来源丨墨子沙龙（ID：MiciusSalon）
作者 | 姚文斌(陶氏化学技术总监)
谢谢陈教授的介绍，我是来自陶氏化学的姚文斌博士。一个月前上海研究院的老师联系我，想让我来做一个关于材料创新和材料未来的讲座，事实上，我心里非常惶恐，因为中科大为化学材料界培养了许多非常优秀的毕业生，我觉得他们比我更适合站在这个舞台上。2012年，汤森路透根据2000年到2010年发表文章的引用率，发布了全球top100的材料科学家的榜单，其中有15位华裔科学家，有7名是中科大校友。排名第一的是大名鼎鼎的杨培东教授，还有夏幼南教授，除此之外9212一个班，就有三个同学名列其中。顺便提一下，我是8612的。
我们这些优秀校友和材料科学家，在世界顶级的研究单位从事研究工作，引领着材料界的发展方向，他们比我更适合站在这个舞台上。因为我是在工业界从事研发工作，所以，后来，研究院的老师希望我从工业界的角度分享材料创新的体会和实践。
我想教授们专注的可能是新材料，新材料的研究，以及未来的应用潜力，而我可能从应用的角度和市场驱动的角度，来分享材料创新，分享我们在材料创新工作中的体会和实践，从另外一个视角提供给大家参考。
化学工业的本质，其实是将原材料通过化学工艺、化学过程，转化为更有价值的材料，这其中会出现排放副产物，危废需要处理。而再处理危废材料产生的代价，一定要低于其创造的价值，这样我们化学工业才有意义。
化学工业的投入量非常巨大，2015年的数据显示，化学企业对研发的投入高达1000亿美金。一般来讲，化学企业有两类，一类是通用化学品，销售额的2-3%用于研发。另一类是特殊化学品，企业研发投入高达销售额的10%。但是这么大的研发投入，从结果来看的话，是让人非常的悲喜交加的，跟医药行业和航空业相比，对新材料的投入和产出，需要花的时间更长，整个销售额的成长更缓慢。医药一般来说十年销售达到峰值，航空业可能更快，但是新材料的投入，销售额达到峰值要15年以上，这是麦肯锡在2012年的一个报告。
举一个例子，PVC管材，大家如果在国内装修自己的房子可能会用到这个材料。第一根PVC管材，在50年代初从工厂生产出来，到真正的上量到了10万吨销售量的时候，花了18年的时间，才大面积的铺开。市场的接受度是需要15年以上的时间，由于这个原因很多的企业现在对新产品的投放，迫于资本市场的压力，对新产品、新技术的投放变得越来越保守，相反他们更倾向于产品的迭代和产品线的延伸。
另外一个更著名的例子，就是碳纤维，60年代初就发明了碳纤维的制造工艺，但是到了70年代初才找到第一个应用：航空航天。可以不计成本，却不适合大规模推广。烟台光威在这方面做得非常好，它利用碳纤维做各种各样的体育用品。后来在汽车市场得到尝试，但也没有大规模的推广，主要是价格的原因，这个我后面还会介绍。最近几年，风电的叶片做得越来越长，碳纤维在风电厂得到大规模的应用，而达到1万吨使用量的碳纤维花了大概30几年的时间。
陶氏化学在121年创新历程当中，跟美国的工业是紧密相关的，相伴相生。我们回顾过去100多年材料创新的发展历程，体会是这样的，材料创新有三个阶段。
第一个阶段是上个世纪前50年，主要是创造新分子，设计新的分子，并形成产业化，为这些新的分子找到应用场景，我们说这个阶段属于新分子驱动的材料创新。在这个阶段陶氏化学有一个著名的成就：1937年在美国，首次将聚苯乙烯高分子材料产业化，开创了工程塑料的时代，聚苯乙烯被做成了墙体的保温材料，在美国市场占有率一直很高，目前一直在生产销售。
第二个阶段是上个世纪后50年，这个阶段我们认为是先开发应用，了解市场需求，客户的需求，然后再回到实验室，进行分子设计，材料设计，得到相应的材料，反馈给市场，所以我们认为这是应用开发驱动的材料创新时代。在这个时代，我们在1984年，全球首次推出了反渗透膜的产品和技术，这是为了应对市场对净化水技术的要求。
那个时候水资源严重匮乏，需要对污染的水源进行净化提纯，反渗透膜这项技术，基本上把水里面所有的东西都能去掉，把所有离子都能去掉，可以得到最纯净的水。中国很多家庭已经装了净水器，净水器有好几级的过滤装置，其中最关键的一般是第三级，用的是反渗透膜的组件，反渗透膜组件很多来自陶氏化学的反渗透膜。
在过去二三十年里面，我们发现材料创新有一些变化，越来越多的材料创新，被多学科融合所驱动。有一个例子，在2005年，陶氏化学农业部推出Omega-9的健康油，因为它是在阿根廷种植菜籽，进口到中国，目前在中国市场上供应有限。这是一款最健康的食用油，因为反式脂肪酸的含量是0，饱和脂肪酸含量低，好的不饱和脂肪酸含量比较高，是比较好的健康食用油。Omega-9健康油，是化学跟农业科学及生命科学融合驱动的材料创新的产品。 在过去一百多年当中，材料创新的方式和驱动力上已经有了一些改变，目前多学科融合变得越来越重要。
当今社会面临很严峻的世界性的挑战。刚才白波介绍了，我们环境的污染，造成水资源严重匮乏，2030年左右，我们人类社会对净水资源的需求将会增长50%。过去的环境污染造成地下水污染，地下水重金属含量过高。此外因为人口的发展，我们对食物的需求也增加了，在未来的30年要增加70%。而能源的消耗，在未来15年也要增加30%。未来在做材料创新的过程中我们要兼顾环保的因素，兼顾到节能节源的因素，材料创新的活动变的非常有意义，其实也非常有必要，让我们生活更加可持续化。
我们在中国的研发团队，过去几年时间，根据市场的需求，也做了相应的材料创新的活动。接下来跟大家分享一下。
其中很著名的案例——“毒跑道”事件。过去四五年，在媒体上有非常多的报道：很多中小学生，因为体育场毒跑道释放出来有味道的气体中毒，身体健康受到危害。虽然没有官方的报道是什么原因造成的，但是从媒体的报道，我们分析可能的原因是使用了过量的有机溶剂、塑化剂，以及施工过程当中不良的操作。所以在三、四年前，我们开发了水性跑道技术，不含任何的有机溶剂，环保绿色无毒无味，适合中小学、幼儿园、托儿所，以及居民聚居的小区铺设。还有一点，大多数跑道是红色或者其他深色的，用以前的技术生产的跑道在日光暴晒下颜色会黄变，我们新的跑道技术是不会黄变的，我们帮助客户采用浅色的跑道，上面这个蓝色的跑道，就是我们帮助客户铺设的。目前全国大概有500多条跑道，已经采用我们水性跑道技术。
我们在校园里建设“Green Campus”，采用了全水性的跑道技术，以及相关去甲醛的建筑涂料等等，我们有很多相关的绿色产品，成为建设“绿色校园”的示范。很荣幸在2017年这项技术获得了R＆D 100的奖项，大家可能不了解，R＆D 100是技术创新界的奥斯卡奖，每年从全球遴选出100项创新技术给予嘉奖，2017年我的同事因为这项技术被邀请到美国的奥兰多领取R＆D 100的奖项。
第二个跟大家介绍的案例是共享单车，共享单车是我们中国独特的风景线，解决了最后一公里的交通问题。共享单车很重要的痛点，就是免维护，或者尽量少维护，这样才能减少人力成本的投入。骑过单车的人知道，传统的自行车是打气的橡胶气胎，这种橡胶轮胎非常好用，骑行舒适轻便，但是容易漏气和爆胎，这个时候维护费用会很高。另外一种技术方案是采用热塑性弹性体，它虽然解决了免维护的问题，但是骑行的舒适性并没有那么好，因为它比较硬，比较笨重，生产效率低，成本比较高。
我们帮助摩拜公司用聚氨酯材料发展了实心轮胎，起到了免维护的作用，而且重量轻，生产效率很高，骑行的舒适性和气胎差不多，生产效率很高。这项技术得到摩拜全面的铺展，摩拜的轮胎都是采用聚氨酯材料做的，摩拜APP的下方写有采用陶氏化学免充气轮胎。
每个家庭都有电冰箱，电冰箱的外壳一般是铝合金，打开以后是塑料的内胆，内胆跟铝合金之间是一个聚氨酯的发泡材料，起到节能保温的功能。对海尔、海信等冰箱生产厂家来说，材料的隔温性能非常重要，也就是导热系数越低越好。导热系数来自三部分的贡献，一个是发泡材料里面的气体，另外是聚氨酯发泡材料的固体材料，以及辐射。气体发炮剂，是冰箱生产厂家根据型号、投放的国家、地区以及定价来决定。固体和辐射这两块，我们作为聚氨酯材料供应商，进行改善。这里面最终分析下来有两个要素，一个是密度，密度越低，固体的导热系数值越小，还有发泡形成的泡孔越细的话，辐射的导热系数值也会越小，加起来总的值也会越小。
我们如何实现的呢？我们发明了PASCAL的技术，如果看电镜照片，就会看到PASCAL产生的泡孔，是一般传统技术的1/2到2/3的大小。因为这项技术应用以后，K值下降了，同时脱模时间降低了，生产效率提高了，我们的客户非常喜欢。因为模压更低，脱模更快捷，注射更快，密度也降低了。怎么实现PASCAL技术呢？说起来很简单，平常是在常压下发泡，而PASCAL技术是在真空也就是在负压状态下发泡，反应加快，泡孔更细更致密，所用的材料也更少。
为什么是我们创造发明的呢？因为我们找到了很好的高端装备制造商Cannon，可以实现我们的想法，而且把设备工业化生产出来，所以这是一个很好很典型的案例。新材料的研发，也要跟多学科融合，这是跟高端装备技术融合的成果。这项技术在2011年，全球首次在重庆生产基地实施，效果很好，同时也在不同国家的生产基地包括俄罗斯、东南亚采用了这套技术。
杆塔技术是我们另外一个案例，以前我们看到的都是水泥基的杆塔，非常重，它有一个问题，遇到强台风时还会被刮倒，因为太硬了扛不住，在冬天冰雪沉重的时候也容易断裂，因为太脆了，南方多山林的地带，需要急修的时候，需要搬迁的时候，又难以运输。因为在山上不太容易运输，所以电网公司希望有更轻便的杆塔技术，同时性能也能更好，不太容易被刮倒，或者不太容易因为承压而断裂。我们采用了复合材料的技术，聚氨酯复合材料，帮助我们的客户采用传导的工艺实现了工业化，使用了复合材料的杆塔技术以后，变得非常轻便，真正的重量只是原来的1/4，短一点的杆塔甚至一个人扛着就可以运输上山。
最后讲汽车，汽车的发展趋势是更轻量化、更安全、更牢靠、以及使用时间更长久。汽车有一个非常重要的指标，就是燃油消耗量，大家很清楚它跟车辆的重量呈正相关，为了降低燃油消耗量，汽车重量就要下降。特别是我们中国电动汽车快速发展，对汽车车辆的轻量化要求更高，因为汽车轻量化决定每次充电的行驶里程，也就是续航力。在前面演讲当中提到了碳纤维，用碳纤维来实现汽车的轻量化，相比钢铁，碳纤维可以减重60%，相比铝合金可以减重20%到40%，是非常好的材料，但是太昂贵，所以碳纤维生产厂商需要不断地降低成本。
我们陶氏化学作为树脂的供应商，也可以做一些贡献，通过对树脂的优化，可以降低对碳纤维的要求，降低对碳纤维含量的使用，最终起到降低成本的作用，碳纤维需要跟树脂配合。更重要的是为了在汽车工业得到大规模推广，加工周期一定要快，因为汽车工业的生产效率非常高，所以碳纤维复合材料加工周期也要很短，甚至要自动化加工工艺生产。我们公司的欧洲同事经过十多年的努力，将加工周期从原来的几个小时，缩短到现在的5分钟之内，这样才能满足于汽车生产的要求。目前这项成果已经成功的应用到奥迪A8的车辆上。
我们介绍了五个中国过去几年当中材料创新的实验，可以看出材料创新其实跟我们日常生活息息相关，刚才讲到共享单车、冰箱、车辆、杆塔、输送电源、以及跑道，都跟我们的日常工作息息相关。其实这些项目有一个共同特点，我们材料创新还是以市场为导向，社会需求为导向，客户要求为导向。以客户的需求推动我们对材料进行相关的设计，反馈到市场，满足市场的要求，满足客户的要求。另外还可以看到这些项目，跟环保节能也是息息相关的，因为我们认为，材料的创新，只有紧密的围绕环保、节能，这样材料的创新才会有生命力，材料的创新才会长久，材料的创新才会可持续。谢谢大家！
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