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中国石化设立“绿色环保汽车轻量化材料技术开发与应用”重大项目，北京化工研究院作为项目长单位，联合燕山石化、扬子石化等24家包括研发应用、汽车制件设计、生产制造的全产业链企业，发挥产学研用“大兵团”攻关优势，在原材料、复合材料、制件等领域进行集群式创新，历时3年实现全产业链贯通式创新，共申请国内外发明专利102件、制定标准9项，技术成果经鉴定整体达到国际先进水平、部分达到国际领先水平，为发挥中央企业独特优势开展重大项目“大兵团”攻关积累了宝贵经验。 用长玻纤材料制成的汽车后背门骨架 用发泡聚丙烯制备的车载工具箱 01 什么是汽车轻量化材料 汽车轻量化材料是指在保证汽车整车强度和运行平稳性的基础上，降低汽车整体重量从而实现节能降耗、降低碳排放的材料，包括高强度钢、铝合金、镁合金、高分子复合材料等。 其中，“以塑代钢”的高分子复合材料由于密度小、可塑性加工、回收利用率高等优点，成为轻量化材料重点发展方向之一。 具有代表性的4类汽车零部件： ①汽车保险杠和工具箱：此类部件需要有较高的刚性和韧性，耐冲击以缓冲能量，主要使用高抗冲聚丙烯和发泡聚丙烯。 ②汽车前端框架：这是安装各类仪表、显示器等功能元器件的支撑结构件，由于结构复杂，要求材料具有一定的刚性并易复杂成型，主要使用长玻纤增强的聚丙烯复合材料。 ③轮胎气密层及密封件：除胎面橡胶材料外，轮胎的气密层、用芳纶替代钢丝帘线的带束层及各部件间密封件的减重也不容小觑，动态硫化橡胶产品在这方面展现较大潜力。 ④低VOC（挥发性有机化合物）内饰件：汽车内饰件要求舒适、无气味、阻燃、轻量化，主要材料包括微发泡聚丙烯复合材料、高中空度的吸音棉、弹性体表皮等。 02 轻量化材料涉及的7个研究方向 “以塑代钢”的29种零部件涉及9种聚合物专用料、6种复合材料，包含35种牌号的合成材料。主要集中于7个研究方向： ①长玻纤增强聚丙烯 ②碳纤维复合材料 ③聚丙烯微孔发泡材料 ④动态硫化橡胶 ⑤高性能工程塑料 ⑥低VOC低气味汽车内饰材料 ⑦车用材料发展战略、数据库及标准。 03 攻关成效 北京化工研究院：作为项目长单位，在中国石化科技部的统一领导指挥下，主要负责组建攻关团队，凝练科学问题、确定攻关目标，开展日常协调、考核和最终验收，统筹推进项目实施。同时，作为课题长单位，承担了长玻纤增强聚丙烯、聚丙烯微孔发泡材料、动态硫化橡胶、低VOC低气味内饰材料4个课题，并参加了高性能工程塑料及发展战略、数据库和标准两个课题的攻关。 燕山石化：作为副项目长单位参加了5个课题的攻关，开发出了模量更高、刚韧平衡性更优异的长玻纤增强聚丙烯专用料；开发的低熔点高模量EPP珠粒发泡聚丙烯树脂，用于保险杠芯材、工具箱等汽车零部件制备；开发的溴化丁基/PA6合金TPV薄膜，使汽车轮胎气密层厚度从1毫米减薄至0.2毫米，每条轮胎可减重500克；开发的无卤阻燃PC/ABS合金用聚碳基础树脂，用于新能源汽车电池模组框架。 扬子石化：作为副项目长单位，开发出了长玻纤增强聚丙烯基础树脂，生产周期延长1倍，生产负荷增加30%。开发中熔指环保聚丙烯树脂，解决了工业装置架桥和混合不均问题，产品的常温冲击性能、氧化诱导期均提高了30%，建立了VOC关键成分溯源技术，提出了“少产生、少带入；速脱除、强吸附”新思路，实现在聚合和加工阶段靶向消减VOC和长生命周期耐老化的工业化目标。 上海石油化工研究院：作为无卤阻燃PC/ABS合金材料研发的牵头单位，与产学研用合作单位共同构建了从基础树脂原料、改性、零件加工成型到零件性能评价的完整研发链条和攻关团队，开展了PC/ABS合金组成、结构及高效阻燃剂的研究，较好地解决了阻燃性能与冲击、耐热性之间的平衡，试产材料的阻燃等级、低温冲击强度及耐热性能优于国外同类进口产品，并用于电动汽车电池模组框架等零部件。 上海石化：作为碳纤维复合材料研发的牵头单位，联合上海院、巴陵石化、胜利新大、常州大学，完成了碳纤维片状模塑料（SMC）、碳纤维汽车传动轴、轮毂等材料及部件的研制。在国内首次提出将环氧树脂作为SMC基体树脂，解决了材料在40摄氏度因稠化反应产生的热量无法散发、下层物料产生烧料等难题。 镇海炼化：通过气味溯源、长效耐老化剂的前端加入，抑制了环保型抗冲共聚聚丙烯内饰件专用料基础粉料的降解和有机物的释放；在提升弯曲模量和冲击强度的前提下，完成了成核剂助剂包的开发；在改进助剂配方基础上，加入特定光稳定剂，提升了改性料的力学性能。 天津石化：承担汽车内饰材料涉及的低VOC聚氨酯材料开发。确定了聚醚气味来源，采用酸中和及吸附技术，研制出低气味、低VOC聚醚多元醇精制成套工艺，生产的聚氨酯材料成功用于汽车门内护板和顶棚内衬材料。 仪征化纤：在国内首创了车用低纤高中空螺旋三维高品质吸音棉纤维聚酯专用料工业生产技术，并建立了成品纤维VOC分析和气味评价体系，形成控制标准，增强了吸音降噪效果、降低了内饰件VOC，满足了环保和乘用舒适新要求。开发了具有自主知识产权的轮胎骨架用国产对位芳纶纤维生产制造技术，满足了汽车胶管和轮胎应用要求。 茂名石化：着力打造轻量化汽车油箱专用料，通过深入剖析HDPE分子结构，从催化剂、添加剂、材料性能、六层燃油箱成型加工、成品油箱性能等方面开展系统攻关，成功开发出高强度、刚韧平衡的聚乙烯油箱专用料，取得了国家质量认证中心CCC认证，已在10余家油箱生产企业批量应用。 巴陵石化：开发了密封条专用SEBS牌号YH-604及其聚合与加氢工艺，工业化产品已成功应用于雨刮器、汽车天窗件、汽车尾箱垫、汽车扶风罩、挡泥板等。开发了力学性能、流动性能优异的聚酰胺树脂，满足了长纤/连续玻纤增强改性的要求；开发了新型抗氧体系，提升了耐黄变性能；开发了碳纤维复合材料用环氧树脂体系。 高桥石化：针对高性能工程塑料开展了聚碳PC与ABS树脂无卤阻燃合金材料的开发。ABS采用自由基本体聚合工艺，低顺式聚丁二烯为增韧剂，采用双体系改性方法，制备出了粒径分布在1.2~1.5微米的高性能ABS橡胶改性树脂，已成功用于新能源汽车电池模组框架。 经济技术研究院：承担软课题中汽车轻量化高分子合成材料发展战略研究，完成了5份调研报告，提出了中国石化在合成树脂、橡胶、纤维三大合成材料领域的发展建议。 化工销售公司：针对15种专用料开展了系统市场调研分析，反馈客户应用信息并为新产品开发提出建议；负责推广专用料牌号应用于29种汽车零部件的生产企业，实现了产业链的贯通。 北京化工大学：发挥长玻纤增强聚丙烯复合材料在界面熔融浸润及分散理论方面的基础和优势，根据动压轴承的建压原理，提出了“动黏增压，双向浸润”设计思想，研制出了熔融浸渍机头关键设备，为实现连续长玻纤增强聚丙烯高分散高浸润设备及工艺的开发和规模生产奠定了基础。 浙江大学：创建了超临界二氧化碳溶解度的测定方法；构建了热力学模拟方程，研制的无卤膨胀型阻燃聚丙烯发泡材料，极限氧指数（LOI）≥30。采用六方氮化硼二维导热填料、超临界二氧化碳辅助受限发泡工艺，制备出轴/径向导热差异18倍的取向性扁平孔洞结构复合发泡材料，拓展了新的应用场景。 南京工业大学：发挥在微流场反应领域的技术优势，开发出植物油环氧化反应—在线分离—环氧开环反应各单元的集成技术，可在厘米尺度下连续制备出新型生物基聚氨酯多元醇，并在中国石化实现万吨级规模生产。 湖南大学：开展了微晶石墨增强尼龙6的基础理论研究，掌握了微晶石墨矿粒径控制、苯乙烯—马来酸酐共聚物（SMA树脂）相容剂制备、微晶石墨矿/尼龙6复合材料结晶动力学等规律，攻克了尼龙6结晶性、微晶石墨矿与尼龙6间相容性及界面结合力的技术难关；突破了以往对无机矿物增强高聚物的认知。 中广核俊尔新材料：作为汽车部件的主要生产企业，采用中国石化高熔指聚丙烯原材料，复配成核剂、润滑剂及高效抗氧剂，成功开发出汽车内饰用玻纤增强聚丙烯新材料，并形成了规模化工业生产能力。与国内知名汽车主机厂联合开发了全塑前端框架、门内板、引擎盖板、后尾门等大型零部件，相关产品取代了进口材料，每吨为客户节约成本2000~5000元，与传统材料相比，单个零件减重30%。 04 专家访谈 曹湘洪：实现“双碳”目标必须降低汽车油耗电耗 2020年我国汽车保有量2.81亿辆，汽柴油消费量受疫情影响分别比上年下降1045万吨和600万吨，达到1.15亿吨和1.4亿吨，合计排放二氧化碳约7.8亿吨。汽车保有量中新能源汽车保有量492万辆，其中纯电动车400万辆，由于我国电力结构中煤电仍占70%，新能源汽车并没有对碳减排作出多少贡献。 实现碳达峰和碳中和目标，必须致力于降低汽车的油耗和电耗。汽车整备质量每减少10%，可降低燃油消耗6%~8%，减少二氧化碳排放4.5%；使用绿色轮胎，不仅提高车辆的安全性，轮胎滚动阻力还能降低20%以上，轿车可节油3%~5%，载重车可节油6%~8%。 高分子材料及其复合材料比重约为铝的40%、钢的14%，是实现汽车轻量化的重要材料。根据汽车零部件的功能及对材料的性能要求，开发相应的高分子材料及其复合材料，以及制造绿色轮胎的合成橡胶、合成纤维是实现汽车轻量化的迫切需求。 中国石化充分发挥在高分子材料领域的产业、技术和人才优势，创新开发生产多种汽车轻量化专用材料，其中部分材料已实现规模化应用，取得国际先进水平的创新成果，既支持了车辆降油耗电耗、减少碳排放，也加快了公司迈向世界领先洁净能源化工公司的步伐。 希望攻关团队继续努力，尚未规模化应用的材料尽早推广应用，已经规模化应用的材料要发挥优势拓展应用领域、扩大应用范围，市场有需求但还没有开发成功的新材料要加快攻关，已经面市的材料要迭代创新，实现应用一代、开发一代。（中国工程院院士） 谢在库：关键科学问题取得突破支撑项目高水平完成 能源、材料和信息是新科技革命的三大基石，而材料又是最主要的物质基础，高分子材料作为现代材料体系中最重要的分支之一，具有质轻、耐腐蚀、成型耗能少等独特优点，自问世半个世纪以来，在人们衣、食、住、行、健康和国家安全及经济发展等方面发挥着重要作用。 汽车轻量化非金属材料就是利用高分子复合材料比重轻、易加工、耐腐蚀等特点，同时赋予其高强、高刚和韧性，从而“以塑代钢”实现汽车材料轻量化。 高分子复合材料涉及众多科学问题，比如碳纤维增强、玻纤增强合成树脂，在不同材料之间热膨胀系数的差异，导致大型汽车制件的翘曲问题；加工成型时取向导致的性能各向差异问题，以及制件表面浮纤、光洁度问题等，凡此种种，都涉及基体材料、增强材料相界面的结合与剥离机制等共性科学问题。汽车轻量化重大攻关项目有效发挥石化企业、高校、科研院所的优势，在相关关键科学问题上取得突破，形成了具有国际先进水平的科研成果，从而支撑了整个项目高水平完成。（中国科学院院士） 卞凤鸣：重大项目攻关推动高水平科技自立自强 集团公司全力实施创新驱动战略，全力打造技术先导型公司，以“四个面向”为遵循，面向世界科技前沿，持续加强基础研究，打造原创技术策源地；面向经济主战场，深化产业链创新链融合发展；面向国家重大需求，重点解决一批“卡脖子”关键核心技术问题；面向人民生命健康，在关键领域打造创新平台；通过深化科技体制机制改革，充分发挥央企独特优势，实施“大兵团”作战，勇当产业链“链长”，通过“产学研用”协同攻关，实现全产业链贯通创新，最终实现高水平科技自立自强。 集团公司坚持“十条龙”和重大项目科技攻关的组织模式，集中行业内核心骨干科技力量，实施“大兵团”一体化联合研发，自2016年以来已有10余项技术完成攻关。汽车轻量化重大项目就是其中的代表，契合了绿色低碳、节能环保、材料高端化的发展趋势，很好地诠释了高质量发展和高水平科技自立自强的内涵。（集团公司科技部总经理） 梁爱民：“产学研用”团队攻关实现全产业链贯通式创新 项目选取量大面广的部件作为主攻方向。针对六种复合材料所涉及的科学、工程和应用技术问题，组建了国内最具优势的 “产学研用”攻关团队。由汽车企业提出要求，制件企业负责加工制造过程，基础原料企业负责生产工艺，高校开展基础理论研究。各课题牵头单位负责从基础原料到制件的技术统筹。 三年攻关历程表明：开展“大兵团”协同攻关，必须由集团公司总体统筹，以需求为导向，以凝练出的科学问题为切入点，组建全产业链攻关团队，才能实现上下游贯通式创新。在开发过程中，集团公司科技部把总舵，攻关团队胸怀“一个目标，一条心，一家人，共荣光”的协作精神，确保了项目高质量完成。该项目体现了企业作为创新主体，分工协作、集中力量办大事的优势，为开展重大系统性科技创新积累了可借鉴的经验。（集团公司首席专家、项目长） 素材来源 | 中国石化 |
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