“雙碳”目標(biāo)下，先進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著全球制造業(yè)持續(xù)向智能化、綠色化發(fā)展，具有輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)的復(fù)合材料不斷拓展汽車及軌道交通輕量化、石化防腐、風(fēng)電及環(huán)保等應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮?；?fù)合材料新產(chǎn)品新技術(shù)層出不窮，國(guó)際國(guó)內(nèi)各類展會(huì)成為企業(yè)展示其新產(chǎn)品新技術(shù)的舞臺(tái)和企業(yè)間交流合作的平臺(tái)，給企業(yè)發(fā)展帶來(lái)更多機(jī)會(huì)。
“十三五”期間，走綠色化背景下的可持續(xù)發(fā)展之路，成為復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展理念，研究和發(fā)展復(fù)合材料的回收和再利用已成為我國(guó)乃至全世界所面臨的緊迫問(wèn)題，也是行業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)。

應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展

復(fù)合材料有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度、比剛度高，具有特殊的振動(dòng)阻尼特性，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X射線特性，可以獲得高精度的復(fù)雜形狀，并且耐腐蝕能力強(qiáng)等，因而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，汽車工業(yè)領(lǐng)域，化工、紡織和機(jī)械制造領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，以及制造體育運(yùn)動(dòng)器材和建筑材料等。本報(bào)玻纖/復(fù)合材料版報(bào)道，隨著全球制造業(yè)持續(xù)向智能化、綠色化發(fā)展，具有輕質(zhì)高強(qiáng)特點(diǎn)的復(fù)合材料正不斷拓展汽車及軌道交通輕量化、石化防腐、風(fēng)電及環(huán)保等應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，世界各國(guó)針對(duì)汽車行業(yè)的環(huán)保法令愈加嚴(yán)格，業(yè)界迫切需要輕量化的解決方案來(lái)對(duì)抗燃油費(fèi)上漲的成本壓力。目前汽車輕量化技術(shù)主要有兩個(gè)方向，一是汽車結(jié)構(gòu)和材料加工工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，二是使用能夠滿足要求的更輕質(zhì)的替代材料。其中，輕量化的替代性材料是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的前景最為客觀的輕量化技術(shù)，復(fù)合材料作為其中的主要材料之一，市場(chǎng)潛力巨大。以碳纖維復(fù)合材料為例，碳纖維復(fù)合材料是汽車工業(yè)輕量化的主要材料，在航空領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但受制于成本等因素未能在汽車行業(yè)復(fù)制成功。碳纖維復(fù)合材料再生量產(chǎn)技術(shù)成為業(yè)界期盼的一種解決方案。作為占據(jù)世界市場(chǎng)40%的東麗公司，與豐田汽車下屬的豐田通商株式會(huì)社合作，共同推出節(jié)能低成本的碳纖維復(fù)合材料回收再生技術(shù)，拓展汽車應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù)歐洲知名咨詢公司SAMResearch預(yù)測(cè)，全球碳纖維需求量到2020年，將超過(guò)16萬(wàn)噸，其中汽車輕量化領(lǐng)域?qū)⒊蔀樵鲩L(zhǎng)最快和需求最大的領(lǐng)域之一。相關(guān)資料表明，未來(lái)10年，全球汽車市場(chǎng)將大幅增長(zhǎng)，2025年全球汽車產(chǎn)量將達(dá)到1.5億輛，這將是復(fù)合材料邁進(jìn)汽車輕量化市場(chǎng)的大好機(jī)會(huì)。

到目前為止，復(fù)合材料已在建筑的二級(jí)結(jié)構(gòu)和巨型支撐結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，隨著開發(fā)更加復(fù)雜的技術(shù)解決方案，復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。相關(guān)資料顯示，在過(guò)去20年中，美國(guó)的房屋建筑市場(chǎng)發(fā)生了兩次重大的復(fù)合材料滲透：制造門窗框架型材的拉擠成型，以及用于外門的玻璃纖維增強(qiáng)聚酯和聚氨酯外皮的壓塑成型。這些應(yīng)用與傳統(tǒng)材料相比具有更低的成本，所得到的窗戶和門框具有與金屬一樣的特性，且效率更高。加拿大新近研發(fā)的一種新型抗震纖維增強(qiáng)混凝土（EDCC），將傳統(tǒng)混凝土的應(yīng)用范圍滲透到新型房屋、管道、硬質(zhì)路面、海上作業(yè)平臺(tái)、防爆結(jié)構(gòu)及工業(yè)地板等領(lǐng)域。加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)民用工程教授NemyBanthia表示，EDCC在水泥中添加了聚合物復(fù)合材料、粉煤灰及其他工業(yè)添加劑，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)利用，發(fā)展前景看好。

先進(jìn)復(fù)合材料經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在國(guó)際上無(wú)論是原材料制備，設(shè)計(jì)與工藝還是工程應(yīng)用均已取得較大進(jìn)展。雖然在國(guó)內(nèi)行業(yè)剛剛進(jìn)入成長(zhǎng)期，但隨著先進(jìn)復(fù)合材料研發(fā)與穩(wěn)定性生產(chǎn)陸續(xù)展開，科技成果向下游應(yīng)用轉(zhuǎn)化過(guò)程逐步完善，相關(guān)配套工裝設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，在軌道交通、汽車、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、電子、通信、環(huán)保、海洋船舶、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、體育休閑等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2017年2月發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》從突破重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域急需的新材料、布局一批前沿新材料、強(qiáng)化新材料產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新體系建設(shè)、加快重點(diǎn)新材料初期市場(chǎng)培育、突破關(guān)鍵工藝與專用裝備制約、完善新材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系、實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”新材料行動(dòng)、培育優(yōu)勢(shì)企業(yè)與人才團(tuán)隊(duì)及促進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)特色集聚發(fā)展等九方面提出了重點(diǎn)任務(wù)，為復(fù)合材料的發(fā)展創(chuàng)造了更好的環(huán)境。

新產(chǎn)品新技術(shù)層出不窮

材料作為制造業(yè)的基礎(chǔ)，其應(yīng)用創(chuàng)新是制造業(yè)科技創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要環(huán)節(jié)。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)合材料企業(yè)不斷推出新產(chǎn)品新技術(shù)，而國(guó)內(nèi)國(guó)際各類展會(huì)成為企業(yè)推廣其新產(chǎn)品新技術(shù)及展示其實(shí)力的平臺(tái)。全球規(guī)模最大、影響力最強(qiáng)、歷史最悠久的復(fù)合材料展之一——2022年法國(guó)復(fù)合材料展充分展示了纖維、樹脂、復(fù)合材料及各專業(yè)加工設(shè)備等系列產(chǎn)品。創(chuàng)新成為該屆展會(huì)的核心，獲得“復(fù)材創(chuàng)新獎(jiǎng)”的13類技術(shù)，涵蓋了復(fù)合材料從原材料到加工應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。該屆展會(huì)有130家中國(guó)企業(yè)參展，顯示出我國(guó)企業(yè)在復(fù)合材料領(lǐng)域的卓越實(shí)力。巨石集團(tuán)、泰山玻纖、重慶國(guó)際、長(zhǎng)海新材、林州光遠(yuǎn)等玻纖及碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，中國(guó)復(fù)材、中航復(fù)材、富麗華等復(fù)合材料制造企業(yè)，以及集科研與生產(chǎn)為一體的南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院均在展館的各主要位置設(shè)置了展臺(tái)，向世界充分展示中國(guó)復(fù)合材料企業(yè)取得的巨大成績(jī)。

作為全球復(fù)合材料界最重要的年度盛事，2022年中國(guó)國(guó)際復(fù)合材料工業(yè)技術(shù)展覽會(huì)（CCE）吸睛能力一如既往。全球領(lǐng)先的玻纖復(fù)合材料生產(chǎn)商——?dú)W文斯科寧在CCE上向觀眾展示了一個(gè)“復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)”的世界，涉足風(fēng)電、汽車、基礎(chǔ)建設(shè)及石油和氣體等工業(yè)領(lǐng)域。歐文斯科寧主推的是纏繞成型用Advantex、拉擠成型用PULSTRAND、風(fēng)能葉片用WINDSTRAND和ULTRABLADE、LFT及CFRT產(chǎn)品用PERFORMAX四大產(chǎn)品解決方案。航天海鷹（鎮(zhèn)江）特種材料公司首次展示了采用多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、代表我國(guó)及復(fù)合材料行業(yè)領(lǐng)先水平的C919后機(jī)身后段前防火墻、垂尾壁板和后機(jī)身前段上壁板三件大型、超大型結(jié)構(gòu)部件。中復(fù)連眾的葉片板塊也取得了兩個(gè)突破：一是自主研發(fā)了首臺(tái)高原型風(fēng)電葉片，其為2MW風(fēng)電機(jī)型專門設(shè)計(jì)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；二是自主研發(fā)了LZ68-4.0海上風(fēng)電葉片，并實(shí)現(xiàn)了一些新的制造技術(shù)，如在線涂膠粘劑、后緣輔梁?jiǎn)为?dú)預(yù)制、引入美國(guó)知名的葉片雷電系統(tǒng)等。

碳纖維是重要的戰(zhàn)略物資，是高精尖復(fù)雜產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)輕量化、高性能的關(guān)鍵原材料。然而，該材料長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，制約了我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程。在“國(guó)產(chǎn)M40J碳纖維工程化研制及應(yīng)用”一條龍項(xiàng)目牽引下，歷經(jīng)5年研制，我國(guó)成功突破穩(wěn)定化制備、碳纖維表面處理等關(guān)鍵技術(shù)，建成百噸級(jí)M40J高模高強(qiáng)碳纖維生產(chǎn)線。這標(biāo)志著我國(guó)M40J高模高強(qiáng)碳纖維進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段，也意味著高性能碳纖維國(guó)產(chǎn)化時(shí)代正式到來(lái)。作為該項(xiàng)目的骨干企業(yè)，中國(guó)航天科工二院在項(xiàng)目執(zhí)行中，打破了國(guó)外技術(shù)壁壘，形成了一系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，滿足了高精尖航天復(fù)雜型號(hào)產(chǎn)品研發(fā)的指標(biāo)需求。這種高性能碳纖維在國(guó)務(wù)院印發(fā)的關(guān)于《中國(guó)制造2025》的通知中提出的高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備等10個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，將有力助推“中國(guó)制造2025”。

回收再利用迫在眉睫

2015年1月1日起被稱為“史上最嚴(yán)”的新《環(huán)保法》施行，2017環(huán)保督察及政策持續(xù)加碼，2018年1月1日起我國(guó)第一部專門體現(xiàn)“綠色稅制”的單行稅法——《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)稅法》施行，工業(yè)領(lǐng)域環(huán)保壓力驟增，一大批中小企業(yè)因環(huán)保不達(dá)標(biāo)被停產(chǎn)甚至關(guān)閉?！笆濉逼陂g，走綠色化背景下的可持續(xù)發(fā)展之路，成為復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展理念，研究和發(fā)展復(fù)合材料的回收和再利用已成為我國(guó)乃至全世界所面臨的緊迫問(wèn)題。

復(fù)合材料制品廢棄物回收再利用技術(shù)的研究成為最近幾年歐美國(guó)家的研發(fā)重點(diǎn)。力連思公司發(fā)行的最新版用戶手冊(cè)介紹了熱固性玻纖復(fù)合材料的回收新方法。這種新方法被稱為Co-Processing，是將廢棄的復(fù)合材料產(chǎn)品再度研磨之后，重新投入，用于生產(chǎn)水泥。一方面可以作為一種生產(chǎn)替代原材料，另一方面可以作為一種能量來(lái)源，減少燃煤、油氣等化石能源的消耗，通過(guò)這兩條途經(jīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品的節(jié)能減排。力聯(lián)思預(yù)計(jì)，在這種新工藝中，玻纖復(fù)合材料再生研磨料可占到原材料總重的75%，從而顯著降低碳排放，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

雖然現(xiàn)在碳纖維回收已成為可能，但通常使用高溫回收技術(shù)或化學(xué)品進(jìn)行研磨或分解，后者難以安全處理。此外，還存在碳纖維線本身可能在該過(guò)程中被損壞，加上用于將它們層疊在一起的聚合物樹脂不能回收等問(wèn)題。美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的科學(xué)家們研發(fā)了一個(gè)沒(méi)有這些缺點(diǎn)的新工藝。新工藝的原理是將碳纖維廢料浸入由“弱酸”和液態(tài)乙醇組成的溶液中，當(dāng)混合物加熱到200℃時(shí)，乙醇使樹脂膨脹。這允許“弱酸”進(jìn)入其中，破壞碳—氮鍵。隨后其分解成液體，釋放用于回收和隨后再利用的碳纖維線。樹脂也可以回收再利用。新工藝使碳纖維回收變得更環(huán)保、更高效。

從國(guó)內(nèi)情況看，由于產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，使用壽命短，國(guó)內(nèi)有數(shù)千萬(wàn)噸的復(fù)合材料制品等待或即將被處理，這是復(fù)合材料行業(yè)面臨的新挑戰(zhàn)。面對(duì)新挑戰(zhàn)，國(guó)家對(duì)復(fù)合材料的回收再利用提供了政策法規(guī)上的支持，《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提到，實(shí)施循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動(dòng)，推動(dòng)新品種廢棄物的回收利用，開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的廢棄物回收利用體系示范。到2020年，力爭(zhēng)當(dāng)年替代原生資源13億噸，資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模達(dá)到3萬(wàn)億元；《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》明確，促進(jìn)資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級(jí)，促進(jìn)資源再生利用企業(yè)集聚化、園區(qū)化、區(qū)域協(xié)同化布局，提升再生資源利用行業(yè)清潔化、高值化水平。推動(dòng)太陽(yáng)能光伏組件、碳纖維材料、生物基纖維、復(fù)合材料和節(jié)能燈等新品種廢棄物的回收利用。到2020年，再生資源回收利用產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到1.5萬(wàn)億元，再制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過(guò)1000億元。復(fù)合材料的回收再利用問(wèn)題也越來(lái)越受到行業(yè)和企業(yè)的重視，SAMPE學(xué)會(huì)中國(guó)大陸分會(huì)、中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)及上海交通大學(xué)等行業(yè)協(xié)會(huì)、科研單位，積極組織相關(guān)企業(yè)在環(huán)保技術(shù)及政策、環(huán)保設(shè)備、國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料回收再利用技術(shù)等方面進(jìn)行分享交流。

相關(guān)專業(yè)人士表示，隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的增加，其污染問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，面臨的風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加，因此復(fù)合材料的回收再利用已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。在國(guó)家、行業(yè)協(xié)會(huì)及行業(yè)企業(yè)越來(lái)越重視的當(dāng)下，復(fù)合材料的回收再利用將加快發(fā)展步伐。