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陶氏化學技術總監:什么樣的材料創新才有生命力?

2019-07-15 責任編輯:未填 瀏覽數:104 中國水性涂料網

核心提示:謝謝陳教授的介紹,我是來自陶氏化學的姚文斌博士。一個月前上海研究院的老師聯系我,想讓我來做一個關于材料創新和材料未來的講座,事實上,我心里非常惶恐,因為中科大為化學材料界培養了許多非常優秀的畢業生,我

謝謝陳教授的介紹,我是來自陶氏化學的姚文斌博士。一個月前上海研究院的老師聯系我,想讓我來做一個關于材料創新和材料未來的講座,事實上,我心里非常惶恐,因為中科大為化學材料界培養了許多非常優秀的畢業生,我覺得他們比我更適合站在這個舞臺上。2012年,湯森路透根據2000年到2010年發表文章的引用率,發布了全球top100的材料科學家的榜單,其中有15位華裔科學家,有7名是中科大校友。排名第一的是大名鼎鼎的楊培東教授,還有夏幼南教授,除此之外9212一個班,就有三個同學名列其中。順便提一下,我是8612的。

我們這些優秀校友和材料科學家,在世界頂級的研究單位從事研究工作,引領著材料界的發展方向,他們比我更適合站在這個舞臺上。因為我是在工業界從事研發工作,所以,后來,研究院的老師希望我從工業界的角度分享材料創新的體會和實踐。

我想教授們專注的可能是新材料,新材料的研究,以及未來的應用潛力,而我可能從應用的角度和市場驅動的角度,來分享材料創新,分享我們在材料創新工作中的體會和實踐,從另外一個視角提供給大家參考。

化學工業的本質,其實是將原材料通過化學工藝、化學過程,轉化為更有價值的材料,這其中會出現排放副產物,危廢需要處理。而再處理危廢材料產生的代價,一定要低于其創造的價值,這樣我們化學工業才有意義。


化學工業的投入量非常巨大



化學工業的投入量非常巨大,2015年的數據顯示,化學企業對研發的投入高達1000億美金。一般來講,化學企業有兩類,一類是通用化學品,銷售額的2-3%用于研發。另一類是特殊化學品,企業研發投入高達銷售額的10%。但是這么大的研發投入,從結果來看的話,是讓人非常的悲喜交加的,跟醫藥行業和航空業相比,對新材料的投入和產出,需要花的時間更長,整個銷售額的成長更緩慢。醫藥一般來說十年銷售達到峰值,航空業可能更快,但是新材料的投入,銷售額達到峰值要15年以上,這是麥肯錫在2012年的一個報告。



舉一個例子,PVC管材,大家如果在國內裝修自己的房子可能會用到這個材料。第一根PVC管材,在50年代初從工廠生產出來,到真正的上量到了10萬噸銷售量的時候,花了18年的時間,才大面積的鋪開。市場的接受度是需要15年以上的時間,由于這個原因很多的企業現在對新產品的投放,迫于資本市場的壓力,對新產品、新技術的投放變得越來越保守,相反他們更傾向于產品的迭代和產品線的延伸。

另外一個更著名的例子,就是碳纖維,60年代初就發明了碳纖維的制造工藝,但是到了70年代初才找到第一個應用:航空航天。可以不計成本,卻不適合大規模推廣。煙臺光威在這方面做得非常好,它利用碳纖維做各種各樣的體育用品。后來在汽車市場得到嘗試,但也沒有大規模的推廣,主要是價格的原因,這個我后面還會介紹。最近幾年,風電的葉片做得越來越長,碳纖維在風電廠得到大規模的應用,而達到1萬噸使用量的碳纖維花了大概30幾年的時間。

材料創新的三個階段



陶氏化學在121年創新歷程當中,跟美國的工業是緊密相關的,相伴相生。我們回顧過去100多年材料創新的發展歷程,體會是這樣的,材料創新有三個階段

第一個階段是上個世紀前50年,主要是創造新分子,設計新的分子,并形成產業化,為這些新的分子找到應用場景,我們說這個階段屬于新分子驅動的材料創新。在這個階段陶氏化學有一個著名的成就:1937年在美國,首次將聚苯乙烯高分子材料產業化,開創了工程塑料的時代,聚苯乙烯被做成了墻體的保溫材料,在美國市場占有率一直很高,目前一直在生產銷售。

第二個階段是上個世紀后50年,這個階段我們認為是先開發應用,了解市場需求,客戶的需求,然后再回到實驗室,進行分子設計,材料設計,得到相應的材料,反饋給市場,所以我們認為這是應用開發驅動的材料創新時代。在這個時代,我們在1984年,全球首次推出了反滲透膜的產品和技術,這是為了應對市場對凈化水技術的要求。

那個時候水資源嚴重匱乏,需要對污染的水源進行凈化提純,反滲透膜這項技術,基本上把水里面所有的東西都能去掉,把所有離子都能去掉,可以得到最純凈的水。中國很多家庭已經裝了凈水器,凈水器有好幾級的過濾裝置,其中最關鍵的一般是第三級,用的是反滲透膜的組件,反滲透膜組件很多來自陶氏化學的反滲透膜。



在過去二三十年里面,我們發現材料創新有一些變化,越來越多的材料創新,被多學科融合所驅動。有一個例子,在2005年,陶氏化學農業部推出Omega-9的健康油,因為它是在阿根廷種植菜籽,進口到中國,目前在中國市場上供應有限。這是一款最健康的食用油,因為反式脂肪酸的含量是0,飽和脂肪酸含量低,好的不飽和脂肪酸含量比較高,是比較好的健康食用油。Omega-9健康油,是化學跟農業科學及生命科學融合驅動的材料創新的產品。 在過去一百多年當中,材料創新的方式和驅動力上已經有了一些改變,目前多學科融合變得越來越重要。

材料創新與可持續化


當今社會面臨很嚴峻的世界性的挑戰。剛才白波介紹了,我們環境的污染,造成水資源嚴重匱乏,2030年左右,我們人類社會對凈水資源的需求將會增長50%。過去的環境污染造成地下水污染,地下水重金屬含量過高。此外因為人口的發展,我們對食物的需求也增加了,在未來的30年要增加70%。而能源的消耗,在未來15年也要增加30%。未來在做材料創新的過程中我們要兼顧環保的因素,兼顧到節能節源的因素,材料創新的活動變的非常有意義,其實也非常有必要,讓我們生活更加可持續化。



我們在中國的研發團隊,過去幾年時間,根據市場的需求,也做了相應的材料創新的活動。接下來跟大家分享一下。

其中很著名的案例——“毒跑道”事件。過去四五年,在媒體上有非常多的報道:很多中小學生,因為體育場毒跑道釋放出來有味道的氣體中毒,身體健康受到危害。雖然沒有官方的報道是什么原因造成的,但是從媒體的報道,我們分析可能的原因是使用了過量的有機溶劑、塑化劑,以及施工過程當中不良的操作。所以在三、四年前,我們開發了水性跑道技術,不含任何的有機溶劑,環保綠色無毒無味,適合中小學、幼兒園、托兒所,以及居民聚居的小區鋪設。還有一點,大多數跑道是紅色或者其他深色的,用以前的技術生產的跑道在日光暴曬下顏色會黃變,我們新的跑道技術是不會黃變的,我們幫助客戶采用淺色的跑道,上面這個藍色的跑道,就是我們幫助客戶鋪設的。目前全國大概有500多條跑道,已經采用我們水性跑道技術。

我們在校園里建設“Green Campus”,采用了全水性的跑道技術,以及相關去甲醛的建筑涂料等等,我們有很多相關的綠色產品,成為建設“綠色校園”的示范。很榮幸在2017年這項技術獲得了R&D 100的獎項,大家可能不了解,R&D 100是技術創新界的奧斯卡獎,每年從全球遴選出100項創新技術給予嘉獎,2017年我的同事因為這項技術被邀請到美國的奧蘭多領取R&D 100的獎項。

    


第二個跟大家介紹的案例是共享單車,共享單車是我們中國獨特的風景線,解決了最后一公里的交通問題。共享單車很重要的痛點,就是免維護,或者盡量少維護,這樣才能減少人力成本的投入。騎過單車的人知道,傳統的自行車是打氣的橡膠氣胎,這種橡膠輪胎非常好用,騎行舒適輕便,但是容易漏氣和爆胎,這個時候維護費用會很高。另外一種技術方案是采用熱塑性彈性體,它雖然解決了免維護的問題,但是騎行的舒適性并沒有那么好,因為它比較硬,比較笨重,生產效率低,成本比較高。

我們幫助摩拜公司用聚氨酯材料發展了實心輪胎,起到了免維護的作用,而且重量輕,生產效率很高,騎行的舒適性和氣胎差不多,生產效率很高。這項技術得到摩拜全面的鋪展,摩拜的輪胎都是采用聚氨酯材料做的,摩拜APP的下方寫有采用陶氏化學免充氣輪胎。

每個家庭都有電冰箱,電冰箱的外殼一般是鋁合金,打開以后是塑料的內膽,內膽跟鋁合金之間是一個聚氨酯的發泡材料,起到節能保溫的功能。對海爾、海信等冰箱生產廠家來說,材料的隔溫性能非常重要,也就是導熱系數越低越好。導熱系數來自三部分的貢獻,一個是發泡材料里面的氣體,另外是聚氨酯發泡材料的固體材料,以及輻射。氣體發炮劑,是冰箱生產廠家根據型號、投放的國家、地區以及定價來決定。固體和輻射這兩塊,我們作為聚氨酯材料供應商,進行改善。這里面最終分析下來有兩個要素,一個是密度,密度越低,固體的導熱系數值越小,還有發泡形成的泡孔越細的話,輻射的導熱系數值也會越小,加起來總的值也會越小。

我們如何實現的呢?我們發明了PASCAL的技術,如果看電鏡照片,就會看到PASCAL產生的泡孔,是一般傳統技術的1/2到2/3的大小。因為這項技術應用以后,K值下降了,同時脫模時間降低了,生產效率提高了,我們的客戶非常喜歡。因為模壓更低,脫模更快捷,注射更快,密度也降低了。怎么實現PASCAL技術呢?說起來很簡單,平常是在常壓下發泡,而PASCAL技術是在真空也就是在負壓狀態下發泡,反應加快,泡孔更細更致密,所用的材料也更少。

為什么是我們創造發明的呢?因為我們找到了很好的高端裝備制造商Cannon,可以實現我們的想法,而且把設備工業化生產出來,所以這是一個很好很典型的案例。新材料的研發,也要跟多學科融合,這是跟高端裝備技術融合的成果。這項技術在2011年,全球首次在重慶生產基地實施,效果很好,同時也在不同國家的生產基地包括俄羅斯、東南亞采用了這套技術。   

 桿塔技術是我們另外一個案例,以前我們看到的都是水泥基的桿塔,非常重,它有一個問題,遇到強臺風時還會被刮倒,因為太硬了扛不住,在冬天冰雪沉重的時候也容易斷裂,因為太脆了,南方多山林的地帶,需要急修的時候,需要搬遷的時候,又難以運輸。因為在山上不太容易運輸,所以電網公司希望有更輕便的桿塔技術,同時性能也能更好,不太容易被刮倒,或者不太容易因為承壓而斷裂。我們采用了復合材料的技術,聚氨酯復合材料,幫助我們的客戶采用傳導的工藝實現了工業化,使用了復合材料的桿塔技術以后,變得非常輕便,真正的重量只是原來的1/4,短一點的桿塔甚至一個人扛著就可以運輸上山。

 最后講汽車,汽車的發展趨勢是更輕量化、更安全、更牢靠、以及使用時間更長久。汽車有一個非常重要的指標,就是燃油消耗量,大家很清楚它跟車輛的重量呈正相關,為了降低燃油消耗量,汽車重量就要下降。特別是我們中國電動汽車快速發展,對汽車車輛的輕量化要求更高,因為汽車輕量化決定每次充電的行駛里程,也就是續航力。在前面演講當中提到了碳纖維,用碳纖維來實現汽車的輕量化,相比鋼鐵,碳纖維可以減重60%,相比鋁合金可以減重20%到40%,是非常好的材料,但是太昂貴,所以碳纖維生產廠商需要不斷地降低成本。

我們陶氏化學作為樹脂的供應商,也可以做一些貢獻,通過對樹脂的優化,可以降低對碳纖維的要求,降低對碳纖維含量的使用,最終起到降低成本的作用,碳纖維需要跟樹脂配合。更重要的是為了在汽車工業得到大規模推廣,加工周期一定要快,因為汽車工業的生產效率非常高,所以碳纖維復合材料加工周期也要很短,甚至要自動化加工工藝生產。我們公司的歐洲同事經過十多年的努力,將加工周期從原來的幾個小時,縮短到現在的5分鐘之內,這樣才能滿足于汽車生產的要求。目前這項成果已經成功的應用到奧迪A8的車輛上。

我們介紹了五個中國過去幾年當中材料創新的實驗,可以看出材料創新其實跟我們日常生活息息相關,剛才講到共享單車、冰箱、車輛、桿塔、輸送電源、以及跑道,都跟我們的日常工作息息相關。其實這些項目有一個共同特點,我們材料創新還是以市場為導向,社會需求為導向,客戶要求為導向。以客戶的需求推動我們對材料進行相關的設計,反饋到市場,滿足市場的要求,滿足客戶的要求。另外還可以看到這些項目,跟環保節能也是息息相關的,因為我們認為,材料的創新,只有緊密的圍繞環保、節能,這樣材料的創新才會有生命力,材料的創新才會長久,材料的創新才會可持續。謝謝大家!


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