陶氏化学技术总监:什么样的材料创新才有生命力?
墨子沙龙 纳米人 2019-07-09

来源丨墨子沙龙(ID:MiciusSalon)

作者 | 姚文斌(陶氏化学技术总监)


谢谢陈教授的介绍,我是来自陶氏化学的姚文斌博士。一个月前上海研究院的老师联系我,想让我来做一个关于材料创新和材料未来的讲座,事实上,我心里非常惶恐,因为中科大为化学材料界培养了许多非常优秀的毕业生,我觉得他们比我更适合站在这个舞台上。2012年,汤森路透根据2000年到2010年发表文章的引用率,发布了全球top100的材料科学家的榜单,其中有15位华裔科学家,有7名是中科大校友。排名第一的是大名鼎鼎的杨培东教授,还有夏幼南教授,除此之外9212一个班,就有三个同学名列其中。顺便提一下,我是8612的。

我们这些优秀校友和材料科学家,在世界顶级的研究单位从事研究工作,引领着材料界的发展方向,他们比我更适合站在这个舞台上。因为我是在工业界从事研发工作,所以,后来,研究院的老师希望我从工业界的角度分享材料创新的体会和实践。

我想教授们专注的可能是新材料,新材料的研究,以及未来的应用潜力,而我可能从应用的角度和市场驱动的角度,来分享材料创新,分享我们在材料创新工作中的体会和实践,从另外一个视角提供给大家参考。

化学工业的本质,其实是将原材料通过化学工艺、化学过程,转化为更有价值的材料,这其中会出现排放副产物,危废需要处理。而再处理危废材料产生的代价,一定要低于其创造的价值,这样我们化学工业才有意义。


化学工业的投入量非常巨大


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化学工业的投入量非常巨大,2015年的数据显示,化学企业对研发的投入高达1000亿美金。一般来讲,化学企业有两类,一类是通用化学品,销售额的2-3%用于研发。另一类是特殊化学品,企业研发投入高达销售额的10%。但是这么大的研发投入,从结果来看的话,是让人非常的悲喜交加的,跟医药行业和航空业相比,对新材料的投入和产出,需要花的时间更长,整个销售额的成长更缓慢。医药一般来说十年销售达到峰值,航空业可能更快,但是新材料的投入,销售额达到峰值要15年以上,这是麦肯锡在2012年的一个报告。


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举一个例子,PVC管材,大家如果在国内装修自己的房子可能会用到这个材料。第一根PVC管材,在50年代初从工厂生产出来,到真正的上量到了10万吨销售量的时候,花了18年的时间,才大面积的铺开。市场的接受度是需要15年以上的时间,由于这个原因很多的企业现在对新产品的投放,迫于资本市场的压力,对新产品、新技术的投放变得越来越保守,相反他们更倾向于产品的迭代和产品线的延伸。

另外一个更著名的例子,就是碳纤维,60年代初就发明了碳纤维的制造工艺,但是到了70年代初才找到第一个应用:航空航天。可以不计成本,却不适合大规模推广。烟台光威在这方面做得非常好,它利用碳纤维做各种各样的体育用品。后来在汽车市场得到尝试,但也没有大规模的推广,主要是价格的原因,这个我后面还会介绍。最近几年,风电的叶片做得越来越长,碳纤维在风电厂得到大规模的应用,而达到1万吨使用量的碳纤维花了大概30几年的时间。

材料创新的三个阶段


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陶氏化学在121年创新历程当中,跟美国的工业是紧密相关的,相伴相生。我们回顾过去100多年材料创新的发展历程,体会是这样的,材料创新有三个阶段

第一个阶段是上个世纪前50年,主要是创造新分子,设计新的分子,并形成产业化,为这些新的分子找到应用场景,我们说这个阶段属于新分子驱动的材料创新。在这个阶段陶氏化学有一个著名的成就:1937年在美国,首次将聚苯乙烯高分子材料产业化,开创了工程塑料的时代,聚苯乙烯被做成了墙体的保温材料,在美国市场占有率一直很高,目前一直在生产销售。

第二个阶段是上个世纪后50年,这个阶段我们认为是先开发应用,了解市场需求,客户的需求,然后再回到实验室,进行分子设计,材料设计,得到相应的材料,反馈给市场,所以我们认为这是应用开发驱动的材料创新时代。在这个时代,我们在1984年,全球首次推出了反渗透膜的产品和技术,这是为了应对市场对净化水技术的要求。

那个时候水资源严重匮乏,需要对污染的水源进行净化提纯,反渗透膜这项技术,基本上把水里面所有的东西都能去掉,把所有离子都能去掉,可以得到最纯净的水。中国很多家庭已经装了净水器,净水器有好几级的过滤装置,其中最关键的一般是第三级,用的是反渗透膜的组件,反渗透膜组件很多来自陶氏化学的反渗透膜。


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在过去二三十年里面,我们发现材料创新有一些变化,越来越多的材料创新,被多学科融合所驱动。有一个例子,在2005年,陶氏化学农业部推出Omega-9的健康油,因为它是在阿根廷种植菜籽,进口到中国,目前在中国市场上供应有限。这是一款最健康的食用油,因为反式脂肪酸的含量是0,饱和脂肪酸含量低,好的不饱和脂肪酸含量比较高,是比较好的健康食用油。Omega-9健康油,是化学跟农业科学及生命科学融合驱动的材料创新的产品。 在过去一百多年当中,材料创新的方式和驱动力上已经有了一些改变,目前多学科融合变得越来越重要。

材料创新与可持续化


当今社会面临很严峻的世界性的挑战。刚才白波介绍了,我们环境的污染,造成水资源严重匮乏,2030年左右,我们人类社会对净水资源的需求将会增长50%。过去的环境污染造成地下水污染,地下水重金属含量过高。此外因为人口的发展,我们对食物的需求也增加了,在未来的30年要增加70%。而能源的消耗,在未来15年也要增加30%。未来在做材料创新的过程中我们要兼顾环保的因素,兼顾到节能节源的因素,材料创新的活动变的非常有意义,其实也非常有必要,让我们生活更加可持续化。


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我们在中国的研发团队,过去几年时间,根据市场的需求,也做了相应的材料创新的活动。接下来跟大家分享一下。

其中很著名的案例——“毒跑道”事件。过去四五年,在媒体上有非常多的报道:很多中小学生,因为体育场毒跑道释放出来有味道的气体中毒,身体健康受到危害。虽然没有官方的报道是什么原因造成的,但是从媒体的报道,我们分析可能的原因是使用了过量的有机溶剂、塑化剂,以及施工过程当中不良的操作。所以在三、四年前,我们开发了水性跑道技术,不含任何的有机溶剂,环保绿色无毒无味,适合中小学、幼儿园、托儿所,以及居民聚居的小区铺设。还有一点,大多数跑道是红色或者其他深色的,用以前的技术生产的跑道在日光暴晒下颜色会黄变,我们新的跑道技术是不会黄变的,我们帮助客户采用浅色的跑道,上面这个蓝色的跑道,就是我们帮助客户铺设的。目前全国大概有500多条跑道,已经采用我们水性跑道技术。

我们在校园里建设“Green Campus”,采用了全水性的跑道技术,以及相关去甲醛的建筑涂料等等,我们有很多相关的绿色产品,成为建设“绿色校园”的示范。很荣幸在2017年这项技术获得了R&D 100的奖项,大家可能不了解,R&D 100是技术创新界的奥斯卡奖,每年从全球遴选出100项创新技术给予嘉奖,2017年我的同事因为这项技术被邀请到美国的奥兰多领取R&D 100的奖项。

    

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第二个跟大家介绍的案例是共享单车,共享单车是我们中国独特的风景线,解决了最后一公里的交通问题。共享单车很重要的痛点,就是免维护,或者尽量少维护,这样才能减少人力成本的投入。骑过单车的人知道,传统的自行车是打气的橡胶气胎,这种橡胶轮胎非常好用,骑行舒适轻便,但是容易漏气和爆胎,这个时候维护费用会很高。另外一种技术方案是采用热塑性弹性体,它虽然解决了免维护的问题,但是骑行的舒适性并没有那么好,因为它比较硬,比较笨重,生产效率低,成本比较高。

我们帮助摩拜公司用聚氨酯材料发展了实心轮胎,起到了免维护的作用,而且重量轻,生产效率很高,骑行的舒适性和气胎差不多,生产效率很高。这项技术得到摩拜全面的铺展,摩拜的轮胎都是采用聚氨酯材料做的,摩拜APP的下方写有采用陶氏化学免充气轮胎。


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每个家庭都有电冰箱,电冰箱的外壳一般是铝合金,打开以后是塑料的内胆,内胆跟铝合金之间是一个聚氨酯的发泡材料,起到节能保温的功能。对海尔、海信等冰箱生产厂家来说,材料的隔温性能非常重要,也就是导热系数越低越好。导热系数来自三部分的贡献,一个是发泡材料里面的气体,另外是聚氨酯发泡材料的固体材料,以及辐射。气体发炮剂,是冰箱生产厂家根据型号、投放的国家、地区以及定价来决定。固体和辐射这两块,我们作为聚氨酯材料供应商,进行改善。这里面最终分析下来有两个要素,一个是密度,密度越低,固体的导热系数值越小,还有发泡形成的泡孔越细的话,辐射的导热系数值也会越小,加起来总的值也会越小。

我们如何实现的呢?我们发明了PASCAL的技术,如果看电镜照片,就会看到PASCAL产生的泡孔,是一般传统技术的1/2到2/3的大小。因为这项技术应用以后,K值下降了,同时脱模时间降低了,生产效率提高了,我们的客户非常喜欢。因为模压更低,脱模更快捷,注射更快,密度也降低了。怎么实现PASCAL技术呢?说起来很简单,平常是在常压下发泡,而PASCAL技术是在真空也就是在负压状态下发泡,反应加快,泡孔更细更致密,所用的材料也更少。

 

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为什么是我们创造发明的呢?因为我们找到了很好的高端装备制造商Cannon,可以实现我们的想法,而且把设备工业化生产出来,所以这是一个很好很典型的案例。新材料的研发,也要跟多学科融合,这是跟高端装备技术融合的成果。这项技术在2011年,全球首次在重庆生产基地实施,效果很好,同时也在不同国家的生产基地包括俄罗斯、东南亚采用了这套技术。   

 杆塔技术是我们另外一个案例,以前我们看到的都是水泥基的杆塔,非常重,它有一个问题,遇到强台风时还会被刮倒,因为太硬了扛不住,在冬天冰雪沉重的时候也容易断裂,因为太脆了,南方多山林的地带,需要急修的时候,需要搬迁的时候,又难以运输。因为在山上不太容易运输,所以电网公司希望有更轻便的杆塔技术,同时性能也能更好,不太容易被刮倒,或者不太容易因为承压而断裂。我们采用了复合材料的技术,聚氨酯复合材料,帮助我们的客户采用传导的工艺实现了工业化,使用了复合材料的杆塔技术以后,变得非常轻便,真正的重量只是原来的1/4,短一点的杆塔甚至一个人扛着就可以运输上山。

 

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最后讲汽车,汽车的发展趋势是更轻量化、更安全、更牢靠、以及使用时间更长久。汽车有一个非常重要的指标,就是燃油消耗量,大家很清楚它跟车辆的重量呈正相关,为了降低燃油消耗量,汽车重量就要下降。特别是我们中国电动汽车快速发展,对汽车车辆的轻量化要求更高,因为汽车轻量化决定每次充电的行驶里程,也就是续航力。在前面演讲当中提到了碳纤维,用碳纤维来实现汽车的轻量化,相比钢铁,碳纤维可以减重60%,相比铝合金可以减重20%到40%,是非常好的材料,但是太昂贵,所以碳纤维生产厂商需要不断地降低成本。

我们陶氏化学作为树脂的供应商,也可以做一些贡献,通过对树脂的优化,可以降低对碳纤维的要求,降低对碳纤维含量的使用,最终起到降低成本的作用,碳纤维需要跟树脂配合。更重要的是为了在汽车工业得到大规模推广,加工周期一定要快,因为汽车工业的生产效率非常高,所以碳纤维复合材料加工周期也要很短,甚至要自动化加工工艺生产。我们公司的欧洲同事经过十多年的努力,将加工周期从原来的几个小时,缩短到现在的5分钟之内,这样才能满足于汽车生产的要求。目前这项成果已经成功的应用到奥迪A8的车辆上。


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我们介绍了五个中国过去几年当中材料创新的实验,可以看出材料创新其实跟我们日常生活息息相关,刚才讲到共享单车、冰箱、车辆、杆塔、输送电源、以及跑道,都跟我们的日常工作息息相关。其实这些项目有一个共同特点,我们材料创新还是以市场为导向,社会需求为导向,客户要求为导向。以客户的需求推动我们对材料进行相关的设计,反馈到市场,满足市场的要求,满足客户的要求。另外还可以看到这些项目,跟环保节能也是息息相关的,因为我们认为,材料的创新,只有紧密的围绕环保、节能,这样材料的创新才会有生命力,材料的创新才会长久,材料的创新才会可持续。谢谢大家!

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