九问合成材料
中国石油和化学工业联合会副会长 傅向升
合成树脂属于高分子材料,是汽车、建筑、轨道交通以及新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、航空航天等战略新兴产业发展急需的重要配套材料和重要保障,是科技发展和社会进步的重要支撑。百年未有之大变局加速演进,新一轮科技革命和产业变革持续递进,产业链、供应链重构正在加速,高分子材料及其技术越来越成为国际竞争的焦点。十几年来,我国一直稳居石化大国的地位,化工销售额的世界占比高于40%,全球市场影响力日益凸显。论规模,高分子材料也是稳居世界首位,但高性能树脂和高端材料一直是短板和弱项。具体表现为通用合成材料,特别是通用合成树脂(如五大通用塑料及聚酯)都处于过剩状态;而高性能材料,如五大工程塑料和特种工程塑料,芳纶、碳纤维、高档尼龙等高性能纤维以及高性能膜材料等主要依赖进口,个别的高端产品还存在“卡脖子”问题。
一问:我国合成树脂行业现状如何?
20世纪初,美国化学家人工合成了酚醛树脂,开启了合成高分子材料的序幕。后来科学家们又陆续研发成功合成橡胶、尼龙66、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、聚氯乙烯等多种合成高分子材料。20世纪50年代,齐格勒-纳塔催化剂的创新和应用,实现了乙烯在常温常压下定向聚合。这种催化剂工艺简单、生产成本低,使得聚烯烃快速工业化和大型化,加速了高分子合成材料工业的发展,而高分子材料以通用合成材料为基础。根据世界塑料制造商协会的统计,亚洲塑料的产量占全球总产量的51%,北美占19%,欧盟占16%,其他地区占14%。据预测,2015年至2025年全球塑料消费量将增加50%,近十年塑料的全球生产与消费增速超过任何材料。可见,塑料工业是一个发展潜力十足的行业。
中国合成树脂产能产量和消费量多年来一直稳居世界第一位。据国家统计局和中国石油和化学工业联合会发布的最新《产能预警报告》数据显示,2022年,中国合成树脂产量接近1.14亿吨,进口量2958万吨,表观消费量1.3亿吨。其中聚乙烯产能2981万吨/年,产量2631.6万吨,进口量1346.7万吨,表观消费量3806.1万吨;聚丙烯产能3496万吨/年,产量2965.5万吨,进口量451.1万吨,表观消费量3280.9万吨;聚氯乙烯产能2642万吨/年,产量2197万吨,进口量36.2万吨,表观消费量2036.7万吨;聚苯乙烯产能525万吨/年,产量355万吨,进口量88.9万吨,表观消费量432.1万吨;丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)产能525.5万吨/年,产量431万吨,进口量137万吨,表观消费量559.9万吨;聚碳酸酯产能320万吨/年,产量178万吨,进口量138.6万吨,表观消费量250万吨;乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)产能215万吨/年,产量173.8万吨,进口量120.2万吨,表观消费量282.4万吨;尼龙66切片产能611万吨/年,产量427.3万吨,进口量19.9万吨,表观消费量409万吨;茂金属聚烯烃产能220万吨/年,产量30万吨,进口量210万吨,表观消费量240万吨。
二问:塑料工业走过百年历程后,当前合成树脂行业呈现出哪些新的趋势?
一是上游原料轻质化。这一趋势由北美和海湾地区发起,“十三五”以来快速向欧、亚等主要经济体推进。其典型代表是以轻烃为原料制烯烃,即丙烷脱氢制丙烯和乙烷裂解制乙烯,其代表区域是北美、海湾地区和东北亚的中国。北美得益于页岩气革命的成功,页岩气富含轻烃中的乙烷,乙烷分离以后经裂解制乙烯,与传统的石脑油裂解工艺相比,流程最短、成本最低,也是最清洁的工艺。海湾地区得益于石油伴生气资源丰富,大量的乙烷和丙烷经分离以后,分别经裂解和脱氢制取乙烯和丙烯,与传统的石脑油裂解相比,其竞争力更胜一筹。所以近10年来全球烯烃原料的轻质化转型呈现加速态势,到2020年世界以轻烃为原料的乙烯占总产能的53.5%,其中乙烷裂解占40.3%。中国也及时跟进这一转型趋势和步伐,乙烷裂解制乙烯也被众多国内企业关注,并列入拟建和扩建范畴,但后来因资源制约,只有中石油巴州和长庆的2套装置列入试点示范,目前已建成投产的只有中石油、新浦化学、万华化学、卫星化学等企业的7套装置,以乙烷或混合轻烃为原料制乙烯产能618万吨/年,约占我国乙烯总产能的13.2%。丙烷等轻烃为原料脱氢制丙烯装置快速建设,已建成丙烷及碳三碳四混合轻烃制丙烯装置34套,共计产能1602.6万吨/年,占我国丙烯总产能的34.9%。其中2022年投产的17套丙烯装置中有8套为丙烷脱氢装置,产能占去年新增产能601万吨/年的62%以上。今年以来又建成投产4套丙烷脱氢装置,新增产能252万吨/年。总体来看,国内烯烃原料轻质化转型已得到业界同仁的高度关注。下一步,在科学论证轻烃来源、供应链安全以及经济竞争力的前提下,应慎重决策以轻烃为原料的烯烃装置建设。
二是通用材料的高性能化。通用材料与高性能材料之间并不存在截然不同的分界线,聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等通用合成材料也可以通过改性和合金化实现高端化和高性能化。这些普通的合成材料通过改性以后,使用性能在某些应用领域可以替代尼龙、聚甲醛等工程塑料。聚氯乙烯经过改性不仅可以制成高端仿实木地板大量出口,而且功能性改性以后还可以应用于高铁等高端制造领域。有些普通聚烯烃采用新的催化剂和聚合技术,其产品性能和应用领域可以实现高端化。茂金属聚烯烃就是其中的典型代表,茂金属聚合的弹性体不仅可以替代聚氨酯新材料,还可以替代某些工程塑料。疫情期间新冠疫苗需要一种叫“特卫强”的特种包装纸,这是一种化工材料做成的包装膜,当时该包装膜只有杜邦能生产,有人问我国内能不能找到该材料?我请教了北京化工研究院的梁爱民副院长。他说这是一种高强度、高渗透的高密度聚乙烯材料,首先在高温下喷成极细的纤维,经多层黏合成低粉渣的复合材料。这种材料抗乙二醇、酒精等灭活剂,透水但不透蛋白质等大分子,确实只有杜邦生产。
三是合成材料的功能化。新世纪以来合成材料的功能化是发达国家和跨国公司创新与战略转型的重点,如汽车保险杠自修复材料,在现有聚氨酯(PU)材料中加了微胶囊,一旦碰裂微胶囊就自行修复,保险杠也恢复如初。瓦克的医用有机硅新材料用于创可贴,有透气、不粘连、伤口易愈合的特点,电动汽车显示屏用有机硅改性新材料大大改善强光照射下的显示效果。曾有报道称加利福尼亚大学发明了一种具有自愈功能的新型聚合物,是一种可拉伸聚合物与离子盐制成的新材料,可用于智能手机屏幕和电池;还有报道称美国科罗拉多大学研究出一种无需制冷剂、无需电力就可以为建筑物降温,冷却效果强、成本低的降温薄膜材料,每平方米约50美分。这种透明薄膜的商品名聚甲基戊烯(TPX),加工成约50微米厚。一栋普通房子的屋顶铺设20平方米这种薄膜,室外温度37℃时,室内温度可以保持在20℃。
三问:化工新材料既是强国的代表又是大国竞争的焦点,我国化工新材料现状如何?
化工新材料,以工程塑料、特种工程塑料、高性能纤维、高端膜材料为代表,主要包括高端聚烯烃、工程塑料、聚氨酯材料、氟硅材料、特种合成橡胶和热塑性弹性体、高性能纤维及其复合材料、功能性膜材料、电子化学品、生物基材料等。高性能材料和高端树脂一般称化工新材料,与通用材料相比具有技术门槛高、性能优异、功能性强、附加值高等特点,亦成为大国博弈的焦点和区域竞争的热点领域。
首先,近年来化工新材料创新发展取得了明显进步。“十三五”以来,我国化工新材料相继在技术和产业化上取得突破,自主配套能力持续提升。据中国石油和化学工业联合会新材料专委会统计,2022年我国化工新材料产能达到4500万吨/年,产量约3323万吨,销售收入高于1.3万亿元,消费量约4136万吨,自给率达80.3%。技术突破并实现产业化的代表性产品有高端聚烯烃中的超高相对分子质量聚乙烯树脂、茂金属聚丙烯、光伏用和高熔指热熔胶EVA树脂以及双向拉伸和锂电池隔膜用及高流动、高抗冲、低挥发等聚烯烃专用料;工程塑料的聚碳酸酯、PMMA、聚苯醚、尼龙12等;特种工程塑料的聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜等技术上长期难以突破的产品;高性能纤维的碳纤维、聚酰亚胺纤维、超高分子质量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维等几大高性能纤维及其复合材料都相继取得突破和产业化等。
其次,我们还要看到我国化工新材料领域始终还是我国石化产业的短板。不少产品依赖进口,如工程塑料、功能性膜材料和电子化学品的总体自给率接近80%,而高端聚烯烃、高性能纤维的自给率却不到60%,液晶显示材料、光刻胶等高端产品的自给率更是只有5%~6%。特别是以聚烯烃通用树脂为主,种类同质化、型号同质化严重,高端化、差异化、专用型和功能性严重不足。特种工程塑料的技术制约更加严重,工程化、产业化差距明显,中低端产品居多,高性能产品短缺。电子化学品中超高超纯光刻胶、高纯磷烷以及高精度抛光垫材料长期依赖进口,还有高性能氟树脂、氟橡胶等也是严重依赖进口。另一类就是像茂金属催化剂、高碳ɑ-烯烃、己二腈等关键单体和材料都长期难以突破关键技术,血液透析等医用高端功能性膜材料也是长期难以突破关键技术。
四问:未来化工新材料创新发展的重点在哪里?
“十四五”期间,化工新材料创新发展的重点在高端化、差异化创新突破。在此期间,产业结构上取得重大进展,化工新材料整体自给率超过75%,产能布局更趋合理,园区化、集约化发展水平进一步提升,形成10个左右产值超百亿元的化工新材料产业园;企业结构调整取得重大进展,培育一批像万华化学、新和成、东岳、泰和新材、华峰、巨化、金发科技等具有引领作用的化工新材料领军企业;创新能力显著增强,自主创新和原始创新能力明显提升,产学研协同创新体系日臻完善,建成一批条件和队伍均世界一流的创新平台;重点突破一批“卡脖子”关键核心技术,抢占一批科技创新制高点,化工新材料品种系列化、高端化、差异化取得明显成效。
目前,化工新材料创新发展的重点应聚焦在差距更加明显的产品:如茂金属高端聚烯烃、长碳链尼龙和芳香族尼龙、EVA、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚烯烃弹性体(POE)等。EVOH薄膜阻隔性能优异,尤其是阻氧阻湿性能,其阻隔性能比尼龙膜高上百倍,比聚乙烯、聚丙烯膜高上万倍,比常用的聚偏二氯乙烯(PVDC)包装膜也高数十倍,三菱化学便将含EVOH膜用于葡萄酒和牛奶的包装。EVA膜因为其优异的封装性能、良好的耐老化性能和低廉的价格,是目前太阳能电池封装用最普遍的胶膜,占了光伏市场的半壁江山。但目前我国高醋酸乙烯含量的EVA受技术限制严重不足。这几个产品均因为技术瓶颈尚未大规模工业化,而高端产品供应不足,虽然拟建和规划建设的产能很大,但自有技术大规模产业化还需要攻关。电动汽车锂离子电池用隔膜原料受限突出。因为锂电隔膜不但技术门槛高,而且安全保障要求更高,如果隔膜破损造成电池短路,容易出现重大事故,造成难以挽回的损失。目前锂电隔膜的主要材料是聚乙烯、聚丙烯,制膜过程分湿法工艺和干法工艺,干法工艺所用原料均聚聚丙烯占96%、抗冲共聚聚丙烯占4%,而湿法工艺所用原料是超高相对分子质量聚乙烯占98%、高密度聚乙烯占2%。我国新能源汽车全球产量遥遥领先,所以我国锂电隔膜产量也占世界市场的40%以上(韩28%、日21%、美6%等),但锂电隔膜用原料主要以进口料为主。这是因为国产聚烯烃做的基膜透气性波动大、产品质量不稳定,用国内隔膜做原料成本较高。目前正在研发的新材料隔膜有聚偏氟乙烯、间位芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺等。
五问:一段时期以来,生物基和生物可降解材料受到国际国内的高度关注,自禁(限)塑政策出台以来,生物可降解材料一度出现过热现象,那么生物基和生物可降解材料现状如何?
生物基和可降解材料是近年来全球研发的重点,美国、德国、日本、英国、荷兰、巴西等国家和一些生物资源丰富的地区,都高度重视并加快生物基材料的研发、产业化和应用。当前石化产品和材料生产正在加快由石油天然气煤炭等化石资源为原料向生物质资源为原料转型,由生产石化产品和材料的工艺过程向生物技术转型。据经济合作与发展组织(OECD)预测,未来10年20%以上的石化产品可由生物基产品替代,而目前的替代率不到5%,缺口约6000亿美元;到2030年全球生物基化工产品占比有望达到35%。美国《生物质技术路线图》显示,2030年生物基化学品将替代25%的有机化学品和20%的石油燃料。欧盟《工业生物技术远景规划》也预测,2030年生物基原料将替代6%~12%的化工原料,30%~60%的精细化学品将由生物基获得。欧洲塑料工业协会最近表示,2022年全球生物及塑料产量达190万吨,其中生物基环氧树脂占27%,生物基聚乙烯和聚乳酸均占16%,生物基聚酰胺占9%。欧盟去年生物基塑料产量40万吨,从产品结构来看,生物聚丙烯占欧盟生物塑料产量的24%,生物基聚乙烯占18%,己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯共聚物(PBAT)占15%,生物基环氧树脂占9%。
由上可见,生物基和可降解材料确实得到国际国内的高度重视,多项技术和多个产品创新突破都在加速。我从与跨国公司的互访和交流中了解到很多生物基和可降解材料的情况。我带队访问三菱公司时,看到了他们开发成功的生物基聚碳酸酯工程塑料,用异山梨醇代替双酚A,其透明性、光学性能、高耐磨性及抗冲击性能都优于双酚A型聚碳酸酯,已做成汽车全景天窗,未来不仅用于汽车、能源,还将用于光学、电子仪器、装饰装修等。三菱化学的可降解食品包装膜空气阻隔性能好、保鲜时间长,外观既可以像高档纸用于奶制品包装,也可以像玻璃瓶用于葡萄酒盛装。我访问LG化学创新中心时,了解到他们正在研发生物基化学品和新材料,与帝斯曼、阿科玛、赢创等公司交流中也了解到他们研发的生物基丁二酸以及生物基长碳链尼龙等。大家熟悉的燃料乙醇,以及生物乙醇脱水制乙烯,进而获得有机化学品和聚乙烯等聚合物;最近有报道美国的生物技术公司和化学品制造商与鲁姆斯合作,正在开发乙醇脱水制丙烯和全生物基聚丙烯技术,拟议中的建设规模150万吨/年,韩国LG公司和巴西布拉斯科公司也都在研发生物质乙醇脱水制丙烯和聚丙烯的技术,目前看技术基本成熟,只是成本问题有待验证。为应对禁(限)塑令近几年大热的生物可降解材料聚乳酸、聚烷基酸酯等,还有生物法丁二酸、丙二醇、丁二醇、戊二胺以及生物基尼龙、生物基聚酯、生物基聚碳酸酯等等。巴斯夫宣布获得生物基1,4-丁二醇(BDO)技术,下一步将扩大生物基BDO及其衍生物(四氢呋喃、聚四氢呋喃等)供应;美国Genomatica、意大利Nonamont、日本三菱化学和东丽、中国辽宁金发生物等都已建立了生物基BDO装置。其中,最典型、最具代表性,技术工艺最成熟、市场竞争力最好的是杜邦的生物法丙二醇。杜邦的生物法1,3-丙二醇,产品质量、能耗都优于化学合成工艺,其性能和成本的市场竞争力也更强,不但用于生产聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纤维,而且已在服装、住宅地板、运动用品等方面应用,尤其适用于化妆品等精细和高端领域。生物法聚丙烯酰胺也是少有的生物法工艺优于化学合成法的一个代表性产品,当前生物法获得医药和农药产品更多一些。我在国内调研过程中也看到了国内很多企业在生物基化学品和可降解材料方面取得的创新成果和产业化装置,如海正生化的聚乳酸生产装置、凯赛科技在济宁新材料工业园的尼龙56产业化装置,工作中也与丰原集团就创新与产业化作过交流。传统石化领域的生物化转型,将是未来一个重要方向。
六问:生物基和生物可降解材料国际国内都在加大创新、加快产业化,很多人也都在大谈生物基和生物可降解有许多优点,以后所有石化产品和化学合成材料都将被生物基取代吗?
我认为不可能。生物基化学品和生物可降解材料确实有很多优点,特别是在贯彻“双碳”战略、减碳低碳和可循环方面比化石资源有优势。但是,我们一定要看到生物基化学品和生物基材料也存在一些制约瓶颈。
第一个瓶颈是生物基和可降解材料的产业化受技术与创新的制约,生物可降解材料的加工性能、使用性能等都有待提升和改善。再就是关键核心技术受限,如拟上和规划建设聚乳酸生产装置的企业不少,但是掌握关键单体丙交酯产业化技术的单位却很少。第二个瓶颈是目前生物基化学品和可降解材料在经济上具有竞争力的产品不多,如果没有政策性的补贴和支持,恐怕很难在市场竞争中平稳可持续发展。第三个瓶颈更加凸显,就是生物基化学品和可降解材料原料的制约,生物基化学品和可降解材料目前大多以粮食、甘蔗和淀粉为原料,若能实现以植物废弃秸秆等可再生资源为原料,前景无限。但目前以秸秆等废弃可再生资源为原料,其技术和经济性都不过关;如果全部以粮食和淀粉为原料大量生产化学品和可降解材料,则不符合我国国情。我们与美国大量种植转基因玉米和巴西盛产甘蔗不同,在耕地少、人口多的中国,我国粮食产量为6.5亿吨,保粮食安全没有大的问题,若以粮食为原料生产3000万吨化学品和可降解材料,则要消耗掉粮食总产量的1/6,势必存在与人争粮和与粮争地的现实问题。第四个瓶颈是可降解材料只能部分代替化石原料的合成材料,因为可降解材料的加工与使用性能不可能全部代替现有合成材料。如汽车、电器及高端制造等领域所用的合成材料及其改性和复合材料,没有必要全部由可降解材料替代。可降解材料在一次性包装、地膜覆盖等领域有着较好的应用前景,但并非适合所有应用合成材料的领域和场景。
七问:消除塑料污染和废弃塑料资源化利用是国际国内高度关注和正在实施行动的重要内容吗?
党的二十大指出,中国式现代化是人与自然和谐共生的现代化。并特别强调推动经济社会发展绿色化、低碳化是实现高质量发展的关键环节。实施全面节约战略,推进各类资源节约集约利用,加快构建废弃物循环利用体系。
消除塑料污染确实受到国际社会的普遍关注。这也是塑料行业当务之急和塑料工业创新发展面临的严峻挑战。塑料自诞生百年来,共生产了约90亿吨。由于废弃塑料大量增加,已对生态环境造成严重污染,尤其是对海洋生态造成的污染日益严峻,引起国际社会的普遍关注。据经济合作与发展组织2022年发布的《全球塑料展望:经济驱动、环境影响和政策选择》报告,2000年至2019年的20年,全球塑料从2.34亿吨/年增加到4.6亿吨/年,增幅96.6%;塑料垃圾则从1.56亿吨/年增加到3.53亿吨/年,增幅高达126.3%;2019年全球约3.5亿吨废塑料中只有9%被再次利用,其余的约19%被焚烧、50%被填埋、22%被丢弃,消除塑料污染的呼声和行动越来越被重视。2022年1月,欧盟更新了《包装和包装废弃物指令》,要求到2030年欧盟市场上所有塑料包装中要含有不低于30%的回收塑料,到2040年提高到65%。2021年11月,美国环境保护局发布的2030年废塑料回收利用率目标达到50%。澳大利亚《国家塑料计划2021》中明确,2025年塑料包装的再生塑料含量应达到20%。加拿大谋划到2030年某些塑料包装中再生塑料的比例要达到50%。我国于2020年年初,国家发改委和生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》,对规范塑料废弃物回收利用以及“十四五”期间分阶段目标和具体措施都提出了明确要求。去年召开的第五届联合国环境大会上,与会国一致同意以“保护环境和人类健康不受塑料污染,最终消除塑料污染”为目标,从全生命周期的角度,促进塑料可持续设计与无害化管理。今年9月4日联合国出台的《塑料条约零号草案》,涵盖了塑料的生产、产品设计、废弃物管理全生命周期,将直接决定塑料污染公约的具体细节和走向,为今年在内罗毕举办的第三轮政府间谈判提供了指导和支持,包括中国政府在内的世界各主要国家和社会组织、大型企业等都在认真研究,中国石油和化学工业联合会也与世界同行一道以科学的、客观公正的和实事求是的态度研究应对之策。当然,近几年来以多家跨国公司为主发起成立的“终结废弃塑料污染联盟AEPW”,也为消除废弃塑料污染提出过很多思路、方案和措施,做了大量卓有成效的工作。
八问:塑料循环利用有哪些重要途径?对废弃塑料的资源化利用有政策要求吗?
废弃塑料资源化循环利用分物理循环和化学循环。物理循环利用是废弃塑料资源化梯级再利用的现实路径,很多单位、科学家和科技创新人员都在加大创新力度,探索和创新废弃塑料物理循环再利用的方法和方案,瞿金平院士就利用创新的专用设备和加工技术,实现了废弃塑料不用分拣、处理干净以后直接加工、实现资源化再利用。巴斯夫研发成功一种塑料添加剂,该添加剂用于回收后物理再循环的塑料中,其机械性能明显提升,使用寿命延长,用于回收的聚乙烯、聚丙烯塑料中,也循环用于汽车、包装、农膜等领域,目前已应用于欧洲、美洲、中东、亚洲等区域。
废弃塑料的化学循环资源化再利用,是当前国内外高度重视的创新内容,因为化学循环可以实现废弃塑料的高价值化再利用,很多跨国公司和国内企业也都取得了重要的阶段性成果。如有的企业是将废弃塑料用解聚或分解的方法,还原为单体、再次聚合实现化学循环。据我了解,最早的杜邦、近年的亨斯迈、中石化石科院等都已掌握利用“甲醇分解技术”将废聚酯PET饮料瓶分解成对苯二甲酸甲酯和乙二醇单体,然后重新合成新的PET树脂,实现闭环化学循环;也有的是将废弃塑料气化为合成气或热解为油品、再合成化学品及其聚合物,如巴斯夫正在研发的热化学裂解工艺,把废塑料热裂解为油品或合成气,热裂解获得的油品在路德维希港一体化基地替代化石原料,经裂解获得的烯烃进一步生产各种化学品或聚合物,其品质可达到食品级,用于奶酪包装、透明冰箱组件、保温隔热材料以及奔驰汽车的车门把手。伊斯曼通过聚酯再生技术实现一系列聚酯塑料废弃物的化学回收,与传统工艺相比可减少20%~30%的温室气体排放;日本神钢环境利用流化床气化炉,把低纯度、不易循环利用的废旧塑料气化,获得的合成气制取甲醇。这种方法每处理6万吨废塑料,可综合减少10万吨二氧化碳排放。中石化石科院、航天科工等也都取得了塑料循环利用的阶段性成果。
前面谈到了欧盟、美国、加拿大等对回收塑料的循环利用都提出了添加比例的目标要求,我国《关于进一步加强塑料污染治理的意见》也对规范塑料废弃物回收利用提出了要求。特别是国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》在“循环经济助力降碳行动”部分,强调“到2025年,废钢铁、废纸、废塑料、废橡胶等9种主要再生资源循环利用量达到4.5亿吨,到2030年达到5.1亿吨”“加强塑料污染全链条治理”等明确的目标和要求。加大废弃塑料的循环利用量,减少化石资源的消耗量,不仅降低了人类对石油、天然气、煤炭等化石资源的依赖,也减少了温室气体二氧化碳的排放。
我们需要强化对废弃塑料资源化利用的认识,这是解决塑料污染现实而重要的途径。塑料的物理梯级循环利用是目前相对实用的路径。化学循环是实现废塑料高价值资源化利用的重要方法,也是当前化学家和化学工程师们聚焦攻关的重要课题。废弃塑料的化学循环资源化再利用从技术的角度看不是难题,因为化学反应大多都是可逆的,能合成就能分解、能聚合就能解聚。化学家聚合反应得到的高分子聚合物是一定能够通过解聚(或裂解)反应分解。这就是化学反应的基本原理,也是化学家们的专长。目前,该技术不存在障碍,最大的障碍是经济竞争力问题,包括企业的运营成本和再生后的塑料价格是高于还是低于原生塑料的价格。我认为今天看来日益严峻的废弃塑料污染问题终会被解决的,可仅仅有技术方案是不够的,还需要政策的推动与支持、经济竞争力以及人们的共识和全球的行动。
九问:合成材料对碳达峰碳中和有什么贡献吗?
合成材料对人类社会实现碳达峰碳中和有着重要贡献。自塑料诞生100多年来,在众多应用领域实现了以塑代钢、以塑代木等,对降低能耗和保护生态环境都做出了重要贡献。例如合成纤维不仅改善和丰富了人们的日常生活,而且为保护耕地做出了重要贡献;再如改性塑料、高性能复合材料在世界汽车工业、航空工业的大量应用,推动汽车和飞机实现轻量化,对全社会节能降耗都有重要贡献。通过合成材料的应用达到节能降耗和减碳降碳的案例不胜枚举。对于未来贯彻“双碳”目标,以二氧化碳为原料合成高分子材料的创新,是全球高度重视、在研发和技术攻关的一个热点,国内多位科学家和不少研发机构都积累了很多阶段性成果和宝贵的经验。一条路线是二氧化碳与氢合成甲醇、经碳一化工的路线,甲醇制烯烃到合成材料;另一条路线是以二氧化碳为原料直接合成高分子材料。美国的Twelve公司已经实现了二氧化碳和水制得聚丙烯,其聚丙烯的功效和性能与石脑油聚丙烯一样,已与奔驰合作生产出世界上第一个以二氧化碳为原料的汽车零件,并且已与汽车、家居、服装等多个品牌以及宝洁和美国航空航天局达成合作。巴斯夫以二氧化碳为原料与乙烯合成了丙烯酸,进而生产出高吸水性树脂用于婴儿和老年用品。日本制铁利用炼铁高炉或电炉排放的二氧化碳与二元醇反应合成了聚碳酸酯二醇,作为下游聚氨酯的原料,这一创新不仅减少了二氧化碳排放,而且代替了以一氧化碳和光气为原料先制得碳酸二甲酯、再与二元醇反应制取聚碳酸酯二醇的传统工艺,消除了危险性极高的光气法传统工艺,预计2030年产业化。以二氧化碳为原料经生物催化制取丁二酸,获得了生物可降解材料聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的原料,已取得实验室研究成果。以上创新都是以二氧化碳为原料合成新的材料,以二氧化碳为原料合成有机化学品的创新也得到重视,这些创新成果大规模工业化推广以后将直接减少二氧化碳的排放。二氧化碳资源化利用的绿色化学创新正在稳步取得进展和突破,再过15年左右必将为碳中和做出重要贡献。
创新无止境,材料科学的发展无止境。高分子材料自诞生以来为人类文明和社会进步做出了重要贡献,未来将继续为推动技术革命和产业变革做出新的贡献。今天看来,因高分子材料使用过程中造成的问题,一定会随着创新与技术的进步得到妥善解决。人类的未来一定会更加美好。