本文分析了國內外化工新材料的產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，重點從化工新材料原料供給、新材料生產、產品回收與循環(huán)利用全生命周期（LCA）角度，闡述了可再生原料的匯碳作用，典型新材料（包括高端碳材料、汽車輕量化材料、新能源材料、碳捕集材料）生產的固碳作用，以及廢棄材料回收和循環(huán)利用中的減碳作用。
一、全球新材料產業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
新材料是指新近發(fā)展或正在發(fā)展的具有優(yōu)異性能的結構材料和有特殊性質的功能材料，其種類、品種很多，按結構組成劃分，主要包括金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、先進復合材料等。化工新材料是新材料的重要“家族”成員，是化學工業(yè)中最具發(fā)展活力和發(fā)展?jié)摿Φ男骂I域，廣泛應用于交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、電子信息、國防軍工、航空航天、新能源等諸多領域，是國民經濟建設所需的關鍵材料。化工新材料主要包括高性能合成樹脂、特種合成橡膠、高性能合成纖維、特種彈性體、復合材料、工程塑料、高端碳材料、電子化學品、降解材料、特種涂料、特種膠黏劑、特種助劑等一系列品種。
由于新材料應用領域高端、前瞻，技術門檻高，附加值高，發(fā)達國家最先重視新材料開發(fā)及應用。為了搶占戰(zhàn)略制高點，美、日、歐、韓等發(fā)達經濟體均將新材料提升到戰(zhàn)略高度并提前布局，啟動100多個專項計劃，目前在經濟實力、核心技術、研發(fā)能力、市場占有率等方面占據(jù)絕對優(yōu)勢。許多著名的跨國公司，如巴斯夫、杜邦、拜耳、陶氏化學、朗盛等，都將新材料作為其發(fā)展戰(zhàn)略和經營創(chuàng)效的重點方向，并對我國形成技術優(yōu)勢。總體來說，全球新材料行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，規(guī)模加速增長，年復合增長率維持在10%以上。全球新材料產業(yè)近年來發(fā)展迅速，2015年全球新材料產業(yè)產值規(guī)模約為18818.1億美元，2017年達到約23164.7億美元[2]。2018—2020年，許多國家出臺推動新材料產業(yè)發(fā)展的扶持政策及規(guī)劃，加上下游電子信息、生物醫(yī)療、汽車工業(yè)等產業(yè)發(fā)展加快，2020年全球新材料產業(yè)產值規(guī)模接近3萬億美元，預計未來5年全球新材料產業(yè)產值規(guī)模將保持正增長態(tài)勢，2025年增長到5.65億美元，2026年有望突破6萬億美元，詳見圖1。
圖1 全球新材料行業(yè)產值規(guī)模變化及預測
近年來，我國將新材料產業(yè)作為未來發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，先后出臺《關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》《關于石化產業(yè)調結構促轉型增效益的指導意見》《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《化工新材料“十四五”規(guī)劃指南》等若干政策文件予以扶持。在政策指引下，我國新材料行業(yè)發(fā)展強勁，2020年新材料總產值達到約6.0萬億元，預計到2025年產業(yè)總產值將達到10萬億元，并保持年均增長20%[4]。然而，目前我國僅是材料大國而非材料強國，新材料屬于我國對外依存度極高的八類產業(yè)之一，特別是高端化工新材料和化工高端裝備及尖端技術嚴重依賴進口。據(jù)工業(yè)與信息化部統(tǒng)計，在我國大型企業(yè)所需的130多種關鍵材料中，32%的材料我國處于空白、完全無法生產，54%的材料國內能夠生產但質量較差，僅有14%國內可以完全自給。近10年我國新材料行業(yè)總產值變化及2025年預測見圖2。
圖2 近10年我國新材料行業(yè)總產值變化及2025年預測
根據(jù)中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會（簡稱石化聯(lián)合會）數(shù)據(jù)，2019年我國化工新材料產業(yè)規(guī)模約6000億元，市場總消費規(guī)模9000億元，進口額約3000億元，約占化工產品總進口額的25%；消費量約3488萬噸，自給率為70.6%，其中，自給率最低的為高端聚烯烴，僅有45.3%，工程塑料和電子化學品自給率均為60%，高性能合成橡膠和高性能膜材料均為66.7%；預計“十四五”期間我國化工新材料消費量將從2020年的3771萬噸增加到2025年的5717萬噸，年均增速8.6%。2021年5月石化聯(lián)合會發(fā)布的《石油和化學工業(yè)“十四五”發(fā)展指南》強調要加快化工新材料的發(fā)展，提出“十四五”末期化工新材料的自給率要達到75%，占化工行業(yè)整體比重超過10%。
隨著未來消費端對石油產品需求產生的根本性變革，我國煉化行業(yè)進入深刻調整期，煉油化工領域面臨轉型升級和綠色低碳發(fā)展的緊迫任務。由于目前國內油品需求進入平臺期并在2025年前后達峰，“十四五”期間需要將煉油能力控制在10億噸/年以內。在減油增化和“雙碳”目標等多重因素疊加的背景下，煉化轉型升級的技術需求更加迫切。同時，新基建、新一代信息技術的發(fā)展，對高端石化產品和高性能材料提出更高要求，市場需求也更加旺盛。總體而言，化工新材料既是目前石化產業(yè)的短板之一，也是未來石化行業(yè)轉型升級的主要方向。隨著“雙碳”目標的啟動，全球化工新材料進入新的發(fā)展階段，我國化工新材料產業(yè)迎來前所未有的歷史機遇期。
二、化工新材料在低碳發(fā)展中的作用
從化工新材料的全生命周期分析，在材料的原料供應環(huán)節(jié)，可以采用生物質、綠氫等可再生低碳原料以及直接以CO2為原料生產化工新材料，從而實現(xiàn)匯碳；在材料的生產環(huán)節(jié)，可以通過各種不同生產工藝路線過程將原料中的碳轉移到新材料產品中，從而實現(xiàn)固碳；在材料的使用消費環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)廢棄材料的回收與循環(huán)利用，從而實現(xiàn)減碳。
2.1可再生原料的匯碳作用
2.1.1采用生物質原料生產新材料
根據(jù)2015年12月12日巴黎氣候變化大會發(fā)布的《巴黎協(xié)定》，要確保全球平均氣溫上升幅度較工業(yè)革命前低2℃，并盡量將其控制在1.5℃以內；而要實現(xiàn)1.5℃的目標，未來全球60%的石油儲量、90%以上的煤炭儲量應“留在地下”，為此只有大幅削減化石能源的產量和用量，未來生物基替代化石基產品將成為大勢所趨。我國生物質資源豐富，主要包括農林業(yè)廢棄物、城市生活垃圾等。根據(jù)中投產業(yè)研究院研究結果顯示，我國每年可利用的生物質資源中農業(yè)廢棄物約4億噸，林業(yè)廢棄物約3.5億噸。生物質原料主要來源于太陽能和植物的光合作用，是吸收自然界CO2、實現(xiàn)碳匯的最佳途徑。在植物的生長過程中，通過光合作用，每年可將2000億噸的CO2轉化為碳水化合物，因此生物質材料的CO2排放量低，僅為石化基塑料的20%，屬于典型的低碳材料。
生物基產品生產和使用過程中均能大幅削減碳排放，隨著生物基產品占比逐步提高，減排優(yōu)勢將更加顯著。根據(jù)國際能源署（IEA）的研究結果，如果用生物基產品來替代石油化工品，從乙酸到己內酰胺，1t產品可減少1.2～5.2t的CO2排放，以乙烯和己內酰胺為例，1t生物基乙烯可減少CO2排放2.5t，1t生物基己內酰胺可減少CO2排放多達5.2t，詳見圖3。
圖3 生物基化工品對CO2的減排效果
目前，生物質原料主要用于能源、生態(tài)農業(yè)和環(huán)境修復、綠色建材、儲能碳材料等領域。在能源方面，生物柴油、生物乙醇、生物航空燃料等已經實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應用，其碳減排功效得到普遍認可；在生態(tài)農業(yè)和環(huán)境修復方面，如生物質可降解地膜、生物炭直接還田等技術已經接近實用化，正在小規(guī)模推廣；在綠色建材方面，木塑復合材料、秸稈復合墻板、新型纖維板等生物基新材料已經發(fā)展成熟；在儲能碳材料方面，利用生物質材料制備碳材料，用作電池石墨電極的替代品，提升鋰離子電池的儲能性能。生物質將是今后生產化工新材料的主要原料來源之一，隨著生物質氣化、催化裂解、發(fā)酵、生物煉制等高值化轉化利用技術的進步，目前以化石原料生產的高端合成樹脂、特種合成橡膠、合成纖維、先進工程材料、可降解材料，將來都可以通過生物質原料路線來生產。以生物基纖維為例，當前最有市場應用潛力的生物基纖維材料包括纖維素聚合物、生物基聚酯類[聚乳酸（PLA）、聚β-羥基丁酸酯（PHB）、聚對苯二甲酸丙二醇酯（PTT）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等]、生物基聚酰胺類（PA11、PA6、PA66、PA69、PA610）、生物基聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、生物基熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）以及淀粉基聚合物等。
目前，全球生物基材料產能已達3000萬噸/年以上，年均增速超過20%。由于各國生物質利用產業(yè)政策的驅動，生物基材料的應用范圍不斷拓展，正在加快從醫(yī)用材料和高端功能性材料應用領域向大宗工業(yè)產品和生活消費品應用領域轉變，在農用地膜、日用塑料制品、化纖服裝等方面逐漸實現(xiàn)規(guī)模化應用。美國農業(yè)部于2016年發(fā)布報告稱，到2025年，生物基化學品將占全球化學品22%的市場份額，其年度產值將超過5000億美元。據(jù)“2019國際生物基材料技術與應用論壇”預測，我國生物基材料行業(yè)保持20%左右的年均增長速度，總產量已超過600萬噸/年，正值發(fā)展的上升期。我國的生物基材料產業(yè)已經在環(huán)渤海、長三角、珠三角等區(qū)域初步形成了產業(yè)集群。目前在生物基材料與制品中，生物基塑料發(fā)展最快，主要包括可降解生物基塑料，如PLA、聚羥基烷酸酯（PHA）、聚乙烯醇（PVA）、二元酸二醇共聚酯、二氧化碳共聚物（PPC）等；非生物降解生物基塑料，如生物聚乙烯（BPE）、聚酰胺（PA）等；此外還有生物基再生纖維，包括生物基合成纖維、海洋生物基纖維、生物蛋白質纖維以及新型纖維素纖維等新材料。
在諸多的生物基化學品中，2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、異山梨糖醇等生物基平臺化學品備受關注。FDCA由羥甲基糠醛、二甘醇酸、康酸和己糖二酸等不同生物基原料合成，可以作為二元羧酸對苯二甲酸（PTA）的替代品，其與乙二醇聚合而成的2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF），不僅具有符合產品降解周期要求的生物可降解性能，也具有比石化基聚酯PET更為優(yōu)異的力學性能和對CO2和O2的阻隔性能，在包裝材料等領域用途廣泛。與PTA相比，F(xiàn)DCA可減少45%～55%的CO2排放。中國是PET聚酯生產與消費大國，發(fā)展PEF共聚酯有利于推動我國聚酯行業(yè)的碳減排和轉型升級。從葡萄糖脫水后獲得的異山梨醇是雙酚A的理想替代品，雙酚A可用來合成聚碳酸酯（PC）、環(huán)氧樹脂、聚砜樹脂、聚苯醚樹脂、不飽和聚酯樹脂等多種高分子材料以及增塑劑、阻燃劑、抗氧劑等多種精細化工產品，但雙酚A屬于低毒性化學物，其應用一直存在爭議。開發(fā)異山梨醇及其下游生物基聚酯衍生物產品，不僅有利于促進聚酯和諸多精細化學品原料的可持續(xù)發(fā)展，也有利于從產業(yè)鏈的源頭減少CO2排放。
2.1.2以CO2為原料生產新材料
（1）CO2熱化學轉化CO2作為主要的溫室氣體，也屬于可再生碳一資源，如何將CO2化學轉化為高附加值的能源材料及化工產品是行業(yè)的研究熱點。多年來，CO2主要用于生產尿素，在其他諸如碳酸飲料、食品冷藏、焊接、金屬加工等CO2綜合利用途徑中，并未直接消耗和減排CO2，因此研究如何以CO2為原料生產相關精細化工產品或化工新材料十分必要。目前，CO2主要的化工利用途徑包括合成甲醇、乙醇、聚碳酸酯、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙酸、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、丙烯酸酯、長鏈二元酸等，以及CO2與甲烷干重整制備合成氣。
在上述CO2利用路線中，合成甲醇需要氫氣的參與，采用源自可再生電力電解水制取的“綠氫”為原料，成為環(huán)境更加友好的合成甲醇新途徑，受到行業(yè)普遍重視并已進入示范階段；CO2與環(huán)氧乙烷共聚可以合成碳酸乙烯酯，CO2與環(huán)氧丙烷共聚可以合成碳酸丙烯酯，碳酸乙（丙）烯酯可生產聚碳酸亞丙酯多元醇（生產聚氨酯的原料）、聚碳酸亞丙酯基水性聚氨酯、CO2基阻燃保溫材料、全生物降解材料、高分子共聚生物材料；碳酸二甲酯可與苯酚反應合成碳酸二苯酯（DPC）、DPC再與雙酚A縮聚為聚碳酸酯工程材料、烯丙基二甘醇碳酸酯（ADC）樹脂材料、異氰酸酯（TDI、MDI、HDI），而異氰酸酯是非光氣法生產聚氨酯材料的重要原料。長鏈二元酸（含有10個或以上碳原子的直碳鏈芳香族飽和二元羧酸）是生產高性能工程塑料、高檔尼龍等的重要原料，以丁二烯和CO2為原料合成長鏈二元酸是一種全新的高檔尼龍原料工藝路線。綜合分析，將CO2與化學性質活潑的環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等進行反應制備聚碳酸酯以及可降解塑料等新材料，可望成為未來CO2應用的熱點領域之一。
（2）CO2電化學還原目前，CO2的轉化利用技術主要包括熱化學還原法、光化學還原法、光電催化還原法以及電化學還原法等。其中，前述利用CO2合成甲醇、乙醇、乙酸、碳酸二甲酯等均屬于熱化學還原法，主要是催化加氫反應，技術成熟，但也存在反應溫度高、部分副產物分離技術難度大、催化劑活性和穩(wěn)定性有待進一步提高等不足。光化學還原法和光電催化還原法反應條件溫和、具有節(jié)能、無污染等優(yōu)點，但存在太陽能利用率、轉化效率較低等缺點。電化學還原法采用電化學反應裝置，可在水溶劑或非水溶劑中使CO2轉化為CO、烴類、醇類、酯類、羧酸類等新產物，具體還原產物取決于反應過程中的電子數(shù)目。相較之下，電化學還原技術由于反應條件溫和、使用清潔能源、催化效率高、可合成多種含碳化合物以及能夠通過控制電解條件調控目標產物等優(yōu)勢而受到廣泛關注。
CO2的電催化還原可以在低運行溫度下以簡單的方法獲得碳氫化合物和含氧化合物，是一種很有吸引力的降低碳排放的方案。研究表明，通過選擇高活性電催化材料、增加CO2壓力或采用高效電化學反應器構型（例如使用氣體擴散電極GDE）等措施可以提高電化學還原效率。電化學還原技術的研究主要集中于催化劑方面。目前研究的電化學還原催化劑（金屬和非金屬活性組分）存在價格高、活性和穩(wěn)定性低等問題，因此開發(fā)價格低廉、選擇性高、穩(wěn)定性強的催化劑是今后的研究重點。天然來源的生物材料分布廣泛、易于獲取，高溫熱解后可制備結構多元、活性高的生物碳基材料，而以生物質基為前驅體制備的碳基材料作為CO2電化學還原反應的催化劑，其電子傳導性、氧化還原性等電化學性能優(yōu)良，是近年來電化學還原CO2催化劑發(fā)展的重點方向之一。此外，CO2還可用于新型電化學電池Al-CO2電池和Na-CO2電池的電極材料[19-20]。天津理工大學以Al箔為陽極、以離子液體為電解質、以完全非碳的Pd包覆納米多孔金（NPG@Pd）為一體化催化劑陰極的可再充Al-CO2電池，其陰極采用純CO2作為活性材料，電池放電時CO2在正極被還原、與鋁離子形成Al2(CO3)3和C，并在充電時分解，實現(xiàn)了CO2的可逆利用，其能量效率高達87.7％。這項研究為開發(fā)用于固定CO2的高效、高安全性、綠色和可再充電的儲能裝置提供了技術基礎[20]。在Na-CO2電池中，理論上CO2與Na+的電化學反應能提供1.13kWh/kg的高能量密度，電池使用的Na在豐度上比Li元素高3～5個數(shù)量級。Na-CO2電池可用于汽車尾氣處理，汽車尾氣中釋放的CO2可用于Na-CO2電池發(fā)電，以延長混動電動汽車的續(xù)航里程。
2.2 新材料的固碳作用
從石油加工轉化生產化工新材料的全過程分析，無論是合成樹脂、合成橡膠、合成纖維三大合成材料的高端化，還是生產先進工程材料、可生物降解材料，均要經過煉油過程首先生產石腦油、輕柴油等乙烯裂解原料，再經過蒸汽裂解裝置生產“三烯三苯”等基礎有機原料，最后采用基礎原料單體合成下游高端聚合物材料。其中，幾種重要的代表性材料如高端碳材料、汽車輕量化材料、光伏材料、碳捕集材料，或其材料本身、或其應用效果都有顯著的固碳作用，突出體現(xiàn)在可實現(xiàn)產品高碳、使用后減碳甚至零碳的目標。
2.2.1高端碳材料
碳材料通常指材料組成以碳元素為主體的材料，其種類很多，主要有碳纖維、中間相碳微球、天然石墨、玻璃碳、碳碳復合材料、硬碳、多孔活性炭、高取向石墨、炭黑、金剛石、碳納米管、富勒烯以及石墨烯等，其中碳纖維、碳納米管、富勒烯以及石墨烯等均為高端化碳材料。碳材料主要以煤炭、石油、天然氣生產，也可以用生物質原料生產。由于碳材料的成分主要是碳元素，在化石原料的轉化過程中有相當一部分碳轉移至碳材料中，有助于解決化石原料中碳的去向問題，支撐全產業(yè)鏈降低碳排放。
石油瀝青作為石油加工過程產生的一種大宗化學品，主要用作道路瀝青和建筑瀝青等，用途廣泛但工業(yè)附加值較低。隨著公路等級的不斷提高，對于道路用瀝青的等級要求也逐步提高，總體發(fā)展趨勢從普通道路瀝青、重交通道路瀝青，再到改性瀝青。改性瀝青作為一種高等級道路瀝青，是在基質瀝青中添加橡膠、樹脂、高分子聚合物、天然瀝青、磨細橡膠粉等添加劑，從而提高瀝青產品性能，其固碳量可達85%左右。中間相瀝青是制備瀝青碳纖維、碳微球、泡沫碳、針狀焦等高端炭石墨材料的優(yōu)質前驅體，其固碳量可以達到95%～98%，以其為原料制備的瀝青碳纖維具有高模量和高導熱的優(yōu)勢，在航天航空、尖端工業(yè)等領域具有廣泛的應用前景。
石油焦作為渣油經延遲焦化工藝生成的產物，其固碳量在90%左右。部分品質較好的石油焦經過煅燒后用作煉鋁廠預備陽極、金屬硅、碳化硅、石墨電極原料，進一步作為原鋁電解或鋼鐵冶煉中的間接材料，高硫、低密度石油焦則直接作為煉廠循環(huán)流化床（CFB）鍋爐、電廠、水泥廠、玻璃廠的燃料使用。事實上，石油焦作為優(yōu)質而廉價的碳源可用于很多高附加值新材料的制備,目前已經在包括納米碳化物材料、先進復合材料、智能材料和電池負極材料等在內的新材料領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。尤其是針狀焦可作為生產高功率和超高功率電極的優(yōu)質材料，同時在鋰離子電池、電化學電容器等方面也有廣泛應用，近年來隨著我國新能源汽車產業(yè)快速發(fā)展，對針狀焦需求增長較快，國產針狀焦供不應求。
鋰電池負極材料主要分為碳系和非碳系負極材料兩大類，碳系材料包括石墨、硬碳、軟碳和石墨烯等負極材料，其固碳量大于99.5%。石墨負極材料又可進一步分為天然石墨、人造石墨（針狀焦、石油焦）、復合石墨和中間相碳微球，以天然石墨和人造石墨的應用最為廣泛。非碳系材料分為硅基、鈦酸鋰和其他非碳材料。目前負極材料已經從單一的人造石墨發(fā)展到以天然石墨、人造石墨為主，中間相碳微球、軟碳/硬碳、無定形碳、鈦酸鋰、硅碳合金等多種負極材料共存的局面。
從石油瀝青到碳材料一般需要經過熱縮聚、生成碳基前驅體、高溫石墨化３個反應階段，碳質中間相作為重質芳烴類物質經過熱處理后生成的前驅體中間產物，已在中間相碳微球、中間相瀝青基碳纖維、碳模壓體黏結劑、針狀焦、活性炭制備方面取得較好的工業(yè)應用效果，特別是將石油瀝青轉化為高性能碳材料，在鋰離子電池、鈉離子電池、鉀離子電池等二次電池和超級電容器電極材料以及電催化領域具有重要的應用前景。
2.2.2車用輕量化材料
使用輕量化材料是汽車實現(xiàn)節(jié)能、降低排放、提高汽車動力性的重要途徑，據(jù)相關統(tǒng)計研究，汽車的每百千米油耗（y）與汽車自重（x）的函數(shù)系為：y=0.003x+3.3434，按此式計算，一般汽車自重減輕10%，可節(jié)約油品6%～8%，意味著減少相同比例的CO2排放量[23]。汽車輕量化常用材料一般包括高強度鋼、鋁鎂合金、合成樹脂復合材料、工程塑料、碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等。隨著對合成樹脂及其復合材料等的研發(fā)，“以塑代鋼”已成為汽車材料實現(xiàn)輕量化發(fā)展的主要方向，塑料等輕量化材質在汽車上的應用已經從結構件擴展到整車的內外飾件。車用塑料及樹脂基材料的發(fā)展主要是采用新型高強度、低密度輕質材料和輕質零件取代傳統(tǒng)鋼鐵零部件,同時采用新的成形工藝實現(xiàn)零件及車身部件本身結構的簡化和輕型化。
汽車輕量化中應用的化工材料主要是高端合成樹脂、工程材料及復合材料，合成樹脂如聚乙烯、聚丙烯，工程材料如尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯等，復合材料以樹脂基纖維增強材料為主，如碳纖維類的高性能纖維、環(huán)氧樹脂類的熱固性樹脂材料。此類材料在汽車輕量化領域的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在材料的技術含量高、功能性強、性能優(yōu)異、質量和體積輕薄，其應用已經涉及到汽車動力系統(tǒng)零部件、車窗零部件、內飾與外飾件以及車身整個汽車實體，尤其是在汽車輕量化中應用比較普遍的合成樹脂材料，目前已經在整車中40多個部位實現(xiàn)應用。由于車用塑料品種繁多，多種塑料品種的使用給汽車材料的回收再利用造成了巨大困難，因此除了要求材料輕量化之外，也要求使用的材料品種盡可能均一化，即使用品種盡可能少的塑料材料，使得材料在使用后便于回收利用。目前使用的均一化車用塑料主要是聚丙烯合金材料，不但可以取代多品種烯烴聚合物，還可以替代包括丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三元共聚物（ABS）和聚氯乙烯（PVC）在內的多個高分子材料品種，是集約化應用聚丙烯材料的優(yōu)良基礎樹脂材料。
圖4 我國車用塑料消費量變化及預測
2019年1月，北京石油和化學工業(yè)規(guī)劃院發(fā)布“中國車用塑料量分析及預測”數(shù)據(jù)，如圖4所示，2017年我國車用塑料總消費量為317.8萬噸，2020年為360萬噸左右，預計2025年總消費量達到478萬噸。從圖4可知，我國汽車輕量化中的化工材料用量相對較大，其中聚丙烯用量最大，2017年聚丙烯用量為190萬噸，2020年約210萬噸，2025年有望達到280萬噸，聚乙烯、ABS、尼龍、聚碳酸酯的消費量相差不大，聚甲醛（POM）樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）聚酯用量較少。整體上，我國車用塑料消費量呈現(xiàn)逐年增長趨勢，這類材料在“以塑代鋼”、實現(xiàn)車體輕量化、降低油耗、減少CO2排放方面作用突出，是汽車材料領域的研發(fā)重點。
2.2.3新能源材料
（1）光伏材料光伏材料是指能將太陽能直接轉換成電能的材料，太陽能電池板包括光伏玻璃、EVA（乙烯與醋酸乙烯酯的共聚物）、太陽能電池片、EVA和背板共5層材料，如圖5所示[26]。其中，電池片用單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等半導體材料。EVA作為封裝電池片的熱熔膠黏劑，能將電池片與鋼化玻璃以及背板牢固地粘接在一起，防止外界環(huán)境對電池片的電性能造成影響，同時可增強光伏組件的透光性，有利于提高光伏組件的電性能輸出。光伏裝置背板材料通常為聚氟乙烯復合膜材料（TPT），具有良好的絕緣性、阻水性、耐老化性，對電池片起保護和支撐作用。TPT通常有3層結構（PVF/PET/PVF），外層保護層聚氟乙烯（PVF）具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力，中間層聚酯（PET）薄膜具有良好的絕緣性能，內層PVF經過表面處理后與EVA具有良好的黏接性能。
2020年我國EVA樹脂消費結構中，光伏料占比38%、發(fā)泡料30%、電纜料17%、熱熔膠6%、涂覆料5%、其他4%。隨著我國光伏產業(yè)快速發(fā)展，光伏料消費量保持快速增長。2020年消費量約為63萬噸，預計到2025年新增需求176萬噸左右[27]。從供應面看，EVA光伏料生產壁壘高、擴產周期長、轉產限制多，國內具備EVA光伏料量產能力的廠家僅有斯爾邦、聯(lián)泓新科和寧波臺塑3家，累計產能不足40萬噸/年。其中，斯爾邦現(xiàn)有EVA產能30萬噸/年、光伏料產能20萬噸/年，位居國內首位。在未來預期供需緊張背景下，EVA行業(yè)仍將保持較高景氣度。
（2）風電材料風電產業(yè)上游材料主要有塔筒、風機、機艙罩、主軸、電纜以及葉片，其中風電葉片是風電機組將風能轉化為機械能的關鍵核心部件之一，其成本占風力發(fā)電系統(tǒng)總成本20%~30%。從風電葉片結構來看，主要由增強材料（梁）、夾芯材料、基體材料、表面涂料及不同部分之間的結構膠組成，見圖6。葉片的80%成本來自于原材料，而60%的原材料成本來自于增強纖維與基體樹脂。
在風電葉片的材料用量構成中，基體材料占比36%、增強纖維28%、芯材12%、黏接膠11%、金屬和涂層材料各4%、其余輔助材料5%。常用的基體材料包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂等，近年來聚氨酯也逐漸被應用到基體材料領域。增強材料主要有碳纖維增強復合材料（CFRP）和玻纖增強復合材料（GFRP）。風電葉片傳統(tǒng)以GFRP為主材制造，但其密度大于碳纖維，同時力學性能尤其是模量遠低于碳纖維復合材料，為確保風電設施的安全性，需要采用輕質高強高模的碳纖維復合材料制造葉片。涂層是為了保證葉片長期穩(wěn)定運轉而使用的防護材料，主要有聚氨酯、氟聚合物以及聚丙酸酯三類，其中聚氨酯因具有較強的附著力和耐油耐磨性而被廣泛使用。夾芯材料主要采用PVC泡沫，此外PMI泡沫、SAN泡沫、輕木以及天然纖維（竹纖維）也可被用作夾芯材料。據(jù)中國復合材料協(xié)會測算，2020年全球風電領域碳纖維需求達到3.13萬噸，隨著全球對清潔能源的需求增長，到2025年風電碳纖維需求量將達到9.73萬噸，增長率達到210.8%。
2.2.4碳捕集材料
在“雙碳”目標下，將CO2從燃料氣或煙氣中進行捕集的工藝技術及捕集材料的開發(fā)是行業(yè)關注熱點。從煙道氣中捕集CO2的方式主要有吸收法、膜分離法、低溫冷凝法和固體吸附法，其中使用固體吸附劑吸附CO2具有吸附溫度范圍寬（室溫~700℃）、吸附量大、回收率高、材料穩(wěn)定性好和吸附過程成本低等優(yōu)點，是目前使用最為廣泛和成熟的捕集火電廠排放CO2的技術。目前的吸附材料主要有碳基材料（包括活性炭、碳分子篩、碳納米管和石墨烯）、沸石、金屬有機骨架材料（MOFs）、金屬氧化物及其鹽、類水滑石類吸附材料以及負載胺基材料。
在諸多的吸附材料中，碳基吸附材料易于合成和再生，原料來源豐富穩(wěn)定、實用高效，但由于材料的弱范德華力使其吸附能力對溫度比較敏感，適宜在低于60℃下使用。沸石材料比表面積大、吸附穩(wěn)定，但是吸附溫度也容易影響其吸附能力，當溫度超過100℃時其對CO2的吸附能力就會降低。MOFs是一種新型的具有晶體結構的多孔材料，具有很高的比表面積和孔隙率，有序的孔道結構和易調的化學性質使其在CO2捕獲上表現(xiàn)出良好的吸附性能，但由于制備條件要求較高，未能廣泛應用。通常，碳基材料、沸石和MOFs材料的最佳CO2吸附溫度低于實際煙氣溫度，為此實際應用過程中需要對煙道氣進行冷卻或對吸附劑進行改性，以確保這些吸附劑適用于高溫吸附。
2.3 廢棄材料回收和循環(huán)利用中的減碳作用
2.3.1廢棄材料的化學回收技術
廢棄材料的回收和循環(huán)利用是節(jié)約資源、減少排放的重要途徑。以廢塑料為例，其回收再生的路徑包括物理方法和化學方法兩種。物理方法適合處理高價值、品類單一、較為干凈的廢塑料，回收的產物較難達到食品和醫(yī)藥等高價值應用領域要求。化學方法可以處理低價值、混合、受污染的廢塑料，包括廢塑料化學回收、化學循環(huán)兩種路線，其中化學回收是將塑料廢棄物經過一系列化學轉化，生成油、氣、焦炭、單體等中間化學品的過程，而化學循環(huán)是將塑料廢棄物經過一系列化學轉化，重新生成與石油基塑料同等品質的新塑料的過程。總體上，化學回收主要處理物理回收無法回收、回收效益較低或經物理回收后降級至無法再回收的廢塑料，其本質是通過技術進步將原來無法回收的廢塑料中的價值提取出來，因此化學回收與物理回收不是替代關系，而是互補關系。
化學回收法有多種技術路線，技術的選擇根據(jù)塑料種類而定。熱塑性塑料根據(jù)聚合反應不同，分為加聚類塑料和縮聚類塑料，加聚類塑料如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，縮聚類塑料包括PET、PA、PC、PU、PMMA等。對于加聚類塑料，通常使用裂解法進行回收，該法可將塑料分解成小分子化合物或單體，主要有熱裂解和催化裂解兩個方向，具體又包括氣化裂解法、微波裂解法、加熱裂解法、共混裂解法、超臨界水法、加氫裂解法、催化裂解法等；對于縮聚類塑料，則使用解聚法進行回收，在酸、堿、水、醇、催化劑等條件下，使塑料由高分子縮聚物降解成低聚物和/或單體。解聚法通常要使用溶劑，根據(jù)溶劑性質的不同，又可分為水解法、醇解法以及其他溶劑解法等。
2.3.2廢塑料化學回收的減碳效果
廢塑料化學回收的減碳效果十分明顯，可代替焚燒法處理塑料廢棄物，將碳固化在產品中，而不是釋放到大氣中，從而大幅減少碳排放。BASF、SABIC等著名化工公司及一些化學回收企業(yè)的研究結果表明，廢塑料化學回收相對于焚燒處置塑料廢棄物可減少碳排放50%左右，即處置1噸廢塑料可減少碳排放2噸以上，用化學回收處理中國(3000～4000)萬噸/年低值廢塑料，每年將減少CO2排放(6000～8000)萬噸。若將廢塑料轉化為燃料，其中的碳原子最終仍會排放到大氣中，因此從碳足跡角度分析，化學回收的技術發(fā)展方向，應當是更大程度地將廢塑料轉換成材料（如新塑料）而非燃料，同時技術進步帶來能耗進一步下降，減碳效果也將更加顯著。
近年來，隨著環(huán)保法規(guī)的趨嚴和城鎮(zhèn)生活垃圾分類工作的推進，國內廢塑料回收數(shù)量穩(wěn)步增長、產品質量不斷提高。截止到2020年底，全國塑料報廢量達到7410萬噸，回收再利用只占30%、填埋32%、焚燒31%、遺棄7%[33]。由于目前我國廢塑料回收仍以散戶回收為主，回收體系仍不完善，回收利用率偏低。隨著我國垃圾分類體系、無廢城市、循環(huán)經濟、垃圾資源化目標等政策的持續(xù)推進，塑料垃圾逐漸可以更低成本從垃圾中分離出來，化學回收將成為塑料垃圾減量化、無害化、資源化的有效解決方案。預計在未來5年內，正處在投資風口的廢塑料化學回收項目將催生千億級別產業(yè)規(guī)模的新市場，在推動塑料污染治理、資源循環(huán)利用和節(jié)能減排等方面發(fā)揮積極作用。(作者：何盛寶，黃格省)
