双碳视角下膜材料技术发展分析

王 瑞

（中国乐凯集团有限公司 河北 保定 071054）

0 引言

目前，以低能耗、低污染、低排放为特点的低碳经济已经成为全球经济发展的大势所趋。低碳经济通过对传统产业的低碳化转型升级，激发新能源产业的活力推动实体经济发展。绿色新材料是传统产业低碳化转型升级的基础，也是新能源产业快速发展所面临的需要尽快解决的“卡脖子”问题。

1 双碳视角下，国家系列政策相继出台助力新材料发展

2020年,国家提出力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”（简称“双碳”）[1]。“双碳”战略倡导绿色、低碳，旨在推进绿色技术创新，提高国家的全球竞争力。绿色新材料技术门槛高，附加值高，是实现“双碳”目标的基础与先导。“十三五”以来，国家发布多条政策助力新材料产业的发展，将绿色新材料提升到战略高度布局，鼓励企业加快技术创新，突破核心技术、提高市场占有率。

“十三五”以来，国家发布了3个新材料行业分类标准，参见表1。

表1 新材料产业统计分类标准Table 1 New material industry statistical classification standard

2021年10月，国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》，这两个重要文件构建了我国“碳达峰、碳中和”政策体系的顶层设计。之后，近百条重点领域、行业配套的“双碳”政策围绕这两个意见及方案陆续出台助推新材料产业的发展，部分政策中重点提及了绿色新材料。

表2 2020-今国家节能降碳政策与重点关注材料Table 2 China Energy conservation and carbon reduction policies and key materials since 2020

开展规模化制氢示范，推进重点领域国家发展改革《“十四五”可再生能源绿氢替代，氢能被视为未来能源体系委员会等发展规划》的重要组成部分燃料电池与质子交换膜技术。钠离子国家能源局、科《“十四五”能源领域科电池、液态金属电池、钠硫电池、固学技术部技创新规划》态锂离子电池、储能型锂硫电池、水系电池等基于新材料的高效薄膜电池、叠层国家科技部、国电池；固态锂离子电池、钠离子电池；家发展改革委《科技支撑碳达峰碳中和研究以水、二氧化碳和氨气等为原员会等、工业和实施方案（2022—2030年）》料直接高效合成甲醇等绿色可再生信息化部燃料的技术

梳理表2中国家发布的数条政策可以看出，在包装领域，国家力推生物可降解塑料来降低塑料污染；在节能减排领域，国家重点推进系列分离膜材料。在绿色能源领域，推进可再生能源对传统能源的替代，锂能、氢能、太阳能、风能相关材料将会迎来良好的发展机会。

2 包装用薄膜材料技术创新与发展

2.1 生物降解薄膜

我国《关于进一步加强塑料污染治理的意见》推进生物可降解材料在快递、外卖、地膜等领域的应用。

在生物基产品生产和使用过程中均能大幅削减碳排放，使用生物降解薄膜被认为是根治一次性塑料“白色污染”最有效的解决方案。

生物降解薄膜主要包括聚乳酸PLA、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯PBAT、聚羟基脂肪酸酯PHA，可降解薄膜主要应用于包装与农用地膜领域。

图1 市场主流生物降解塑料薄膜 Fig 1 Market mainstream biodegradable plastic film

聚乳酸PLA源自可再生资源，是一种可生物相容、可生物降解的线性脂肪族聚酯，采用双轴拉伸成膜，力学性能与聚丙烯PP类似，可以在一些领域替代PP和PET，同时兼有良好的光泽度、透明度等。PLA的不足是脆性强、断裂伸长率低，冲击强度和耐热性能较差，采用PBAT与PLA共混改性提高PLA的柔韧性与抗撕裂性。

PBAT是己二酸丁二醇酯（PBA）和对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的共聚物，目前，源自生物质的PBAT约占50%。PBAT的柔性、加工性能、延展性、耐热性、冲击性和亲水性较好，其拉伸性能与低密度聚乙烯（LDPE）相媲美。

PHA存在于微生物细胞中，具有生物降解性与生物兼容性。目前可采用微生物发酵制备PHA成为石化材料的替代品。PHA几乎在所有环境中都可以被微生物分解，最适合“必须进行生物降解”的应用，为禁塑替代提供了绿色可持续发展的机会。

2.2 PEF与PET共聚、共混、多层共挤薄膜

目前，聚呋喃二甲酸乙二酯（PEF Polyethylene Furanoate）被视为最有潜力取代PET的生质聚酯材料。PEF物理性能、机械性能优于PET。PEF的气体扩散系数低，是更好的阻气材料。

PEF的单体2,5-呋喃二甲酸（FDCA）由羟甲基糠醛、二甘醇酸、康酸和己糖二酸等不同生物基原料合成，但FDCA单体制备成本高，以PEF全面取代PET难度大，目前PEF仍未被广泛应用与商业化。

采用少量的PEF增加PET的阻隔性能，且能减少PET的用量[2]。目前，PEF与PET结合的技术包括3类：（1）以合成方式将PEF的单体FDCA与PET的单体对苯二甲酸单体（TPA）共聚成PEFT；（2）通过加工设备将PEF与PET共射出成多层结构；（3）直接将PEF与PET共混。

3 聚合物分离膜

液体或气体混合物中的各组分透过同一分离膜的速率不同，膜分离技术是以分离膜作为间隔层，在压力差、浓度差的推动下实现混合物的分离、浓缩、纯化和精制。膜分离广泛应用于医药、生物、环保、化工、石油、水处理、电子等领域，是分离技术领域重要的手段之一，是高效节能的关键技术。

按照被分离物的形态，分离膜分为水处理膜、气体分离膜、渗透汽化膜。

3.1 水处理膜

水处理膜技术大大提升了水资源利用效率，得到了业界广泛认可。随着市场需求的不断变化，水处理工艺不断完善，水处理膜产品形成了种类繁多的产品体系。以日本为代表的发达国家水处理膜技术发展更为成熟，并且能够不断调整开发顺应市场需求的新产品。与国外相比，我国水处理膜技术发展相对滞后。

常见的水处理膜技术主要分为微滤、超滤、纳滤、反渗透。

表3 水处理膜技术Table 3 Membrane technology for water treatment

目前，我国以碧水源、时代沃顿等为代表的水处理膜企业取得了一定的成就，但和先进的水处理膜外企相比，在水处理膜的生产规模和产品种类方面仍然存在一定的差距。我国水处理膜技术的不足之处主要体现在两个方面：一方面，我国污水废水水质复杂，而国产水处理膜针对性较强，适用性不足。另外，膜使用寿命短，水处理成本相对较高；另一方面，污水与废水中的微生物及颗粒物会造成膜污染，需要膜清理，降低了水处理效果。

3.2 气体分离膜

气体采用膜分离的原理是上游气体吸附并溶解在膜中，然后在推动力作用下从膜一侧向另一侧扩散，透过膜后从膜上脱附。

气体分离膜主要应用于石化、环境保护等领域，工业上，氢气、二氧化碳、氧气与氮气的制备分离基本都采用膜分离技术。

表4 气体分离膜技术Table 4 Membrane technology for gas treatment

3.3 渗透汽化膜

渗透汽化分离过程由“渗透”和“蒸发”2个过程组成，称为渗透汽化或渗透蒸发，主要用于有机溶剂的脱水、混合有机物的分离和有机物的回收，实现了蒸馏、萃取、吸附等传统方法难以完成的分离任务。渗透汽化特点是膜上游物料为液体混合物，下游透过侧为蒸气，分离过程中必须提供一定热量（高的操作温度）以促进过程进行。

目前，研究应用最多的聚合物渗透汽化膜包括聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等聚合物材料。

在有机溶剂的脱水中，优先透水膜在醇水分离中实现了规模应用，技术相对成熟。优先透有机物膜已经商业化或者成功应用的仍然很少,基本还处于实验室研发阶段，其综合性能距离工业应用仍有较大差距。在混合有机物间的分离方面，渗透汽化膜产品不成熟，依然在研发试验阶段。渗透汽化膜的开发主要表现出了2个特点：一方面，针对不同的使用场景和工艺条件开发相应的膜产品，专业化开发越来越强。另一方面，膜技术研发重点主要集中在如何提高膜材料的稳定性及耐溶剂性等方面。

4 新能源汽车用电池与材料

在“碳中和”的愿景下，新能源汽车纯电动化方向转型已经成为全球共识。车企绿色转型，汽车材料的应用和发展始终围绕着“电动化、智能化、轻量化”这一大方向。“电动化”通过电池与材料——锂离子电池与材料、质子交换膜燃料电池与材料来实现；“轻量化”方面“以塑代钢”已成为汽车材料实现轻量化发展的主要方向，是汽车节能减排的必由之路，从结构件到整车的内外饰件，轻量化材质都有所应用。汽车轻量化材料主要包括改性塑料聚乙烯与聚丙烯、工程塑料聚碳酸酯、碳纤维复合材料等。

4.1 动力锂离子电池与材料

隔膜材料方面，聚烯烃隔膜材料是市场上主流的隔膜材料，但是，聚烯烃隔膜存在孔隙率低，电解液润湿性差、高温热收缩等问题，常用的解决方法是在聚烯烃隔膜的一面或两面涂布纳米陶瓷材料、PVDF对其进行改性。例如，陶瓷涂布隔膜在聚烯烃隔膜单面或双面涂覆Al2O3、SiO4、勃姆石等无机陶瓷材料，提升聚烯烃隔膜的高温尺寸稳定性，主动防御锂离子电池热失控的发生[3]。在聚烯烃隔膜表涂布无机纳米粒子和有机聚合物混合浆料，经过固化后可得无机-有机复合涂布隔膜，能够显著改善锂离子电池的安全性，目前该技术基本还停留在研发阶段。

4.2 质子交换膜燃料电池与材料

质子交换膜燃料电池加氢时间短，无里程焦虑，低温环境影响小。

质子交换膜在氢燃料电池堆里面被称为“芯片”，是核心材料之一，目前被国外公司“卡脖子”。根据氟含量，质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜[4]。其中，全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯结构，在热稳定性、化学稳定性和力学强度方面优于其他材料；聚合物膜寿命较长，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性。

PEN（聚萘二甲酸乙二醇酯）薄膜由于单体价格较高，国内工业化生产受限。PEN原料NDC（2,6-萘二甲酸二甲酯）生产技术主要掌握在海外公司手中，代表性公司包括帝人集团、伊斯曼、三菱化学、杜邦等。PEN薄膜性能优于PET薄膜，全球市场对PEN需求十分迫切，促使全球传统的聚酯薄膜生产商纷纷涉足PEN薄膜领域，在氢能领域，PEN薄膜用作氢燃料电池膜电极边框密封膜。

质子交换膜燃料电池用密封胶确保氢密封，能够提高氢的使用率和电池寿命。目前氢燃料电池用密封胶主要包括有机硅密封胶、聚烯烃密封胶、环氧树脂密封胶。有机硅密封胶热稳定性佳、耐低温，同时具有良好的电绝缘性、橡胶弹性、低压缩变形及耐酸性和耐溶剂性，是最常用的密封胶。聚烯烃密封胶常用的是聚异丁烯聚合物，气体防漏性高、透湿性低。环氧树脂密封胶密封性佳，胶接强度高。

4.3 新能源汽车轻量化用碳纤维复合材料

我国“双碳”目标的提出，倒逼碳纤维复合材料在汽车中的应用步伐加快，国内市场对碳纤维的需求快速增长，上汽、北汽等部分量产车型开始使用碳纤维零部件。碳纤维“轻质高强”，属于军民两用材料，除了新能源汽车之外，在航空航天、国防军工等领域都有着重要的战略地位。

碳纤维的稳定性能和工艺技术是决定碳纤维质量的关键所在，我国的国产碳纤维产品因工艺技术上的缺陷，易出现丝束不均宽、织物和预浸料均匀性不过关，高端碳纤维仍然和日、美等国家的产品存在很大差距。

5 太阳能电池与材料

太阳能发电是没有碳排放的清洁能源，硅片是生产太阳能电池的核心部件。高分子材料用于对硅片的保护。高分子材料主要包括光伏模组中的封装胶膜与背板，所需主要薄膜材料包括PET薄膜、含氟薄膜、EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）胶膜、POE（乙烯和辛烯的共聚物）胶膜等。太阳能电气配套部分包括接线盒、线缆、连接器等零部件，所需工程塑料包括聚苯醚（PPO）、聚酰胺66（PA66）、聚碳酸酯（PC），以及线缆材料聚乙烯（PE）等。

太阳能电池用含氟薄膜种类多，技术被国外公司掌控，在国内属于“卡脖子”材料。

表5 太阳能电池用含氟薄膜开发与应用现状Table 5 Development and application of fluorinated films for solar cells

6 风电材料

2020年，北京国际风能大会（CWP 2020）上，400余家风能企业联合发布了《风能北京宣言》，提出在“十四五”规划中，为风电设定与碳中和国家战略相适应的发展空间，保证年均新增装机50 GW以上；2025年后，中国风电年均新增装机容量应不低于60 GW。“碳中和”政策助力风电市场平稳发展。

风电叶片是风力发电设备的核心部件，主要构成材料包括增强材料、夹芯材料、基体材料、表面涂料及粘接不同部分之间的结构胶。

图2 风电叶片结构关键材料FIG 2 Key materials of wind turbine blade structure

基体材料方面，环氧树脂是核心基体材料。我国市场叶片专用环氧树脂供不应求，依赖进口。例如，风电叶片专业生产公司艾郎科技，2018—2020年，公司所用环氧树脂主要来自美国瀚森化工与美国OLIN公司，进口依赖度较高。聚醚胺是环氧树脂体系的固化剂，该领域美国亨斯曼、德国巴斯夫公司市占率较高。

碳纤维增强复合材料由基体和增强体组成，在风电叶片中，基体材料为环氧树脂，碳纤维为增强体，环氧树脂体系与复合材料成型工艺的匹配性会影响碳纤维复合材料性能，也是能否实现复合材料产业化的关键。

风叶表面涂料保护强光、风沙、腐蚀以及高低温对叶片造成的损坏。目前，涂料的主要成膜树脂包括聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、氟树脂、有机硅树脂。其中，聚氨酯树脂涂料弹性高、附着力佳、耐磨、耐高低温、成本低，是使用最多的树脂材料。氟碳涂料具有优异的耐候性和表面自洁性能，保护叶片免受紫外线和化学品的侵蚀，能够提升风电机组的免维护周期，是未来的发展方向。

风电结构胶对叶片的力学性能与结构都会起到重要作用，属于结构胶中的高端产品，结构胶需要保证叶片长达20年的使用寿命，并且确保叶片拥有持续稳定的机械性能，按化学结构分为4大类：环氧类、乙烯基酯类、聚氨酯类、丙烯酸酯类。环氧类结构胶是应用较广、用量较大的一种，供应商主要包括美国瀚森、美国陶氏化学与我国的康达新材，进口替代空间大。

7 结语

低碳经济已成全球共识，我国由此提出双碳目标，同时国家出台了一系列政策助力双碳目标实现，所以降碳、减污、增绿是未来膜材料行业发展的目标和方向。绿色膜材料大多技术含量高，核心技术掌握在国外公司手中，我国进口依赖度大，这也恰好为膜材料企业的技术发展提供了良好的市场发展机会。绿色膜材料是实现双碳目标的基础和先导，用来解决塑料污染问题的生物可降解材料、能够实现节能减排的系列分离膜材料技术将被重点关注和大力发展。另外，实现双碳目标的进程中，绿色能源对传统能源的替代将会发挥重大作用，氢能、锂能、太阳能、风电等新能源与材料面临良好的发展机遇。