探索合成树脂的未来：高性能材料与车用非金属材料的创新方向

合成树脂，这一产量与消费量均位居前列的合成材料，已然成为我们日常生活中不可或缺的一部分。经过数十年的发展与积累，我国已然跃升为全球合成树脂生产和消费的领头羊。然而，在科技革命与产业变革浪潮的冲击下，能源结构的转型也带来了新的挑战。目前，我国合成树脂产业面临着高端产品自给率不足、产能过剩、核心技术欠缺以及产品质量难以满足高端市场需求等重重困境。那么，合成树脂产业的未来技术发展方向究竟在何方？接下来，本文将为您一探究竟。

高性能工程塑料：创新分子链结构，展现卓越性能
中国工程院院士蹇锡高指出，材料是时代发展的标志，人类历史上的每一次跃升都伴随着材料科技的革新。从石器时代到如今的复合材料和功能材料时代，材料科技一直引领着人类文明的进步。其中，高分子材料以其历史短暂、发展迅猛和应用广泛的特性，成为了现代人类生活中不可或缺的一部分。

在众多高分子材料中，高性能工程塑料以其独特性质脱颖而出。这类材料在高温环境下仍能保持高强度、高韧性、高绝缘性和耐辐照性等出色性能，是航空航天、舰船、核能、电子电器等高技术领域和国防军工行业不可或缺的关键材料。然而，长期以来，高性能工程塑料的市场一直被西方发达国家所垄断，对我国的相关领域发展构成了挑战。

蹇锡高院士进一步解释道，传统高性能工程塑料的主要结构以芳环或芳杂环为主，其耐热性与溶解性呈反比关系。耐热性越高，溶解性越差，这无疑增加了其合成难度和成本，同时也限制了其某些领域的应用。因此，我们需要通过创新分子链结构，来突破这一技术瓶颈，开发出更适合我国需求的高性能工程塑料。
已经商业化的高性能工程塑料主要包括聚芳醚、聚芳酰胺、聚芳酰亚胺和聚芳酯等。目前尚在研发阶段的有聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯基三嗪和聚吡咙等新型芳杂环聚合物，但它们尚未实现规模化生产。

科学界和工业界对开发兼具耐高温和可溶解性的新品种表现出浓厚兴趣，以期实现高性能、低成本和可控制备的目标。蹇锡高院士团队致力于结构创新，针对聚芳醚溶解性差的问题，通过引入扭曲非共平面结构来改善其溶解性。同时，他们还探索了工艺创新，解决传统工艺中高分子量聚芳醚难以制备的技术难题。最终，团队成功创制出既耐高温又可溶解、综合性能优异的新型高分子量聚芳醚高性能树脂。

其中，PPESK系列聚合物以其独特的含二氮杂萘酮结构，展现出高达250摄氏度的使用温度，热变形温度比PEEK高出100摄氏度，且在250摄氏度时的拉伸强度是PEEK的2.5倍多。而第二代产品PPENSK系列则进一步将使用温度提升至300摄氏度，其耐热性、阻燃性和机械强度均显著提高，且可通过氰基进行交联或功能化改性，从而扩展了其应用领域。

这些新型高性能树脂不仅成本低（相当于PEEK的50%~70%），性能高（耐热等级高，综合性能优异），而且结构、性能易于调控，加工方式也多样化。它们可广泛应用于结构件、功能膜、漆和涂料等多个领域。

基于大量实验，蹇锡高院士团队得出“全芳环非共平面扭曲的分子链结构可赋予聚合物既耐高温又可溶解的优异综合性能”的重要结论。这一结论不仅指导了团队成功研制出含二氮杂萘酮联苯结构的新单体，还进一步推动了新型聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺和聚芳酯等系列高性能树脂的开发。目前，团队已建立起独具特色的高分子聚合物体系。
杂萘联苯高性能树脂经过深加工后，可以广泛应用于各类高科技领域。例如，它可用于制造在250摄氏度和2500伏电压下工作的油田柔性加热电缆，以及新能源领域所需的阴离子交换膜。此外，该树脂还可用于处理染料废水的超滤膜和低压反渗透海水淡化膜的制备。同时，由这种树脂制备的玻纤增强树脂基复合材料，在汽车领域可替代PEEK等传统材料。另外，耐磨自润滑复合材料已成功应用于航空航天高速止推轴承、核主泵动压滑动轴承瓦面以及高铁风源压缩机涡旋动涡卷等关键部件。

在汽车领域，非金属材料的应用日益广泛。中国汽车技术研究中心有限公司首席专家孟宪明指出，新能源汽车的“三电”系统和大量智能化设备增加了整车质量，而轻量化是节能减排的现实途径。非金属材料具有轻量化、耐腐蚀和可创新设计的优势，同时加工过程废料少、可回收，有助于减轻环境负担。

碳纤维复合材料是一种优秀的轻量化材料，在相同性能指标下能有效减轻汽车整备质量。其优良的可设计性还有利于未来汽车结构开发的模块化和平台化。某国产品牌原型车通过全车24处碳纤维复合材料的应用，共减重超500千克。另一品牌汽车则采用超级碳舱设计，在减轻整车重量的同时确保乘员舱安全。

此外，以PP（聚丙烯）+GF（玻璃纤维）为代表的玻璃纤维复合材料，在汽车覆盖件及框架结构件中已得到广泛应用。同时，玻纤增强型复合材料板簧在驾驶平稳性与NVH行为方面也表现出更突出的功能优势。某国外品牌汽车悬架采用玻纤/PU复合材料横置板簧，相比螺旋弹簧阵列减重约4.5千克；而纵置复合材料板簧则可使货车悬挂系统减重超过100千克。
某国外品牌电动皮卡软顶面板的全铝框架，被玻纤/矿物增强尼龙6和回收聚合物巧妙替换，从而成功减轻了车顶重量1.8千克。另一国外品牌越野车的车顶，则采用了铝合金框架与玻纤/PU+蜂窝夹芯+玻纤/PU三明治结构顶棚复合材料，使得车顶重量仅达到4.5千克/平方米。这种轻量化设计不仅降低了对热能的需求，还提供了卓越的稳定性和耐压强度。

展望未来，车用非金属材料的发展趋势主要体现在三个方面。首先是核心能源材料的需求，如固态电池所需的复合负极材料、复合正极材料以及稳定的电解质材料。其次是新型复合材料的应用，随着出行方式的变革，汽车构型逐渐向平台化、集成化和立体化发展，这进一步推动了轻量化和智能化用材的需求。最后是功能化材料的创新，以满足智能座驾、智能外观等日益增长的用户需求，通过科技赋能来开辟新的应用场景。

聚烯烃树脂作为重要的基础材料，其高性能化技术正日益受到关注。链结构调控技术、特种催化剂技术以及相结构调控技术等的发展，使得聚烯烃树脂在包装、家居、汽车等多个领域的应用得到了进一步拓展。然而，循环回收利用和性能拓展仍将是聚烯烃树脂面临的重要挑战。
相结构调控技术，通过精准调控聚丙烯中分散相的含量、包藏结构、形态和尺寸，实现了对产品物理性能的精细调控，如超高抗冲、抗冲透明、耐应力发白、低收缩和高柔韧性等，从而提升了产品的附加值。这是聚丙烯制备技术的重要突破，中国石化已成功制备出多种高性能聚丙烯产品，如透明抗冲聚丙烯、高光泽抗冲聚丙烯、低收缩聚丙烯和软质聚丙烯等。

聚丁烯-1，被誉为“塑料黄金”，在国内年进口量稳定在2.5万至3万吨之间，主要来源于利安德巴塞尔工业公司。它广泛应用于地暖管材、易揭膜等领域，同时也有少量用于聚烯烃改性和胶黏剂。中国石化采用先进的均相本体聚合工艺和高活性高立构定向性催化剂体系，生产出均聚及无规共聚聚丁烯-1产品，并研发了多项关键技术，如聚合物深度静态脱挥和聚合单体循环回用等。

此外，中国石化还利用聚烯烃接枝改性技术，成功生产出适用于大容量输电的聚丙烯树脂。同时，聚烯烃弹性体（POE）和混合烯烃制微球聚合物等烯烃下游高性能合成材料也是研发重点。

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）作为分子量超过100万的聚乙烯，具有出色的耐磨性能，是碳钢的7倍、铜的27倍、尼龙66的4倍。其抗冲击强度也位居塑料材料之首，是尼龙的7倍、ABS的5倍、聚甲醛的10倍。此外，UHMWPE树脂还具有低摩擦系数，与聚四氟乙烯相当，且加工性能优越。全球UHMWPE树脂总产能约为43万吨/年，其中我国产能约占一半。近年来，我国UHMWPE树脂的净进口量呈增长趋势，市场前景广阔。
国内对UHMWPE树脂的投资热情持续高涨，目前已有14个规划在建项目，总产能预计将达到75万吨/年。预计在2024至2028年间，我国将有62万吨/年的新建产能投产。

过去五年里，全球UHMWPE树脂需求增长迅猛，尤其是新能源汽车等终端应用的快速发展，推动了其2018至2023年间年均13.1%的增长率。2023年，全球UHMWPE树脂消费量为39.7万吨，较上年增长6.4%，其中我国以21.5万吨的需求量位居全球首位。

随着树脂解缠结聚合技术与功能化改性技术的进步，以及下游相关制品加工工艺的升级，UHMWPE树脂的应用领域正在不断拓宽。然而，我国在锂电池隔膜领域对UHMWPE树脂的需求超出了自主供应能力，超过半数的隔膜料仍需进口。尽管如此，我国新能源汽车市场蓬勃发展，锂电池隔膜出货量及产值均位居全球前列。

此外，UHMWPE树脂在板材、异型材与棒材领域也发挥着重要作用，主要用于制作齿轮、滑动座、轴承衬垫等高强度零部件。同时，“以塑代钢”的理念使得UHMWPE树脂在桥梁垫片、海洋浮标、钢塑管道等方面得到广泛应用。其注塑生产的异型零部件市场潜力巨大，与尼龙材料相比具有显著的优势。

在纤维领域，UHMWPE树脂同样表现出色，其产品如防弹衣、高性能系泊缆等在军事和工业领域发挥着关键作用。目前，国内纤维用UHMWPE树脂原料的国产化率已超过80%。
UHMWPE纤维，作为三大高性能纤维之一，在现代防护材料领域占据首选地位，其军民两用前景十分广阔。近年来，为促进超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的研发与应用，国家和地方相继出台了一系列产业支持政策。

目前，全球UHMWPE纤维的年产能为6.7万吨，其中我国产能达到4.5万吨，稳居全球首位。然而，高端产品技术仍被美国埃万特、美国霍尼韦尔和日本东洋纺等公司所垄断。为打破这一局面，我国多家企业正在积极规划扩充产能，预计未来五年内将新增4.8万吨的年产能力。

随着全球对高强度、高性能UHMWPE纤维需求的稳步增长，2023年全球需求量达到5.47万吨，我国需求量为3.38万吨，占比超过六成。展望未来，UHMWPE纤维的发展趋势将围绕高强度、功能型和低成本三个方面展开。

此外，工业管材领域也是UHMWPE纤维的重要消费领域之一。2023年，该领域的消费量为1.2万余吨，占比约为6%，主要用于石油化工、煤炭、采矿、电力等重工业的流体输送。虽然应用增速相对较慢，但市场需求依然稳定。

另一方面，滤材及人工关节等领域的UHMWPE纤维应用也备受关注。尽管这些领域的应用市场发展相对较慢，但由于研发难度较高，因此也孕育着巨大的市场潜力。