中國復合材料工業發展的趨勢
1．概況復合材料以其輕質、高強、耐腐蝕、抗沖擊等優異性質而受到世界工業界的青睞。其中以玻璃纖維增強樹脂復合材料為該產品的主要部分。其產量逐年增加，應用范圍迅速擴大，以成為工業及人民日常生活不可缺少的材料。在美國及歐洲等發達國家，玻璃鋼及相關原材料工業的年增長率一直遠高于本國的GDP增長率。然而，世界復合材料的發展在地區上是不平衡的，復合材料工業主要集中在北美（占33％）、歐洲（占32％）以及亞洲（占30％）。與其他工業的發展速度相比，亞洲的復合材料工業的發展速度最快，尤其以中國最為迅猛，中國向世界提供大量的相關產品，國內的需求也持續增長，估計這種情況將會持續相當長的一段時間。眾所周知，復合材料工業在中國是朝陽工業，每年均有大量的相關原材料及半成品乃至成品出口。玻璃鋼總產量多年來持續年增長率超過12％，遠大于國民經濟GDP的年增長率。目前，我國玻璃鋼產量已居世界前三強的地位，2003年我國玻璃鋼年產量達94萬噸。主要的消費結構是建筑、管道、化工防腐、工業電器，具體產品如城市民用上下水管道、輸油管道、化工食品儲罐、化工格柵、冷卻塔、地鐵第三軌保護罩、空調冰箱殼體、電器產品、建筑水箱、整體衛生間、化工吸收塔、空氣過濾器等。在飛速發展的同時，應清醒地看到我國復合材料發展中的不平衡，認真分析世界復合材料市場發展的趨勢，認清當前存在的問題，才能把握方向，達到使我國復合材料工業健康地、可持續地發展。筆者認為，從發展的角度，當前應注意到如下問題：● 高技術產品少，低水平重復產品多；● 產品應用領域遠不如發達國家寬廣；在高技術領域中的應用更少；● 工藝技術及設備急待提高；生產效率低；● 普遍缺少質量控制體系，產品質量重復性、可靠性差；材料及制品的標準化程度極低；● 急待解決回收及循環利用技術，改善對環境的大量污染；2．高性能復合材料應更加速發展復合材料在航空、航天、火車、汽車等方面的應用，國外已有大量報道，而且確有從非受力的部件向受力的結構件擴大的明顯趨勢。據最近的報道，波音公司宣稱在其最新機型波音7E7的基礎結構上包括機翼及機身的結構上，使用更多的先進復合材料，即石墨纖維增強環氧樹脂及石墨纖維增強金屬鈦合金，研究結果表明，復合材料使飛機結構件有更好的耐磨損性并減少了維修工作。歐洲品牌空中客車采用碳纖維復合材料的艙壁，大大減輕了機身重量。我國在高性能復合材料的研制工作中取得一定成果，但主要集中在軍用方面，民用方面應用甚少，主要原因是我國高性能復合材料從原材料、工藝技術等方面的成本居高不下，這方面與發達國家存在較大的差距。如德國已將高性能熱塑性復合材料制成彈簧，用這種復合材料彈簧做的床，在各個不同的角度上支撐人體，再胖的大塊頭也不會使床發生任何部分的塌陷，從而人感覺剛柔并存、非常舒適。●高性能碳纖維資源是發展我國高性能復合材料的重要關鍵我國至今尚無能力生產高性能碳纖維，目前主要依靠進口，西方國家在某些品種上對我國實行禁運，這在很大程度上限制了高性能復合材料的發展及應用。看來這一瓶頸問題仍然是我國化工界及復合材料界需下大力度攻克的關鍵項目。在發展高性能復合材料中，必須運用材料科學的方法，進行材料結構的設計，用計算機模擬法研究工藝過程纖維的定向及界面所發生的變化；用有限元法分析計算受力過程中材料內部結構單元的受力狀況及材料總體負荷－應力－應變的關系，從而得出模型表面的數據、制品的壁厚、模壓后材料在模具中的分布、所需材料用量等重要工藝數據，從而實現了模擬計算－結構設計－工藝參數－制品批量生產的理想的、合理的制備流程。只有科學地進行材料的結構設計，嚴密控制原材料品質及工藝參數，才有可能實現復合材料制品性能的重復性及可靠性。● 船艇制造、高壓氣瓶等高技術復合材料產業正在發展勢頭隨著人民生活水平不斷的提高，休閑、娛樂已成為生活中不可缺少的部分，用于家庭及公司團體娛樂、休閑、會議用的豪華游艇將會成為下一個10年中的消費熱點。作為安全系數很高的產品，必須應用高性能復合材料，而高性能復合材料的發展將會應這種強大的市場需求而迅速商業化。目前國內相關項目已經啟動，可望有較好的市場前景。復合材料游艇● 重視納米技術在復合材料中的應用納米級尺度的金屬或半導體粒子所顯現出來的尺寸效應，對材料電、磁、光等性能革命性的改善，首先主要應用于磁電及高能物理領域；但人們也發現了納米技術在復合材料領域中應用的巨大潛力，如含有碳納米管CTN（直徑為納米級尺度，長度可達毫米級）的新一代的復合超級碳纖維，具有比當今最好的碳纖維更優異的性能，用它可制備高性能防彈衣，由于微觀結構中存在吸收能量的機制，故具有極強的抗沖擊性。用這種特殊的納米纖維還可制備用于能量轉換的動力源或傳感器，或使材料具有特殊的光學性能。采用納米尺度的添加劑，可以改變復合材料用樹脂的許多性能，有可能制備出高性能的產品及涂料。納米技術將加速智能型復合材料的開發及應用。在解決了納米尺度物質的均勻分散技術、納米纖維或粒子與樹脂基體的界面相容性后，納米技術在復合材料中的應用就不會僅僅限于科學研究，而是可能迅速地商品化成為實用工業技術。3．建筑工程方面的應用將帶動我國復合材料總產量的進一步提高美國、日本等國家中復合材料在建筑及工程中的應用占有很大的比例，從屋面瓦、內外墻復面板到整體衛生間，人們在日常生活中享受著復合材料帶給他們的快樂；復合材料可作成整體建筑、活動房屋、屋頂、化工設施基礎、池罐、給排水管道、輸油管、儲油罐。用復合材料作為加強筋可強化混凝土結構，提高承載能力，在海底工程中及智能混凝土方面大有作為。我國這方面的市場雖然很大，已開始開發在建筑工程方面的應用，如玻璃鋼儲油池，糧倉等。但由于過去10年中劣質玻璃鋼制品讓人們至今還心有余悸，可見產品質量對當前市場乃至遠景市場的影響有多么大。要反省過去的失誤，當前最重要的是提高建筑用玻璃鋼產品的質量建立、健全中國復合材料制品的國家標準并使之與國際標準接軌。由于復合材料的輕質、高強、耐腐蝕及耐久性，在橋梁建筑中必將大有作為。據美國市場開發協會統計，現世界上共有復合材料橋337座，其中過車橋有175座，人行橋有162座。這些橋絕大部分分布在北美，占80％，另外10％分布在歐洲，10％分布在亞洲及遠東地區。僅美國在2000年后，就新建了46座人行橋及93座過車橋，全美有15家公司從事復合材料的筑橋工程。筑橋工程中采用的主要復合材料部件是橋面板、增強筋、及吊桿等。美國馬丁復合材料公司和美國國家復合材料中心在2002年5月22日宣稱，作為復合材料用于基礎設施建設規劃的一部分，他們已安裝了第一座橋的復合材料橋面板（計劃中共6座橋）。該橋位于美國俄亥俄州的格林斯縣菲爾葛朗德公路上，共三個跨度，總面積為7074平方英尺即786平方米。英國A19公路早在1988年就完成了1.6萬平方米的T型架橋。現已存在的鋼筋混凝土結構的橋梁中，由于在大氣環境下發生在鋼筋及混凝土界面附近的微電池的作用，使鋼筋很快被腐蝕，橋梁出現裂縫，嚴重時影響使用。用碳纖維織物與環氧樹脂制備的增強片，可修復這類橋梁，使之回復安全使用，國外在這方面的市場很大。由于建筑方面的應用涉及的材料數量很大，故對我國復合材料總產量的迅速增長所貢獻的份額將會很大。
用復合材料建造的會議中心（美國芝加哥）4．閉模工藝肯定是發展趨勢●模壓工藝模壓工藝（如SMC、BMC等）是典型的閉模工藝，適合于大批量的生產，產品質量穩定，但一次性投資高；近期開發了低壓SMC，比傳統模壓的模具及制造成本大大降低國內玻璃鋼企業現在大量采用的是手糊工藝及噴射工藝，即所謂的開模工藝。設備簡陋，操作條件惡劣，對環境造成破壞，生產效率低，已引起各方的密切關注。國內近年來引進的纖維纏繞制備管道生產線，雖然設備先進，可實現半自動化生產，但工藝過程仍是開模型的，樹脂中苯乙烯的揮發依然使操作環境惡劣，加強排風可局部改善車間環境，但有大量苯乙烯及其他揮發物排放至大氣中。● RTM 工藝80年代初，各國相繼出臺的環保政策，對玻璃鋼制備過程中釋放的苯乙烯含量進行了強行性的限制以減少對環境的污染及對工人健康的損害，促使生產商不得不將開模工藝向閉模工藝過渡，開發了如RTM（英譯文為樹脂傳遞模塑成型工藝），不但大大減少了苯乙烯的揮發，比模壓工藝（SMC）的模具成本低，生產成本降低，產品質量提高。近年來已形成了系列的RTM技術，如：真空模塑（VM），適用于大型部件及玻纖含量高的部件；共同注射工藝（CI RTM）柔性RTM即采用柔性膜制備預制件；樹脂滲透工藝（F RTM）；連續工藝（CRTM ）；樹脂循環注射工藝；光、電子束固化工藝；機械振動輔助工藝； 值得提出的是造船工業，目前絕大多數采用手糊或噴射工藝制備船的殼體，是環境污染大戶，現在國際上正迅速開發適合于造船工業的閉模工藝，如法國的PPE公司推出了中心真空、周邊注射及中心注射、周邊真空的閉模工藝，過程中樹脂經周邊到達全部，由于內部壓力低，可以采用較輕量的上模，降低成本，采用這兩種工藝均可獲得均勻的厚度及平滑的表面并可實現工藝的自動化。 ●VEC（虛擬工程） 工藝據報道，世界上最大的游艇制造商、美國的Genmar造船廠開發了造船的閉模工藝即VEC（Virtual Engineered Composite Fiberglass）工藝，即“虛擬復合材料工程技術”, 是計算機控制的自動化的閉模工藝，共有500多工藝參數對過程進行控制，采用“浮動模型”及高壓水介質，生產過程在一個封閉系統內進行。制備的船殼體比采用傳統工藝的制備速度快4倍且質量更好，具有更高的機械強度、極佳的剛性及韌性。目前，該公司已推出第三代的VEC技術，已達到完全沒有揮發物的逸出。由于采用了特殊的表面技術，船殼體表面具有對微裂紋的自愈性能，表面耐磨性提高3倍，表面光澤好、耐刮傷、耐污垢、耐紫外；確認第三代VEC工藝是低壓過程，低成本，更適于大批量的生產。該項技術獲得美國環保局的凈化空氣獎。5．即使采用開模工藝，也必須采用新材料、新措施，減少對環境的污染發展環境保護的復合材料工業技術瑞典的Viamare Group是歐洲著名的造船公司，目前雖然采用開模工藝，但在生產過程中采取各種措施不斷降低苯乙烯的揮發量，包括采用低揮發樹脂、特種表面固化促進劑及苯乙烯的回收技術。遵照歐洲環保標準，1970年時，苯乙烯排放量限制在100ppm以下，而在2003年，該2003年時排放量已為10ppm以下。法國限量為50ppm; 而我國目前制定的標準與歐洲差距甚大，規定二級企業苯乙烯的排放標準為5-7mg/m3, 盡管此數值比數年前降低了10倍，仍然對環境及工人健康造成威脅。為減少苯乙烯的揮發量，工業界推出了系列的低苯乙烯揮發樹脂及膠衣（LSC），與傳統樹脂相比，苯乙烯揮發量減少了30％，同時采用促進表面快速固化的添加劑，進一步減少了苯乙烯的揮發，且使固化后的樹脂性能更好。我國如新上樹脂項目的話，必須考慮這個技術方向。6．復合材料的回收及循環利用復合材料的回收必須提到議事日程，這個問題已成為左右復合材料工業發展的壁壘問題，甚至可以說回收利用是復合材料生命攸關的問題。很多國家為此限定復合材料制品生產商的年產量如歐洲對報廢車輛的要求是，到2006年年底，每輛車要有85％可回收的塑料、橡膠和玻璃，到2015年底，這個數值要達到95％；面對這種局勢，中國作為復合材料的生產大國，不能僅僅為年產量高居世界第三位而自喜，而應進一步認識到因此所承擔的更重要的環境責任。為此，復合材料的生產企業、大用戶及政府均應給予有力度的投入。在徹底解決這個問題之前，估計中國在不遠的幾年內就會對企業熱固性玻璃鋼生產量的嚴格限制。英國利茲大學與工業界經過2年的研究，提出了解決廢棄復合材料的科學方法以解決日益增長的復合材料廢棄物問題。他們提出可將廢舊的保險杠變成新的。這種技術是將復合材料在缺氧的條件中在較低的溫度下進行熱解，使先轉變成其初始組元即油及纖維及少量的碳，它們是可再利用的；由于處理溫度低，纖維的強度能夠保持如初，不會變脆。進行物理分離后所有的組分均可循環利用；英國化工及汽車界諸多組織、部門及公司均參與了這項計劃。● 熱塑性樹脂給復合材料的回收利用帶來可能 如PA（聚酰胺）， PBT（聚丁烯對苯二甲酸脂），PP（聚丙烯），POM（聚縮醛縮二醇）， PC（聚碳酸脂）等，在我國也發展很快，2002年比前一年增長了10％。采用熱塑性樹脂是循環再利用復合材料的積極措施。● 復合木質材料（WPC）的啟示復合木質材料（WPC）是很值得推薦的一種復合材料，先起源于歐洲，后在北美迅速擴展。這種材料是以天然的含有纖維的木材下腳料、亞麻、黃麻、竹子、麥稈、玉米皮甚至廢報紙為原料，采用復合材料的制造工藝與聚合物如PP、PE、PVC及循環再利用的回收樹脂等制備出聚合物木材，從而使傳統的木材工業發生了令人驚詫的革命性的變化。過去5年中這種材料的市場需求增長很快，市場每年以100％的速率增長。這種材料中固體添加物含量可達70％，可制成外觀與木材相仿的板材、型材，目前用于室內外裝飾、復面板、門窗框等，替代天然木材。該材料的主要特點是：尺寸穩定性好、不腐朽、耐潮濕、吸水率低（僅0.7％松木為17％）、耐沖擊、膨脹系數與鋁合金接近、高溫下機械性能有所提高、耐低溫性能優異。如添加適當的阻燃劑。防火劑，可使材料的阻燃性能大大提高。加工、使用這種材料時，可使用傳統工具，可彎曲、鉆孔、釘、鋸、刻花紋、開榫；需加用固緊件時，其固緊強度比天然木材高2－4倍并可對其進行各種類型的連接。引起關注的是，如采用一定的技術，可以制備出用于結構件的WPC，如加拿大的某公司采用定向技術開發出了定向復合木材，具有更優異的力學性能，其外觀、結構、手感更接近木材，并可起到結構件的作用。木材復合材料這種材料利用大量的廢棄物，制造成本低廉，易于制造及使用，可回收再利用（甚至可回收利用多次），是對環境友善的材料，值得推廣。可以想象，如果用這種使用壽命更長的材料來替代天然木材，會為我們國家保護了多少寶貴的森林資源！7．結論● 我國復合材料在近年中仍會保持高速發展的趨勢；● 高性能復合材料制品如船艇、高壓容器等將會迅速發展；● 大部分傳統開模工藝如手糊、噴射必定有較大的革新，向閉模工藝過渡；● 國內將逐漸建立、健全與國際接軌的復合材料材料及產品相關標準；● 與環境友好的材料及工藝是發展趨勢；● 復合材料的回收、循環利用將成為新的產業；
