中国复合材料工业发展的趋势
1．概况复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀、抗冲击等优异性质而受到世界工业界的青睐。其中以玻璃纤维增强树脂复合材料为该产品的主要部分。其产量逐年增加，应用范围迅速扩大，以成为工业及人民日常生活不可缺少的材料。在美国及欧洲等发达国家，玻璃钢及相关原材料工业的年增长率一直远高于本国的GDP增长率。然而，世界复合材料的发展在地区上是不平衡的，复合材料工业主要集中在北美（占33％）、欧洲（占32％）以及亚洲（占30％）。与其他工业的发展速度相比，亚洲的复合材料工业的发展速度最快，尤其以中国最为迅猛，中国向世界提供大量的相关产品，国内的需求也持续增长，估计这种情况将会持续相当长的一段时间。众所周知，复合材料工业在中国是朝阳工业，每年均有大量的相关原材料及半成品乃至成品出口。玻璃钢总产量多年来持续年增长率超过12％，远大于国民经济GDP的年增长率。目前，我国玻璃钢产量已居世界前三强的地位，2003年我国玻璃钢年产量达94万吨。主要的消费结构是建筑、管道、化工防腐、工业电器，具体产品如城市民用上下水管道、输油管道、化工食品储罐、化工格栅、冷却塔、地铁第三轨保护罩、空调冰箱壳体、电器产品、建筑水箱、整体卫生间、化工吸收塔、空气过滤器等。在飞速发展的同时，应清醒地看到我国复合材料发展中的不平衡，认真分析世界复合材料市场发展的趋势，认清当前存在的问题，才能把握方向，达到使我国复合材料工业健康地、可持续地发展。笔者认为，从发展的角度，当前应注意到如下问题：● 高技术产品少，低水平重复产品多；● 产品应用领域远不如发达国家宽广；在高技术领域中的应用更少；● 工艺技术及设备急待提高；生产效率低；● 普遍缺少质量控制体系，产品质量重复性、可靠性差；材料及制品的标准化程度极低；● 急待解决回收及循环利用技术，改善对环境的大量污染；2．高性能复合材料应更加速发展复合材料在航空、航天、火车、汽车等方面的应用，国外已有大量报道，而且确有从非受力的部件向受力的结构件扩大的明显趋势。据最近的报道，波音公司宣称在其最新机型波音7E7的基础结构上包括机翼及机身的结构上，使用更多的先进复合材料，即石墨纤维增强环氧树脂及石墨纤维增强金属钛合金，研究结果表明，复合材料使飞机结构件有更好的耐磨损性并减少了维修工作。欧洲品牌空中客车采用碳纤维复合材料的舱壁，大大减轻了机身重量。我国在高性能复合材料的研制工作中取得一定成果，但主要集中在军用方面，民用方面应用甚少，主要原因是我国高性能复合材料从原材料、工艺技术等方面的成本居高不下，这方面与发达国家存在较大的差距。如德国已将高性能热塑性复合材料制成弹簧，用这种复合材料弹簧做的床，在各个不同的角度上支撑人体，再胖的大块头也不会使床发生任何部分的塌陷，从而人感觉刚柔并存、非常舒适。●高性能碳纤维资源是发展我国高性能复合材料的重要关键我国至今尚无能力生产高性能碳纤维，目前主要依靠进口，西方国家在某些品种上对我国实行禁运，这在很大程度上限制了高性能复合材料的发展及应用。看来这一瓶颈问题仍然是我国化工界及复合材料界需下大力度攻克的关键项目。在发展高性能复合材料中，必须运用材料科学的方法，进行材料结构的设计，用计算机模拟法研究工艺过程纤维的定向及界面所发生的变化；用有限元法分析计算受力过程中材料内部结构单元的受力状况及材料总体负荷－应力－应变的关系，从而得出模型表面的数据、制品的壁厚、模压后材料在模具中的分布、所需材料用量等重要工艺数据，从而实现了模拟计算－结构设计－工艺参数－制品批量生产的理想的、合理的制备流程。只有科学地进行材料的结构设计，严密控制原材料品质及工艺参数，才有可能实现复合材料制品性能的重复性及可靠性。● 船艇制造、高压气瓶等高技术复合材料产业正在发展势头随着人民生活水平不断的提高，休闲、娱乐已成为生活中不可缺少的部分，用于家庭及公司团体娱乐、休闲、会议用的豪华游艇将会成为下一个10年中的消费热点。作为安全系数很高的产品，必须应用高性能复合材料，而高性能复合材料的发展将会应这种强大的市场需求而迅速商业化。目前国内相关项目已经启动，可望有较好的市场前景。复合材料游艇● 重视纳米技术在复合材料中的应用纳米级尺度的金属或半导体粒子所显现出来的尺寸效应，对材料电、磁、光等性能革命性的改善，首先主要应用于磁电及高能物理领域；但人们也发现了纳米技术在复合材料领域中应用的巨大潜力，如含有碳纳米管CTN（直径为纳米级尺度，长度可达毫米级）的新一代的复合超级碳纤维，具有比当今最好的碳纤维更优异的性能，用它可制备高性能防弹衣，由于微观结构中存在吸收能量的机制，故具有极强的抗冲击性。用这种特殊的纳米纤维还可制备用于能量转换的动力源或传感器，或使材料具有特殊的光学性能。采用纳米尺度的添加剂，可以改变复合材料用树脂的许多性能，有可能制备出高性能的产品及涂料。纳米技术将加速智能型复合材料的开发及应用。在解决了纳米尺度物质的均匀分散技术、纳米纤维或粒子与树脂基体的界面相容性后，纳米技术在复合材料中的应用就不会仅仅限于科学研究，而是可能迅速地商品化成为实用工业技术。3．建筑工程方面的应用将带动我国复合材料总产量的进一步提高美国、日本等国家中复合材料在建筑及工程中的应用占有很大的比例，从屋面瓦、内外墙复面板到整体卫生间，人们在日常生活中享受着复合材料带给他们的快乐；复合材料可作成整体建筑、活动房屋、屋顶、化工设施基础、池罐、给排水管道、输油管、储油罐。用复合材料作为加强筋可强化混凝土结构，提高承载能力，在海底工程中及智能混凝土方面大有作为。我国这方面的市场虽然很大，已开始开发在建筑工程方面的应用，如玻璃钢储油池，粮仓等。但由于过去10年中劣质玻璃钢制品让人们至今还心有余悸，可见产品质量对当前市场乃至远景市场的影响有多么大。要反省过去的失误，当前最重要的是提高建筑用玻璃钢产品的质量建立、健全中国复合材料制品的国家标准并使之与国际标准接轨。由于复合材料的轻质、高强、耐腐蚀及耐久性，在桥梁建筑中必将大有作为。据美国市场开发协会统计，现世界上共有复合材料桥337座，其中过车桥有175座，人行桥有162座。这些桥绝大部分分布在北美，占80％，另外10％分布在欧洲，10％分布在亚洲及远东地区。仅美国在2000年后，就新建了46座人行桥及93座过车桥，全美有15家公司从事复合材料的筑桥工程。筑桥工程中采用的主要复合材料部件是桥面板、增强筋、及吊杆等。美国马丁复合材料公司和美国国家复合材料中心在2002年5月22日宣称，作为复合材料用于基础设施建设规划的一部分，他们已安装了第一座桥的复合材料桥面板（计划中共6座桥）。该桥位于美国俄亥俄州的格林斯县菲尔葛朗德公路上，共三个跨度，总面积为7074平方英尺即786平方米。英国A19公路早在1988年就完成了1.6万平方米的T型架桥。现已存在的钢筋混凝土结构的桥梁中，由于在大气环境下发生在钢筋及混凝土界面附近的微电池的作用，使钢筋很快被腐蚀，桥梁出现裂缝，严重时影响使用。用碳纤维织物与环氧树脂制备的增强片，可修复这类桥梁，使之回复安全使用，国外在这方面的市场很大。由于建筑方面的应用涉及的材料数量很大，故对我国复合材料总产量的迅速增长所贡献的份额将会很大。
用复合材料建造的会议中心（美国芝加哥）4．闭模工艺肯定是发展趋势●模压工艺模压工艺（如SMC、BMC等）是典型的闭模工艺，适合于大批量的生产，产品质量稳定，但一次性投资高；近期开发了低压SMC，比传统模压的模具及制造成本大大降低国内玻璃钢企业现在大量采用的是手糊工艺及喷射工艺，即所谓的开模工艺。设备简陋，操作条件恶劣，对环境造成破坏，生产效率低，已引起各方的密切关注。国内近年来引进的纤维缠绕制备管道生产线，虽然设备先进，可实现半自动化生产，但工艺过程仍是开模型的，树脂中苯乙烯的挥发依然使操作环境恶劣，加强排风可局部改善车间环境，但有大量苯乙烯及其他挥发物排放至大气中。● RTM 工艺80年代初，各国相继出台的环保政策，对玻璃钢制备过程中释放的苯乙烯含量进行了强行性的限制以减少对环境的污染及对工人健康的损害，促使生产商不得不将开模工艺向闭模工艺过渡，开发了如RTM（英译文为树脂传递模塑成型工艺），不但大大减少了苯乙烯的挥发，比模压工艺（SMC）的模具成本低，生产成本降低，产品质量提高。近年来已形成了系列的RTM技术，如：真空模塑（VM），适用于大型部件及玻纤含量高的部件；共同注射工艺（CI RTM）柔性RTM即采用柔性膜制备预制件；树脂渗透工艺（F RTM）；连续工艺（CRTM ）；树脂循环注射工艺；光、电子束固化工艺；机械振动辅助工艺； 值得提出的是造船工业，目前绝大多数采用手糊或喷射工艺制备船的壳体，是环境污染大户，现在国际上正迅速开发适合于造船工业的闭模工艺，如法国的PPE公司推出了中心真空、周边注射及中心注射、周边真空的闭模工艺，过程中树脂经周边到达全部，由于内部压力低，可以采用较轻量的上模，降低成本，采用这两种工艺均可获得均匀的厚度及平滑的表面并可实现工艺的自动化。 ●VEC（虚拟工程） 工艺据报道，世界上最大的游艇制造商、美国的Genmar造船厂开发了造船的闭模工艺即VEC（Virtual Engineered Composite Fiberglass）工艺，即“虚拟复合材料工程技术”, 是计算机控制的自动化的闭模工艺，共有500多工艺参数对过程进行控制，采用“浮动模型”及高压水介质，生产过程在一个封闭系统内进行。制备的船壳体比采用传统工艺的制备速度快4倍且质量更好，具有更高的机械强度、极佳的刚性及韧性。目前，该公司已推出第三代的VEC技术，已达到完全没有挥发物的逸出。由于采用了特殊的表面技术，船壳体表面具有对微裂纹的自愈性能，表面耐磨性提高3倍，表面光泽好、耐刮伤、耐污垢、耐紫外；确认第三代VEC工艺是低压过程，低成本，更适于大批量的生产。该项技术获得美国环保局的净化空气奖。5．即使采用开模工艺，也必须采用新材料、新措施，减少对环境的污染发展环境保护的复合材料工业技术瑞典的Viamare Group是欧洲著名的造船公司，目前虽然采用开模工艺，但在生产过程中采取各种措施不断降低苯乙烯的挥发量，包括采用低挥发树脂、特种表面固化促进剂及苯乙烯的回收技术。遵照欧洲环保标准，1970年时，苯乙烯排放量限制在100ppm以下，而在2003年，该2003年时排放量已为10ppm以下。法国限量为50ppm; 而我国目前制定的标准与欧洲差距甚大，规定二级企业苯乙烯的排放标准为5-7mg/m3, 尽管此数值比数年前降低了10倍，仍然对环境及工人健康造成威胁。为减少苯乙烯的挥发量，工业界推出了系列的低苯乙烯挥发树脂及胶衣（LSC），与传统树脂相比，苯乙烯挥发量减少了30％，同时采用促进表面快速固化的添加剂，进一步减少了苯乙烯的挥发，且使固化后的树脂性能更好。我国如新上树脂项目的话，必须考虑这个技术方向。6．复合材料的回收及循环利用复合材料的回收必须提到议事日程，这个问题已成为左右复合材料工业发展的壁垒问题，甚至可以说回收利用是复合材料生命攸关的问题。很多国家为此限定复合材料制品生产商的年产量如欧洲对报废车辆的要求是，到2006年年底，每辆车要有85％可回收的塑料、橡胶和玻璃，到2015年底，这个数值要达到95％；面对这种局势，中国作为复合材料的生产大国，不能仅仅为年产量高居世界第三位而自喜，而应进一步认识到因此所承担的更重要的环境责任。为此，复合材料的生产企业、大用户及政府均应给予有力度的投入。在彻底解决这个问题之前，估计中国在不远的几年内就会对企业热固性玻璃钢生产量的严格限制。英国利兹大学与工业界经过2年的研究，提出了解决废弃复合材料的科学方法以解决日益增长的复合材料废弃物问题。他们提出可将废旧的保险杠变成新的。这种技术是将复合材料在缺氧的条件中在较低的温度下进行热解，使先转变成其初始组元即油及纤维及少量的碳，它们是可再利用的；由于处理温度低，纤维的强度能够保持如初，不会变脆。进行物理分离后所有的组分均可循环利用；英国化工及汽车界诸多组织、部门及公司均参与了这项计划。● 热塑性树脂给复合材料的回收利用带来可能 如PA（聚酰胺）， PBT（聚丁烯对苯二甲酸脂），PP（聚丙烯），POM（聚缩醛缩二醇）， PC（聚碳酸脂）等，在我国也发展很快，2002年比前一年增长了10％。采用热塑性树脂是循环再利用复合材料的积极措施。● 复合木质材料（WPC）的启示复合木质材料（WPC）是很值得推荐的一种复合材料，先起源于欧洲，后在北美迅速扩展。这种材料是以天然的含有纤维的木材下脚料、亚麻、黄麻、竹子、麦秆、玉米皮甚至废报纸为原料，采用复合材料的制造工艺与聚合物如PP、PE、PVC及循环再利用的回收树脂等制备出聚合物木材，从而使传统的木材工业发生了令人惊诧的革命性的变化。过去5年中这种材料的市场需求增长很快，市场每年以100％的速率增长。这种材料中固体添加物含量可达70％，可制成外观与木材相仿的板材、型材，目前用于室内外装饰、复面板、门窗框等，替代天然木材。该材料的主要特点是：尺寸稳定性好、不腐朽、耐潮湿、吸水率低（仅0.7％松木为17％）、耐冲击、膨胀系数与铝合金接近、高温下机械性能有所提高、耐低温性能优异。如添加适当的阻燃剂。防火剂，可使材料的阻燃性能大大提高。加工、使用这种材料时，可使用传统工具，可弯曲、钻孔、钉、锯、刻花纹、开榫；需加用固紧件时，其固紧强度比天然木材高2－4倍并可对其进行各种类型的连接。引起关注的是，如采用一定的技术，可以制备出用于结构件的WPC，如加拿大的某公司采用定向技术开发出了定向复合木材，具有更优异的力学性能，其外观、结构、手感更接近木材，并可起到结构件的作用。木材复合材料这种材料利用大量的废弃物，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），是对环境友善的材料，值得推广。可以想象，如果用这种使用寿命更长的材料来替代天然木材，会为我们国家保护了多少宝贵的森林资源！7．结论● 我国复合材料在近年中仍会保持高速发展的趋势；● 高性能复合材料制品如船艇、高压容器等将会迅速发展；● 大部分传统开模工艺如手糊、喷射必定有较大的革新，向闭模工艺过渡；● 国内将逐渐建立、健全与国际接轨的复合材料材料及产品相关标准；● 与环境友好的材料及工艺是发展趋势；● 复合材料的回收、循环利用将成为新的产业；
