硅能源:後石油時代的革命性能源

2022-09-28 10:06 0 views

編者按

最高層日前指出,“積極有序發展光能源、硅能源、氫能源、可再生能源”。由此,“硅能源”成為2022開年伊始市場關註度最高的詞彙之一。為深入理解硅能源的意義,我們選取了2006年一篇原標題為《有機硅——未來高分子材料的王者》(作者:田文新 朱旭)的舊文,以期以管窺豹。

雖然是16年前的文章,但這篇研究內容至今讀起來仍不過時,甚至可以說依然前沿。

正文

過去100 年中,以石油為原料生產的高分子合成樹脂、合成橡膠已給我們的生活帶來了豐富多彩的塑膠、化纖製品,它標志著人類穿衣、穿鞋、生活家居不再完全依賴棉、絲、麻、木等天然資源。

但是,由於石油經過人類多年的開采,儲量日益減少,已使全球石化行業感到了前所未有的資源壓力,也使全球戰爭自二次世界大戰到現在一直炮火連天,甚至愈演愈烈,給我們的生存環境造成了嚴重污染,資源造成了巨大浪費。

《石油的終結》是由美國學者保羅圠伯茨在美國發生“9·11”事件後所著,這本書給我們傳達的信息是:“我們目前的能源體系正在走向失敗,下一個能源經濟的輪廓正在形成,不管我們是否願意,它都在醞釀著……”他引用一句話說:石器時代的結束並不是世界上沒有了石頭,而是找到了更好的替代工具。

如果我們選用二氧化硅(石頭、砂子),這一地球儲量極其豐富的資源,來生產有機硅,並用它替代石油材料生產衣服、鞋子、塑料傢具、汽車、樓房等生活用品,那麼,我們的世界將會變成更加美麗的充滿著人類智慧光芒的新世界。這,已不再是夢想,她將在不久的將來,用我們自己的雙手逐一實現。

有機硅材料工業的現狀(2006年)

從上世紀40年代合成出有機硅樹脂、硅油、硅橡膠到現在已有60多年時間,在這段時間里,各項工藝技術都發生了巨大變化,尤其是近二十年,全球有機硅工業,從硅粉加工到單體合成以及中間體聚合都達到了技術成熟、產量猛增的高速增長期。

目前,全球硅氧烷的產能約1130kt/a,比1995年的550-650kt/a增加了近一倍,年均增長率為7%。按產業劃分,有機硅的消費構成為橡膠、樹脂、塗料、纖維、紙張、化妝品等化工關聯行業40%,電子電器20%,土木建築20%,其它20%。

近十年來,我國有機硅工業在全國科技工作者和行業同仁的共同努力下,從技術到產量方面都縮小了與世界發達國家的差距。在RTV建築密封膠,HTV高溫膠、硅油、硅烷偶聯劑生產技術方面均已達到或接近世界先進水平。

但是,我國目前單體(甲基氯硅烷)產量遠遠達不到有機硅市場發展的需要,即使到兩年後,全部單體加起來還不到500kt/a。這一現狀已嚴重制約了我國有機硅工業的發展。

市場對有機硅製品的需求

隨著世界石油價格不斷攀升,石油製品價格一路猛漲,加上石油產品性能在很多方面趕不上有機硅,許多有遠見的人士已將開發眼光轉到有機硅製品上來。

特別是近十年,在電子、電器、建築、五金、傢具、醫療、汽車、化工、機械等,工、農業領域像雨後春筍般,冒出了許多新的製品。如:手機、計算機、遙控器等按鍵,電力絕緣端子,硅膠腕帶,嬰兒奶嘴,汽車密封環等。但是,這些硅膠製品相對於石油塑料、橡膠製品而言,不過是鳳毛麟角而已。

我在2005年先後到過溫州和揚州參加過幾次合成革和合成纖維的行業論壇,瞭解到合成革膠漿用量僅溫州地區就有100多萬噸/年,全國化纖用樹脂和膠漿約有1500多萬噸/年。如果用有機硅來替代上述原料,單從產量上講,即使把全世界有機硅加起來,也遠遠滿足不了我國市場的需要。

新型有機硅製品的開發

有機硅製品的開發量大面廣,幾乎包括石油製品的大部分品種。但是,要想真正意義上的替代,還有很長的路要走。

2005年我們先後於4月和6月申請了兩項發明專利,一是《透氣有機硅合成革及其製作方法》公開號:CN170223A;現已生產出非常理想的樣品。二是《有機硅聚合物合成纖維及其生產工藝》公開號:CN1710162A;並已申請了PCT國際專利,使其在全球128個成員國受到專利保護。

下麵重點介紹2005年4月21日最新申請的國家發明專利產品:《透氣有機硅合成革》。

1、有機硅合成革開發目的、品種及市場簡述

(1) 目的:有機硅合成革的開發目的是:開發透氣、環保、質優的合成革,增加合成革花色品種,提高我國合成革產品在全球市場的競爭力。

目前,生產合成革的彈性材料主要為聚氨酯橡膠(PU)和彈性聚氯乙烯(PVC)溶膠兩種,這兩種材料均為石油產品,存在的最大缺陷為不透氣,並會對人體皮膚、呼吸道產生一定的不良影響,因此限制了合成革在更多領域的應用。

開發有機硅合成革,是因為有機硅高分子彈性體,具有:透氣、環保、無毒、生理相融性能優、防水、抗污、柔順、滑爽、疏水、阻燃、防臭、耐大氣老化30-50年,耐低溫-高溫:-73—260℃等特性。

開發有機硅合成革,另有以下幾點考慮:一是石油面臨著枯竭的危機。二是時代和市場對環保產品的呼喚;三是人類提高生活質量的迫切需要;四是全球需要構建和諧社會,保護動物,保護環境。五是有機硅高分子材料將取代石油高分子材料,成為未來新型高分子材料產品的新秀。

(2) 品種及特點:有機硅合成革開發的品種,是將有機硅高分子彈性體與功能性納米材料進行有機結合,它將成為當今世界最前沿的納米高分子新材料。其品種有:①防水透氣革;②抗菌除臭革;③防紫外線革;④防老化革;⑤防輻射革;⑥抗靜電革;⑦保健革;⑧蓄熱保溫革;⑨隱身革;⑩免洗革等品種。

有機硅合成革的特點:有機硅合成革與有機硅橡膠布有結構和滑爽方面的區別。有機硅合成革為三層結構,它是由基布-硅膠-錶面塗飾層構成。具有滑爽、透氣、耐溫、耐候等有機硅多層複合材料特有的優秀品質。

(3)市場運作:商品名:喜麗康(喜氣、靚麗、健康)合成革。簡稱:“喜麗革”。又名:喜麗康賽真革。英文名:Silicone Synthetic Leather縮寫:SSL有機硅合成皮革。

(4)市場應用前景分析

綜上所述,鑒於各種“喜麗革”的特種功能,有機硅合成革的應用領域非常廣泛,可用於傢具、鞋、帽、服裝、建築、包裝、醫療衛生、車輛、航空、航天、軍隊、艦船、農業保鮮、保溫等領域。其市場應用前景將會非常廣闊。

2、有機硅合成纖維的開發及應用前景分析

從1938年起,以石油為原料的合成纖維工業的歷史已接近70年,在四大合成纖維品種——聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈和聚丙烯纖維原料因石油危機而感到前途渺茫時,我們開發了有機硅合成纖維,並於2005年6月3日申請了國家發明專利。

有機硅合成纖維具有許多石油類合成纖維不具備的優點,如:耐高低溫、耐老化、透氣、疏水等特性。這些性能足以改變人們對現有合成纖維存在缺點的看法。有機硅彈性體是最早用鈉米材料改性的高分子聚合物之一,有機硅合成纖維是這兩者完美結合的閃亮結晶。

(1)有機硅合成纖維品種開發

有機硅合成纖維的基礎材料主要由兩部分組成:一是有機硅高分子聚合物(硅橡膠和有機硅樹脂及有機硅改性烴類高聚物)及硫化體系;二是超細納米級功能性粉體;這兩部分經過特殊工藝結合後,可生產出絢麗多彩,功能各異的新型合成纖維。

(2)有機硅合成纖維的商業名:喜麗康(喜氣、靚麗、健康)合成絲。簡稱:“喜麗絲”。英文名:Silicone Synthetic fibre。(縮寫:SSF)有機硅合成纖維。

(3)有機硅合成革和合成纖維應用前景及經濟效益分析 我國專利法規定:專利保護期限為20年。僅拿服裝、鞋、帽、箱、包行業計算:按最保守數字,在18年間,兩項專利在全球所創效益將是非常驚人的。如將建築、車輛、工業、農業、軍事、醫療、保健等領域計算在內,其投資回報,將更加可觀……

上述簡要介紹了部分有機硅合成革和合成纖維的品種開發及市場前景。要想實現上述目標,還需要既具有科研和經濟實力,又有創新發展眼光的合成革公司和合成纖維公司與有機硅行業一道,共同參與科研開發和市場推廣工作。 

展望

當今世界因石油短缺而造成的能源危機日趨嚴重,石油高分子聚合物市場價位不斷攀升,大量使用石油產品已給環境和生態造成巨大污染及嚴重破壞。石油這一很難再生的一次能源正逐步走向枯竭。有機硅這一清潔、環保、可再生的新材料,正丟掉“工業味精”的小鞋,闊步走向世界主導材料的舞臺。

用有機硅製品替代石油製品,標志著人類將石頭變成衣服、鞋子的時間只需要一個月時間,甚至更短;它的意義在於人類將永遠不再受億萬年才能形成的有限的石油資源的束縛。

我們可以展望一下未來的有機硅世界,在衣、住、行三個方面的表現:

1、服裝、鞋、帽、手套(衣):有機硅合成革和合成纖維可用於生產紡織、皮革服裝、鞋、帽等與人體接觸的所有製品。

2、建築(住):有機硅塗料、膠粘劑,有機硅門、窗,有機硅耐侯、無毒、環保輸水管,有機硅柔性幕牆,超輕大跨度有機硅柔性房頂,帳篷等。

3、交通工具(行):汽車這一凝聚著時代高科技的流動建築,已給有機硅提供了廣闊的發展空間,我們可以設想未來用有機硅材料製造汽車的模樣:

發動機殼體、車身-用高強度、耐高溫硅樹脂模塑料澆鑄而成;面漆-用硅丙、硅氟高光、亞光防污抗靜電、抗劃傷塗料;車輪-用有機硅橡膠輪胎;內飾:車頂蓬、車座-用硅橡膠泡沫,面料用高強度、高透氣性有機硅阻燃合成革、合成纖維;

油料-用有機硅潤滑油和有機硅剎車油;信息控制系統-用有機硅光纜控制系統;油路-用硅氟橡膠管;電路-用硅氟橡膠電線;燃料電池電動轎車-用硅氟橡膠質子交換膜;總之,現在使用的絕大部分汽車材料,將來都可用有機硅材料取代。

當然,要想實現上述目標,還有很長的路要走,我們堅信:在大家共同努力下,有機硅高分子材料終將在未來高分子領域占有統領的地位。

建議

1、建議有機硅專業委員會,組織多行業專家,論證有機硅材料逐步融合及取代石油高分子材料可行性及方法。

2、組織行業專家撰寫專論:《未來的有機硅世界》,為有機硅產業指明未來發展方向,並提供理論依據。

3、將大力發展有機硅材料工業,作為我國未來材料工業的一次革命,併進行廣泛宣傳。

4、向國家相關部門提交議題:將大力發展有機硅材料工業,作為我國材料工業發展的一項國策,放在發展新能源、新材料同等重要的位置上。力爭將大力發展有機硅材料工業,列入今後若干個“五年計劃”或 “863計劃” “火炬計劃”等。

5、希望有機硅行業更多地與其他行業進行學術和信息交流,組織專家、學者進行跨行業技術攻關,使有機硅材料這一具有: 資源極其豐富、環保、高性能、可再生的新材料,為人類做出更大地貢獻。

引申閱讀

1.概念

有機硅,即有機硅化合物,是指含有Si-C鍵、且至少有一個有機基是直接與硅原子相連的化合物,習慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機基與硅原子相連接的化合物也當作有機硅化合物。

其中,以硅氧鍵(-Si-O-Si-)為骨架組成的聚硅氧烷,是有機硅化合物中為數最多,研究最深、應用最廣的一類,約占總用量的90%以上。

2.產業發展歷史

有機硅雖然應用非常廣,但其歷史不過一百多年。

1863年,法國化學家弗里德爾(C.Friedel)及克拉夫茨(J.M.Crafts)從SiCl4與ZnEt2出發,在160℃下的封管中反應,制得了第一個含Si-C鍵的有機硅化合物SiEt4。

1872年,拉登堡(A.Ladenburg)使用ZnEt2、Si(OEt)3Cl與Na反應,制得了帶硅官能基的硅烷。兩年後,他又從HgPh2與SiCl4出發,在封管中制得了PhSiCl3。

1885年,波利斯(A.Polis)應用納縮合法(即Wurtz反應)制得SiPH4等。一直到1903年,許多化學家為有機硅化學誕生付出了心血。人們習慣將這一階段稱為有機硅化學的創始期。

英國化學家基平(F.S.Kipping)從1898年到1944年對有機硅化學進行了廣泛而深入的研究,先後發表論文57篇。他的突出貢獻之一是將格利雅(Grignard)反應用於合成不同官能度的可水解硅烷,併成為日後有機硅工業的基礎。

在此期間,迪爾塞(W.Dilthey)幾乎與基平同時應用格利雅法合成了有機硅化合物。接著他又將Ph2SiCl2水解成Ph2Si(OH)2,併進而縮合得到六苯基環三硅氧烷(Ph2SiO)3,這是第一個環狀硅氧烷化合物,對推動聚硅谷氧烷的發展起到良好的作用。後人稱這段時間為有機硅的成長期。

進入20世紀30年代末,美國康寧玻璃公司的海德(J.F.Hyed),通用電氣公司的帕諾德(W.J.Patnode)及羅喬(E.G.Rochow),前蘇聯的多爾高夫及安德里諾夫以及德國的米勒等認識到有機硅聚合物的應用前景,開始探索具有玻璃性能的耐熱性有機聚合物。先製成了硅樹脂,1940年又制得了二甲基硅油。

1941年Rochow發明瞭直接法合成有機氯硅烷,緊接著米勒也申請了直接法專利。1942年美國道化學公司建成了甲基苯基硅樹脂及二甲基硅油中間試驗裝置。1943年,道化學與康寧玻璃公司合資成立道康寧公司,專門從事有機硅的生產與研究。1947年,通用電氣公司成立有機硅部(後賣給了阿波羅私募基金,成為現在的邁圖有機硅)。

進入50年代,德國的瓦克(Wacker,1951)拜耳(Bayer,1952後與GE合資),及戈特斯密特(Goldschmidt);日本的信越化學(1953),東京芝浦電氣(1953年併入東芝有機硅公司,後與GE合資)及東麗有機硅公司(1966,後與DC合資,並以DC為主);法國的羅納-普朗克(Rhone-Poulenc,後併入我國的藍星)等紛紛建立有機硅生產裝置。

1938年至1965年間,由於單體產量及產品品種的增加,分離純化動技術的進步及聚合工藝的改進,各種硅油,硅橡膠及硅樹脂產品相繼問世。人們稱這一階段為有機硅的發展期。

1965年以後,各工業發達國家的有機硅開發研究,工業生產及推廣應用已進入全面發展的新階段。

中國的有機硅技術開發起步於1952年。當時,北京化工試驗所(沈陽化工研究院前身)重點開發格利雅法合成有機氯硅烷技術,上海有機化安所(中國科學院化學研究所前身)側重研究硅氧烷的平衡與聚合。

1956年,沈陽化工研究院建成有機硅中間試驗車間,1958年上海樹脂廠建成直接法合成有機氯硅烷生產裝置。1967年北京化工研究院及沈陽化工研究院有機硅部分併入晨光化工研究院。1968年,星火化工廠成立(藍星有機硅的前身)這期間有機硅研究單位及生產廠家發展較快。

現今,中國已成為有機硅材料最大的消費國與生產國。

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