科賽新材：聚四氟乙烯材料在氫能行業(yè)的運(yùn)用

“聚四氟乙烯材料屬于環(huán)保型新材料，能廣泛應(yīng)用于新能源、電子半導(dǎo)體、汽車(chē)等高尖端行業(yè)。” 科賽新材氫能項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙鈺鋒在2022高工氫電年會(huì)上表示，聚四氟乙烯材料在耐高低溫、耐腐蝕、耐老化等方面都有優(yōu)異的表現(xiàn)。

在本屆年會(huì)的電堆與核心材料專(zhuān)場(chǎng)，科賽新材氫能項(xiàng)目負(fù)責(zé)人趙鈺鋒發(fā)表了“聚四氟乙烯材料在氫能行業(yè)中的運(yùn)用”的主題演講。趙鈺鋒分析了聚四氟乙烯材料在氫能領(lǐng)域應(yīng)用前景，并介紹了科賽新材的聚四氟乙烯材料制備工藝情況。

什么是聚四氟乙烯材料？

聚四氟乙烯材料（PTFE）不同于普通的工程塑料，它的原料不是源自石油和天然氣，而是礦產(chǎn)資源——螢石，螢石在中國(guó)古代也被稱(chēng)為夜明珠，在中國(guó)有著廣泛的分布。中國(guó)也是世界上螢石礦含量比較豐富的國(guó)家之一，礦產(chǎn)含量位居世界第三。

聚四氟乙烯材料在生產(chǎn)流程中，首先會(huì)將螢石礦與硫酸發(fā)生反應(yīng)生成無(wú)水氫氟酸，無(wú)水氫氟酸加入氣體、制冷劑再反應(yīng)后，就會(huì)轉(zhuǎn)化為四氟乙烯（TFE)、六氟丙烯（HFP)、偏氟乙烯（VDF)、三氟氯乙烯（CTFE)、PVE（Per-fluoro Vinyl ether)等主要氟單體，最后通過(guò)聚合主要生成氟樹(shù)脂、氟涂料以及氟橡膠等三類(lèi)物質(zhì)。

四氟乙烯通過(guò)不同的制備工藝，能生成特色不同的聚四氟乙烯樹(shù)脂，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的有兩種制備工藝，分別是懸浮聚合和分散聚合。

懸浮聚合法是將四氟乙烯在水介質(zhì)中，以過(guò)硫酸鹽為引發(fā)劑，進(jìn)行懸浮聚合后，經(jīng)搗碎、研磨、洗滌、干燥，制成懸浮聚合樹(shù)脂，這類(lèi)材料可制成板、棒、管、薄膜等型材。懸浮聚合法發(fā)展得比較成熟，是工業(yè)上合成聚四氟乙烯的主要方法。

分散聚合法是將四氟乙烯在水介質(zhì)中，以全氟羧酸鹽為分散劑，氟碳化合物為穩(wěn)定劑，在過(guò)硫酸鹽或其氧化還原體系的引發(fā)作用下進(jìn)行分散聚合得到分散液，分散液經(jīng)凝聚、洗滌、干燥制成分散聚合樹(shù)脂，這類(lèi)材料可制成質(zhì)子交換基材膜、纖維管、纖維編織絲等。

PTFE屬于環(huán)保型新材料，廣泛應(yīng)用于新能源行業(yè)、電子半導(dǎo)體行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、石油化工行業(yè)、醫(yī)療器械行業(yè)、航空航天行業(yè)、船舶運(yùn)輸行業(yè)等。

PTFE也被稱(chēng)為氟聚物中的“塑料王”，具有多種優(yōu)異的特性。如優(yōu)異的耐高低溫性，PTFE可以在零下180度到260度長(zhǎng)期使用，保持基本性能不變；極強(qiáng)的耐絕緣性，PTFE介電強(qiáng)度可達(dá)10KV/MM；稀缺的不燃性，PTFE的限氧指數(shù)在90%以下，阻燃等級(jí)UL V-0。

此外，PTFE屬于耐腐蝕性材料，具有卓越的耐腐蝕性，除了熔融的堿金屬之外，基本不會(huì)與任何化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)異的耐老化性也讓PTFE可以長(zhǎng)期暴露在大氣中，其表面及性能都能保持不變。同時(shí)， PTFE表面的摩擦系數(shù)最低可以達(dá)到0.04，具備固體材料中最低的表面能。

憑借如此優(yōu)異的特性，也讓科賽新材對(duì)PTFE在氫能領(lǐng)域的運(yùn)用有了更大的想象空間。

聚四氟乙烯在氫能行業(yè)的應(yīng)用

浙江科賽新材料科技有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：科賽新材）是沃特股份（002886)）的子公司，位于湖州莫干山高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。科賽新材是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展含氟高分子材料及其應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)之一，具備年產(chǎn)3000多噸PTFE及各類(lèi)特種工程材料生產(chǎn)能力的企業(yè)。

質(zhì)子膜在生產(chǎn)過(guò)程中主要有兩種工藝，一種是轉(zhuǎn)印，一種是涂布。科賽新材基于在5G通訊液晶半導(dǎo)體芯中積累的薄膜研發(fā)技術(shù)以及成熟的生產(chǎn)工藝，將PTFE運(yùn)用到氫能領(lǐng)域，研發(fā)出獨(dú)有的膜電極轉(zhuǎn)印工藝以及專(zhuān)用轉(zhuǎn)印薄膜。

科賽新材的轉(zhuǎn)印工藝，首先會(huì)將催化劑的漿料進(jìn)行配置，然后再將配置好的催化劑涂布到轉(zhuǎn)印離心膜上進(jìn)行烘干，接下來(lái)將烘干固化的催化劑轉(zhuǎn)印到質(zhì)子交換膜上，再去除轉(zhuǎn)印薄膜進(jìn)行密封邊框的加工，最后形成膜電極。

“在研發(fā)早期，我們的轉(zhuǎn)印薄膜碰到了一系列的問(wèn)題，比如在轉(zhuǎn)印之后，由于轉(zhuǎn)印薄膜的表面棱比較高，轉(zhuǎn)印時(shí)會(huì)殘留下一些催化劑，又或者轉(zhuǎn)印薄膜的耐溫性能不夠，導(dǎo)致薄膜在高溫下的收縮率比較大、薄膜表面的平整度不夠等一系列問(wèn)題。”趙鈺鋒表示，針對(duì)這些問(wèn)題，科賽新材也進(jìn)行了一系列改進(jìn)。

科賽新材與客戶進(jìn)行了深入的交流，經(jīng)過(guò)多年的研究及開(kāi)發(fā)，將聚四氟乙烯樹(shù)脂原料經(jīng)模壓、燒結(jié)工藝后，通過(guò)超高精度車(chē)削設(shè)備制作成薄膜，提高了其在高溫下的尺寸穩(wěn)定性以及表面平整度。

從而推出了CSFM-800H氫能轉(zhuǎn)印薄膜，其具有高溫環(huán)境下薄膜收縮率低、邊緣翹曲度小、耐高溫以及可定制化生產(chǎn)的特點(diǎn)，受到了市場(chǎng)的廣泛好評(píng)。

除了轉(zhuǎn)印薄膜之外，科賽新材也將PTFE運(yùn)用到攪拌槳中。在催化劑的配置過(guò)程中需要用到攪拌槳，普通的金屬攪拌槳會(huì)與催化劑發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致品質(zhì)發(fā)生問(wèn)題，但科賽新材將PTFE與不銹鋼結(jié)合，在前者發(fā)揮獨(dú)特的防腐性能的同時(shí)又能利用不銹鋼材料高的強(qiáng)度，使兩者進(jìn)行互補(bǔ)，滿足客戶需求。

“之前我們會(huì)用石棉橡膠板制作堿性水電解水槽的墊片，但由于石棉被認(rèn)定為一級(jí)致癌物以及其他的一些因素，我們決定改用PTFE制作的填充改性板。”趙鈺鋒還表示，PTFE墊片的制作也不是一帆風(fēng)順，在生產(chǎn)過(guò)程中也遇到許多問(wèn)題。

其一是PTFE本身的蠕變性比較差，會(huì)導(dǎo)致墊片出現(xiàn)了氫氣泄漏的密封性問(wèn)題；其二由于PTFE在高溫下熱穩(wěn)定性不足，墊片的尺寸也會(huì)出現(xiàn)偏差；其三，生產(chǎn)工藝的不足也讓墊片的厚度均勻性、圓滑度出現(xiàn)了較大的差異。

針對(duì)以上的問(wèn)題，科賽新材在PTFE樹(shù)脂中添加一定量填充劑，如玻璃纖維、青銅粉、二硫化鉬、石墨、碳纖維等，經(jīng)高速混合均勻后用模具壓制成型，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成墊片從而改善了PTFE的某些特性，特別是耐磨耗、硬度、抗蠕變、自潤(rùn)滑等方面比純聚四氟乙烯制品有了較明顯的改善。此外，科賽新材也會(huì)根據(jù)客戶需求的不同，采用不同的制備工藝，從而對(duì)墊片進(jìn)行定制化的生產(chǎn)。

展望未來(lái)，科賽新材計(jì)劃啟動(dòng)年產(chǎn)8000噸高性能新材料及新能源、半導(dǎo)體高端裝備項(xiàng)目，該項(xiàng)目總投資5.5億元，規(guī)劃用地面積100畝，項(xiàng)目建筑主體包括生產(chǎn)車(chē)間、研發(fā)中心、倉(cāng)儲(chǔ)中心、綜合辦公樓和職工之家等，并配置智能化先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和高精密檢測(cè)儀器。

科賽新材將繼續(xù)深耕于高端工程材料領(lǐng)域，打破國(guó)外壟斷，為中國(guó)高端基礎(chǔ)材料解決“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，并致力打造成為國(guó)內(nèi)最高端的5G、新能源、半導(dǎo)體、軍工、醫(yī)療健康、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域核心關(guān)鍵材料制造基地。