石油時代

電腦用的ABS外殼，電線上的PVC絕緣層，插線板使用的PF酚醛樹脂，手邊的PMMA中性筆，耳中響起來自PC外殼手機(jī)的鈴聲……天哪，我們到底一天要接觸多少種不同的塑料？來自塑料的挑戰(zhàn)使得合金時代嚴(yán)重縮水，遠(yuǎn)不像其他時代的漫漫千年。從總量上來說，我們所處的時代已經(jīng)處在從合金時代向復(fù)合材料時代邁入的階段。

快速替代合金的新材料

如果有人問哪些材料產(chǎn)量最大，那么水泥、鋼材、木材一定是容易被想到的。沒錯，目前全球每年水泥的總產(chǎn)量超過30億噸，鋼材也超過10億噸，近一半的產(chǎn)量均出自于中國；木材全球總產(chǎn)量大約15億立方米，折合質(zhì)量大約也有10億噸。除了這三種材料以外，再沒有任何一種材料的總產(chǎn)量可以達(dá)到10億噸級別，再往后數(shù)就要說到紙張和塑料了。

目前全球塑料的總產(chǎn)量超過3億噸，比起紙張的4億噸略有不足。如果按照體積來計算，由于鋼材的密度平均是塑料的5-8倍，鋁材也是塑料的2-3倍，實際上塑料的體積產(chǎn)量比鋼材和鋁材總和還要大。

材料是科技發(fā)展的象征，每一個時代都會因為當(dāng)時所使用的材料而留下特別的印記，所以考古學(xué)上有舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等幾個階段。很多考古學(xué)家建議還要在新石器時代的同時覆蓋陶器時代（兩個時代重合度較高，陶器時代略晚）。然而，對于我們目前的定位則有很多說法，相比于“硅時代”只能代表一個行業(yè)，用“合金時代”這個詞或許更可以概括當(dāng)下的材料特征。

鋼材與鋁合金是我們這個時代的典型材料，其他的諸如飛機(jī)使用的鎂合金、精密機(jī)械使用的鈦合金、造幣使用的鎳合金也在生活中備受重視，半導(dǎo)體等電子構(gòu)件也離不開一些特殊的合金，通常要用硅、砷等非金屬與鎵、鍺等金屬摻雜（本質(zhì)上很多并不是合金材料而是具有特定原子比的化合物或半合金，為表述方便本文均以合金來歸類）。但來自塑料的挑戰(zhàn)使得合金時代嚴(yán)重縮水，遠(yuǎn)不像其他時代的漫漫千年。從總量上來說，我們所處的時代已經(jīng)處在從合金時代向復(fù)合材料時代邁入的階段。

隨著中國等經(jīng)濟(jì)體基礎(chǔ)建設(shè)的節(jié)奏放緩，全球鋼材和鋁材的增長趨勢將初步放緩。目前全球鋼材的平均年增長率約4%，鋁材為6%左右，而塑料則在8%左右，未來它們之間增長的差距還將繼續(xù)拉開。更要命的問題是，傳統(tǒng)上認(rèn)為必須要使用合金的領(lǐng)域正在被塑料逐個擊破。

“以塑代鋼”被認(rèn)為是目前的一種趨勢，實際上這樣的過程也正在進(jìn)行之中。在很多人眼中，汽車與鋼材是密不可分的兩個行業(yè)，因為造汽車需要大量的各類鋼材。然而，近些年來，汽車?yán)镤摬牡某煞衷絹碓缴伲擞行┎课槐讳X合金替代以外，大多數(shù)是被替換成了塑料。全球汽車平均的塑料占比大約達(dá)到重量的10%，考慮到密度的差異，從體積上看，塑料占比則在1/4到1/3之間，分布在發(fā)動機(jī)、外殼最外層、底盤以外的各種位置。這樣的替代還沒有結(jié)束，幾年前全塑概念車就已經(jīng)出現(xiàn)，未來有一天跑在大街上可能也會實現(xiàn)——問題是，塑料真的能夠勝任嗎？

看過2013年大熱日劇《半澤直樹》的觀眾或許會對其中主角父親半澤社長開的樹脂螺絲廠有點(diǎn)印象，其主要產(chǎn)品就是高強(qiáng)度樹脂螺絲，重量僅僅1克承重卻高達(dá)1470牛頓，這是任何鋼材也無法實現(xiàn)的性能，故而被半澤社長認(rèn)為可以“支撐起整個日本”，而這段故事的背景設(shè)定在1987年，27年前。電視劇里的情節(jié)固然不能反證科技的力量，但卻能反映高強(qiáng)度塑料已經(jīng)滲透到藝術(shù)作品，并且用來象征日本的制造業(yè)，足可見其影響力。在真實的世界中，聚酰亞胺實現(xiàn)上述性能就跟玩兒一樣，絲毫不是問題。

所以在包括汽車在內(nèi)的傳統(tǒng)金屬制造業(yè)，以塑代鋼只不過是時間問題。塑料目前還沒有徹底攻破金屬的防線，并不是性能上的缺陷，恰恰是由于高強(qiáng)高韌塑料成本過高造成，這或許出乎很多人的意料。如果這一點(diǎn)不足以采信，那么只需要對比飛機(jī)的參數(shù)就可以看出端倪。飛機(jī)對重量的要求更為苛刻，并且飛機(jī)制造業(yè)的成本壓力較小，所以現(xiàn)代飛機(jī)中塑料重量占比已經(jīng)達(dá)到40%，波音787更是將這個數(shù)字提升到了50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了汽車業(yè)。需要特別說明的一點(diǎn)，在飛機(jī)行業(yè)中，塑料替代的是蘊(yùn)含更高技術(shù)含量的鎂合金與鈦合金。

波音787所用材料的比例，以碳纖維為代表的復(fù)合材料已占到總重的一半

撇開這些常規(guī)的合金不說，特殊的合金材料如半導(dǎo)體合金就高枕無憂嗎？現(xiàn)在看來，以硅為代表的半導(dǎo)體材料也不是那么穩(wěn)固。LED（發(fā)光二極管）是現(xiàn)在很熱門的工業(yè)吧，但OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）已是虎視眈眈，眼下只要延長更久的使用壽命并擴(kuò)大產(chǎn)能，那些生產(chǎn)鎵、銦、鍺的老板們估計臉色就會變得很難看了。就說硅晶體管這么耀眼的產(chǎn)業(yè)吧，新型的OTFT（有機(jī)薄膜晶體管）的出現(xiàn)也使得這個行業(yè)變得不是那么堅不可摧，不過也是與OLED同樣的問題，OTFT的大規(guī)模使用需要解決使用壽命與工業(yè)化的問題，使得硅材料目前仍然還可以暫時守住陣地。

伸向木材和紙張的“魔爪”

木材與石材不同，從來沒有成為時代的象征，但卻一直非常穩(wěn)定地在各個時代中把握著特定行業(yè)，主要是建筑、家具和家裝。紙張是木材的延伸品，自蔡倫公公發(fā)明之后，其應(yīng)用也是非常穩(wěn)定，主要是印刷品與軟包裝。憑良心說，木材和紙張是不應(yīng)該被塑料替代的，因為塑料來源于石油，是不可再生資源，而木材卻可以再生，這樣的替代本質(zhì)上是逆潮流的。

但問題也不是這么單純，由于目前木材開采的力度過大超過了生長速度，各國都開始著力于保護(hù)樹木資源，而科學(xué)家們又堅信用不了多久就一定能開發(fā)出新的技術(shù)采用生物質(zhì)生產(chǎn)石油，這樣石油也變成可再生資源了。于是，形勢發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，與“以塑代鋼”相對應(yīng)的是，“以塑代木”也成為了一種新的趨勢。

塑料替代木材基本是等體積替代，所以宏觀上看，并不像替代合金那么迅速，而是呈一種步步推進(jìn)的態(tài)勢，我們的生活也就出現(xiàn)了如下景觀：

實木地板很時尚但就是貴，沒關(guān)系，用PVC塑料替代；

實木椅子很重也很貴，沒關(guān)系，都用PC之類的塑料替代；

汽車的實木內(nèi)飾很漂亮但太貴了，沒關(guān)系，用ABS、POM、PMMA塑料替代；

……

盡管緩慢，但人們對塑料替代木材的感受顯得自然而然，終于經(jīng)過這種不斷的替代之后，實木材料僅限于高端的家具以及高發(fā)地震地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)材料，更多的木材取自于速生林，加工成膠合板再使用。我們的生活與木材正在漸行漸遠(yuǎn)，以至于在我們現(xiàn)在的房間里，離開木制品已不可怕，離開塑料制品卻不可能，很多人的房間里甚至找不到一塊木頭。

以塑代木的優(yōu)勢在于塑料的抗老化、抗蟲腐能力更高

對于塑料而言，這點(diǎn)成功當(dāng)然還不過癮，所以對紙張這一傳統(tǒng)材料，塑料也表現(xiàn)出咄咄逼人的態(tài)勢。軟包裝行業(yè)迅速遭到襲擊，由于紙張不耐水、易磨損、易撕裂等缺點(diǎn)，塑料軟包裝、紙塑復(fù)合軟包裝與鋁塑復(fù)合軟包裝已成為最主流的包裝，絕大多數(shù)開袋即食的食品、購物袋、禮品盒都是如此，比較純粹的紙包裝也就還剩下紙箱行業(yè)。

這還沒有結(jié)束，隨著印刷技術(shù)的提升，眼下塑料連印刷品也打算進(jìn)軍—很多國家的紙幣已經(jīng)換成了塑料幣，比如新加坡、以色列、馬來西亞等國，“鈔票”和“紙幣”已不再是同義詞。或許有一天，在傳統(tǒng)的書籍領(lǐng)域，塑料的角色也不是封面封塑這么簡單。

新技術(shù)的首選材料

不僅是“以塑代鋼”和“以塑代木”，實際上塑料已經(jīng)侵蝕了所有現(xiàn)存材料應(yīng)用的領(lǐng)域。三聚氰胺甲醛塑料可以制造餐具（名字很可怕，又是三聚氰胺又是甲醛，但其實不必?fù)?dān)心），仿照瓷器的效果故而又被稱為“仿瓷”卻不容易摔壞，中國人引以為傲的瓷器淪陷；甲基丙烯酸甲酯外形酷似玻璃，于是從古至今這一透明物品的首選材料形勢也非常不妙；石材雖然已不常用，但寶石卻引人流連，只是不飽和聚酯的“仿玉”以及脲醛樹脂的“電玉”卻能以假亂真；皮革是傳統(tǒng)材料，幾千年來都不曾受到?jīng)_擊，直到聚氯乙烯塑料與聚氨酯塑料的人造革出現(xiàn)了；至于棉麻毛絲這些，塑料的親弟兄纖維材料也取得了重大優(yōu)勢，而我們知道塑料和纖維使用的很多樹脂是一致的。

這些都不是塑料最值得津津樂道的地方，因為除了對存量領(lǐng)域的替代，塑料還完成了對增量領(lǐng)域的開拓。很多新技術(shù)在發(fā)展過程中，基于物理方面的技術(shù)往往走在前面，瓶頸則通常在材料方面。而對新材料的探索中，塑料往往都是首選——液晶材料就是一例。

近二十年的民用科技以電子科技發(fā)展最快，電子產(chǎn)品中的塑料占比程度不言而喻，為了實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化，塑料做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。而以金屬為特色的蘋果手機(jī)，在2013年也頗為無奈地推出了iPhone5C，很多人說這實在太不像蘋果產(chǎn)品了，但使用聚碳酸酯的好處絕不只是降成本這一項。

納米技術(shù)是純粹材料領(lǐng)域的新科技，在這個領(lǐng)域中，塑料為代表的復(fù)合材料是真正主力。這不僅是因為當(dāng)塑料以納米尺度呈現(xiàn)的時候，它所具有的性能與加工特點(diǎn)都發(fā)生了變化，還因為塑料或其他樹脂可以作為連續(xù)相在納米材料中存在，與氧化物膠粒、金屬納米材料等分散相共同發(fā)揮新的功能（連續(xù)相與分散相是專業(yè)術(shù)語，簡單類比就是溶液中溶劑與溶質(zhì)的概念）。

這樣的例子還有很多，高鐵軌道上的面漆與防水涂層，采用的是聚脲材料；高鐵鐵軌的承重墊，采用的是聚酯材料；高鐵內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件，大量采用ABS塑料；防彈衣，依賴超高分子量聚乙烯（纖維）；紅外吸波領(lǐng)域，聚丙烯是一種重要的基底材料；3D打印領(lǐng)域，塑料有著比金屬更明顯的優(yōu)勢；至于說到航母，至少可以肯定艦載機(jī)對高品質(zhì)塑料的需求是苛刻的……

用3D打印完成圖中厚度僅0.2毫米的杯子，一臺精確的打印機(jī)固然不可缺少，但材料優(yōu)秀的流變與固化性能也很重要，這也是塑料的強(qiáng)項

總之，在新技術(shù)的發(fā)展過程中，塑料扮演的是首選材料，這恰恰如同8000年前的石器，3000年前的銅器以及1500年前的鐵器那樣。當(dāng)這些新技術(shù)漸漸從實驗室走到軍用又走進(jìn)民用之后，我們對于新產(chǎn)品由塑料構(gòu)成的現(xiàn)象也就見怪不怪了。

來源：科學(xué)松鼠會