节,塑料进气歧管可一次成型,合格率高;据环氧树脂网(环氧地坪施工)http://www.epoxy-cn.com/专家介绍,而金属毛坯铸造成品率低,机加工费用高,塑料材质的总生产成本可节约20~35%。特别是在大批量加工生产中,总成本极具优势。”当巴斯夫开创的进气歧管以塑代钢的商用价值充分显现后,这一领域涌入了大量的竞争者。1999年巴斯夫为宝马公司开发的2L 4缸涡轮柴油发动机进气歧管组件(由进气歧管、发动机外壳和空气净化器罩组成)的所有部件都由尼龙制成。其中进气歧管使用由30%玻璃纤维增强的尼龙制造。


    福特公司和Mard IV公司采用杜邦公司33%玻璃纤维增强尼龙66生产。比利时Solvay公司推出35%玻纤增强PPA(聚邻苯二酰胺),美国陶氏公司推出的是35%玻璃纤维增强间规聚苯乙烯(SPS)和尼龙(PA),比利时Vyncolit N.Y公司配合宝马公司推出的是酚醛树脂材料……老材料、新配方、新应用领域,可以说各个化工公司之间展开的是配方和生产质量稳定性的竞争。但不管是哪种工程塑料,上述材质普遍具有耐受高温、高强度、尺寸稳定和化学稳定的特性,在欧美和日本,90%的轿车已经采用塑料进气歧管。中国主机厂虽然目前仍以传统的铸铁或铸铝材料为主,但是以塑代钢也已经成为趋势。“这一材料应用从上世纪70年代开发后,90年代才开始应用,现在还有大量的汽车部件可以做以塑代钢的改造。”郑惟成说。近年来随着涡轮增压技术的普及,发动机内的温度更高,现在耐受150度高温的进气歧管材质未来还将提高到180度。


    “这是随客户的需求变化而出现的创新机会,但是即便有更好的材料,如果价格高出几倍,客户是不会接受的,所以材料技术创新的前提是考虑商业化应用的成本。”郑惟成说,“碳纤维用在波音787上具有综合成本优势,但如果用在进气歧管中,与金属相比绝无成本优势。”轻量化领域竞争正酣:在德国化工巨头朗盛公司(Lanxess),人们津津乐道于一次极限挑战赛。2015年7月的阿尔卑斯山极限飞跃比赛中,参加者驾滑翔伞飞跃奥地利萨尔茨堡至摩纳哥之间的1038公里路程。一位奥地利极限运动员以第三名的成绩完成了这场非凡的竞赛。他的滑翔伞脚蹬采用的就是德国朗盛(Lanxess)子公司Bond-Laminates出品的由玻璃纤维、碳纤维等纤维增强的热塑性塑料Tepex dynalite。这款脚蹬由厚度仅为1厘米的“三夹板”复合材料制成,其中的两个面层厚度仅为0.5毫米的超薄Tepex,中间为蜂窝芯。飞行员通过脚蹬调整体重分布进而控制滑翔伞,在极端情况下,例如在接近陡峭岩石面紧急转向时,飞行员必须大力蹬脚蹬,如同全力踩下刹车踏板。


    “表面材料Tepex的厚度和蜂窝芯决定了这种夹层结构的抗弯刚度和弯曲强度胜于钢板或铝板,但它的单位重量却要轻得多。”Tepex应用工程师Harri Dittmar解释说。同样,这一轻量化构造技术可以应用于体育器械、电子行业,当然还有现在所有著名的化工巨头都在盯准的汽车轻量化领域。朗盛大中华区CEO 钱明诚介绍说,如果汽车重量减轻10%,油耗可以减少5~7%,同时降低二氧化碳的排放。在汽车轻量化上,各家给出的方案不尽相同,却各有妙处。仅以汽车座椅竞争为例,朗盛给出的方案是采用Tepex镶件汽车座椅壳体,欧宝雅特(Opel Astra)OPC汽车的座椅就采用了混合结构,内含连续玻璃纤维强化的热塑性Tepex复合材料。巴斯夫为宝马集团BMW i3设计了采用聚酰胺(PA,俗称尼龙)制造的前排座椅靠背,这一轻质混合材料部件的重量仅为 2 公斤,以及采用Elastolit(前述不倒的电线杆所用的材料)制造的后排座椅壳等。


    这些材料各自在轻量化、稳定性、延伸率和韧度上表现出优异的特性,尤其是座椅设计要保证车辆在遇到撞击时可以吸收大量能量。“在考虑采用新材料设计时,不仅仅为了轻量化,安全更是放在第一位的考量。”钱明诚说。同样,在汽车方向盘、仪表盘、顶盖骨架、结构嵌件、前端模块甚至全塑料轮胎的设计中,凡是汽车中一切可以轻量化的地方,各家企业都在绞尽脑汁。朗盛产品线中还有杜力顿(Durethan)品牌的聚酰胺(PA)塑料复合材料以及保根(Pocan)品牌的聚丁烯对苯二甲酸酯(PBT)工业塑料。杜力顿系列可以应用在进气口、车门把手、插座等。 钱明诚介绍说,“与金属相比,塑料材料可减轻特定结构部件多达50%的重量,从而提高了燃油效率。”在节能环保的全球趋势之下,新能源车,尤其是电动车有限的电量对车身重量的敏感更加使得汽车轻量化成为商家的必争之地。可以说,谁能在轻量化领域领先,谁就是未来汽车产业的宠儿。“我们分析过整车有多少部件可以用塑料代替,哪些关键部件不能替代。如今欧美汽车塑料用量已经达到20~25公斤,中国不到15公斤。机会很大。”郑惟成说。


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