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發表于 2019/10/29 3:47:58

高分子科技

    材料是人類一切生產和生活的物質基礎,歷來是生產力的標志,對材料的認識和利用的能力,決定社會形態和人們的生活質量。新材料則是戰略新興產業發展的基石。

一 我國新材料產業現狀

(一)

我國新材料生產情況

幾乎所有的新材料我國都能夠生產并且正在生產,包括:

高性能工程材料

POK聚酮、PPO聚苯醚、PPS聚苯硫醚、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚碳酸酯(PC)、POM、聚酰亞胺(PI)、PA(6、66、11、1010、56、46、12…)、PMMA、PET、PBT……..

電子化學品

光刻膠、導電高分子材料、電子封裝材料、電子特種氣體、平板顯示(FPD)專用化學品、印制電路板材料及配套化學品、混成電路用化學品、電容器用材料、電器涂料、導電聚合物等其他電子電氣用化學品。

新型彈性體

TPU、POE、SBS、SEBS、SEPS、TPEE、丙烯基彈性體、尼龍彈性體……(新型彈性體總量已接近傳統彈性體一半了)。

新型纖維

氨綸、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維….。

(二)

強大的應用支撐我國新材料的發展

我國擁有龐大的工業用戶;

龐大的造船大國、強國;

世界最大的手機生產國;

汽車產銷量第一的國家;

地鐵、動車和高鐵質量和數量第一的國家;

冰箱、洗衣機等白電全球產量第一的國家;

因此,嚴格意義上來說,強大的下游應用產業給我國新材料產業的發展提供了巨大的推動力。

(三)

政策推動我國新材料的發展

(1)國家發展改革委、商務部發布《鼓勵外商投資產業目錄(2019年版)》,重點提及的化學原料和化學制品制造業包括:差別化、功能性聚酯(PET);聚甲醛;聚苯硫醚;聚醚醚酮;聚酰亞胺;聚砜;聚醚砜;聚芳酯(PAR);聚苯醚;聚對 苯二甲酸丁二醇酯(PBT);聚酰胺(PA)及其改性材料;液晶聚合物等

(2)國家發改委《增強制造業核心競爭力三年行動計劃(2018-2020年)》重點化工新材料關鍵技術產業化項目包括:聚苯硫醚;聚苯醚;芳族酮聚合物(聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚酮酮)、聚芳醚醚腈;聚苯并咪唑;聚芳酰胺;聚芳醚;熱致液晶聚合物;新型可降解塑料等。

(3)中國石化聯合會《石油和化學工業“十三五”發展規劃指南》將高分子材料作為戰略新興產業列為優先發展的領域,明確高分子材料“十三五”發展的目的是:以提高自主創新能力為核心,以樹脂專用料、工程塑料、新型功能材料、高性能結構材料和先進復合材料為發展重點,開發工程塑料、改性樹脂、高端熱固性樹脂及其樹脂基復合材料,以及可降解塑料等新材料制備技術。

(4)中國石油和化學工業聯合會關于““十四五”化工新材料產業發展的戰略和任務”的重點工作指導:開發5G通信基站用核心覆銅板用樹脂材料(LCP、PI、環氧樹脂等);聚砜、聚苯砜、聚醚醚酮、液晶聚合物等高性能工程塑料。

此外,我國新材料產業相關政策規劃,還包括:

《中國制造2025》;

《新材料產業發展指南》將為“十四五”期間新材料產業發展指明重點方向。

(四)

應用研發體系成為新材料發展利器

我國幾十年來建立的應用研發體系功力深厚,例如中科院,包括北化所、過程所、寧波院、上海有機所、大化所、蘭化所、應化所、煤化所…等,為我國科技進步、經濟社會發展和國家安全做出了不可替代的重要貢獻。

按照材料劃分,包括以下成熟的研發機構體系:

此外,還有大量大企業的研發中心,對產品應用的研究及配套的檢測儀器設備很多達世界領先水平。

(五)

與國外新材料的差距

我國新材料產業與國外差距主要在高品質的新材料。

我國缺乏超前的研發優勢和研發成果的實用化開發力度,目前主要還是以仿制為主。雖然很多新材料已有能力生產,可是相關專利繞不開。

我國新材料產業發展趨勢

發達國家均全力發展新材料產業,例如美國將新材料稱之為“科技發展的骨肉”,我國新材料發展也將由原材料、基礎化工材料逐步過渡至新興材料、半導體材料、新能源材料、節能(輕量化)材料。

 

(一)

資本眼中的新材料產業風口

1.千億級風口

千億級風口主要是高性價比、高性能電子化學品,包括芯片、傳感器,以及半導體電子(電子膠粘劑、光刻膠、導電材料、高純氣體、溶劑等)。

2.萬億級風口

萬億級風口主要是新能源相關材料,包括固態電池、燃料電池、氫燃料電池、鋰電池、太陽能光伏、可再生能源、儲能、風能等。

3.其他風口

其他風口包括:處于加速發展期的生物可降解材料(有利于垃圾分類等)、3D打印新材料、結構化材料、以及輕量化、節能材料。

(二)

未來新材料的超級印鈔機?

新材料產業的三個熱點

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三大熱點之一:芳綸、PI和PA

? 芳綸--關鍵的戰略材料

芳綸下游應用高端,是關鍵的戰略材料。

芳綸產品的特點是門檻高,國內企業少,國產化替代趨勢明顯,目前行業上升趨勢明顯。

芳綸產品的門檻主要是技術和客戶準入門檻,要進入市場需要做安全認證,需要幾年的成功案例,下游應用領域對安全性的要求都很高。

目前全球的對位芳綸處于近平衡狀態,國內對位芳綸80%依賴進口。從全球來看,隨著應用領域的增加,對位芳綸需求將逐漸增加,預計未來5年全球對位芳綸的需求量將達到15萬噸左右。按照每年增速10%計算,2020年我國對位芳綸的需求量將達到13000噸,2025年對位芳綸的需求量將達到25000噸。

全球間位芳綸行業主要被美國杜邦、泰和新材、日本帝人等公司占據。其中杜邦產能以67%位居第一,帝人占比為7%。

? 聚酰亞胺—— “解決問題的能手”

聚酰亞胺,是綜合性能最佳的有機高分子材料之一。其耐高溫達400℃以上 ,長期使用溫度范圍-200~300℃,部分無明顯熔點,高絕緣性能,103 赫下介電常數4.0,介電損耗僅0.004~0.007,屬F至H。

PI薄膜

PI薄膜為PI系列產品中應用最早,最為成熟的產品,是絕緣薄膜最優選擇,高端產品國產化浪潮已近。

電子級以下PI薄膜已實現國產自給自足,電子級及以上PI薄膜市場仍主要由海外公司瓜分。

隨著國內化學亞胺法生產線的逐漸落地,國內廠商將參與分享高端市場近百億市場。未來隨著FCCL市場保持高增速,以及OLED快速普及對柔性襯底需求的提升,高端電子級PI薄膜市場將處于快速擴張期。

PI纖維

扎根軍用市場,民用市場開發提速。PI纖維耐熱性能、機械性能優異,是航空航天和軍用飛機等重要領域的核心配件材料,其在軍用市場的應用具備不可替代性。

在商用領域,PI纖維在環保濾材、防火材料等應用目前正處于孕育期,未來有望為PI纖維增添新活力。

PI/PMI泡沫

受益軍艦建造高潮,迎“藍海”時代。PI泡沫目前最為重要的應用為艦艇用隔熱降噪材料,目前我國海軍正處于第三次建船高潮,PI泡沫作為新型戰艦中的首選隔熱降噪材料,未來需求有望快速提升。此外PMI泡沫作為最為優異的結構泡沫芯材,廣泛用于風機葉片,直升機葉片,航空航天等領域中,其對于PET泡沫的替代趨勢明確,市場空間廣闊。

PI基復合材料

輕量化是大趨勢,主打高端市場。纖維增強復合材料是鎂鋁合金之后的新一代輕量化材料,以聚酰亞胺作為樹脂基的復合材料耐高溫和拉伸性能出色,應用十分廣泛。隨著碳纖維產業的逐漸成熟,碳纖維增強復合材料需求增長明顯,聚酰亞胺+碳纖維的組合作為最為優異的復合材料組合之一,在搶占高端市場方面優勢明顯。

PSPI(光敏聚酰亞胺)

光刻膠、電子封裝雙領域發力,享電子產品高端化紅利。光敏聚酰亞胺主要有光刻膠和電子封裝兩大應用。PSPI光刻膠相比于傳統光刻膠,無需涂覆光阻隔劑,能大幅縮減加工工序。同時PSPI也是重要的電子封裝膠。

光敏聚酰亞胺作為封裝材料可用于:緩沖涂層、鈍化層、α射線屏蔽材料、層間絕緣材料、晶片封裝材料等,同時還廣泛應用于微電子工業中,包括集成電路以及多芯片封裝件等的封裝中。


? 尼龍

耐高溫尼龍

高溫尼龍的技術壁壘比較高,該產業一直未得到大規模的發展,市場需求發面存在巨大的空白。我國耐高溫尼龍研究比較晚,新品種的開發主要以PA6T改性為主,以合成新型尼龍為輔。

高溫尼龍作為一種高性能工程材料市場不斷擴大,預計中國在未來幾年里對高溫尼龍的需求將以15%~25%的速度增長。

耐高溫尼龍潛在需求占尼龍20-30%,而五年內中國市場對尼龍的需求有望達萬噸。

尼龍彈性體

尼龍彈性體就是聚酯/聚醚-聚酰胺嵌段共聚物,最常見的是聚醚嵌段酰胺(PEBA),它較為突出的性能是高回彈性、輕質和低溫耐沖擊性能。

尼龍彈性體的能量回饋可以達到85%,比Boost緩震科技高約15%,擁有更棒的吸震緩沖效果。與TPU相比,它的質量更輕。

尼龍彈性體的合成技術門檻較高,大多掌握在法國阿科瑪、德國贏創、日本宇部興產等國外大廠手里。

尼龍彈性體市場需求潛力巨大,除了440億雙鞋/年的底材需求,還有對聚氨酯軟泡、塑膠跑道材料的替代。

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三大熱點之二:電子化學品

電子化學品是專為電子信息產品制造中的顯影、蝕刻、清洗和電鍍等工藝配套的細化工材料,是集成電路、平板顯示制造等信息產業的重要支撐材料。

2017年,世界電子化學品產值>1500億美元,中國產值約2600億元,預計2018-2022年,年均增長率約為11%。包括陶氏、霍尼韋爾、三菱化學和巴斯夫等公司,正競相將電子化學品業務重點放在包括中國在內的亞太地區。中國豐富的原材料以及靠近下游需求等方面優勢明顯,電子化學品產能向國內轉移已成為大勢所趨。

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三大熱點之三:輕量化、節能材料

輕量化的關鍵——高性能新材料如TPEE、POM、PI、PA、PU、TEEK、PPA、PTT等替代比重幾倍的鋼鐵。

聚合物固化技術——美國伊利諾大學ScottWhite教授率領的研究團隊開發出一種新的聚合物固化技術,只需小型熱源就可在短時間內完成聚合物制造,與目前的制造工藝相比,可降低10個數量級的能耗,并減少2個數量級的工時。

碳纖維——在追求高性能的同時、輕量化。

新材料產業的四大材料

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四大材料之一:薄膜

材料薄膜市場

我國材料薄膜產業增速平穩,2010-2017年我國材料薄膜產量由799萬噸增加至1570萬噸,年均復合增速達10%。

2017年全球液晶聚合物薄膜和層壓板銷售量約9050噸,復合年增長率為6.7%。

快遞包裝薄膜將呈現減量化、綠色化、可循環發展趨勢。

背光模組光學膜將趨于高亮度化、薄型化、輕量化、高色域化發展。

光學聚酯薄膜產業

功能性聚酯原料制備技術,是制膜企業的核心技術之一,其中納微米添加改性,涉及到滑爽均勻性,結晶均勻性和靜電壓膜性等正是阻礙行業發展的技術瓶頸。

國內光學聚酯薄膜產業目前還處于起步階段,大多集中于薄膜的拉伸成型加工上,缺少對光學聚酯薄膜技術的系統性研究。

在光學聚酯薄膜材料(專用切片及母料)、配方設計,裝備及工藝控制等方面難以同國際巨頭抗衡,這些都制約了我國新型顯示等產業的發展;三是行業的整體科技創新缺少協同與聯動。

BOPA薄膜產業

BOPA薄膜主要應用于食品、日化、醫藥、電子、建筑、機械等包裝領域,其中食品包裝就占據了70%-80%的份額,主要是用于高溫蒸煮、冷凍、休閑類食品。

預計在未來的幾年里,中國軟包裝和BOPA薄膜市場將繼續呈現增長態勢,且海外市場會成為另一新的增長點。

BOPET薄膜產業

BOPET薄膜因其優異的物化性能和環保性能,BOPET被譽為21世紀最具發展潛力的新型材料之一。

我國BOPET聚酯薄膜需求量占全球需求總量的33%。

下游應用行業主要是包裝材料、電子信息、電氣絕緣、護卡、影像膠片、熱燙印箔、太陽能應用、光學、航空、建筑、農業等生產領域。

目前國內廠商生產的聚酯薄膜最大的應用領域是包裝業,如食品飲料包裝、醫藥包裝,還有一部分特種功能性聚酯薄膜應用于電子元器件、電器絕緣等高端領域。

BOPP薄膜產業

BOPP薄膜有“包裝皇后”的美稱,我國BOPP薄膜表觀消費量2013年為251.0萬噸,2017年已達330萬噸,5年增長了32%。

隨著我國消費水平的不斷提高和后加工的彩印復合、復膜、鍍鋁、涂布等行業的迅猛發展,對BOPP膜的需求存在極大的市場潛力。

BOPE薄膜產業

BOPE薄膜產業會成為薄膜行業關注熱點,其具備如下優點:

?較適合大批量訂單生產需要;

?高透明、高光澤、晶點少;

?高挺度、高拉伸強度;

?高抗穿刺強度;

?極好的低溫抗沖擊強度及抗針孔性、耐磨性、極好的低溫柔韌性;

?潤濕張力保持時間長、印刷性能好,套印精確。

?以一半厚度的BOPE替代吹材或流延CPE薄膜與BOPA或BOPET等干式復合可達到相同的熱封合強度和接近的挺度;

?而且以一半厚度的BOPE替代吹材或流延CPE薄膜與BOPA等干式復合用于冷凍包裝可大大降低破袋率。

02

四大材料之二:3D打印材料

目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。雖然3D打印最常見的市場材料是ABS、PLA,實際上尼龍才是應用規模最大的材料。預計到2022年,尼龍將占據3D打印材料市場30%的市場份額。

影響材料材料應用于3D打印的因素主要有:打印溫度高、材料流動性差,導致工作環境出現揮發成分,打印嘴易堵,影響制品精密度;普通的材料強度較低,適應的范圍太窄,需要對材料做增強處理;冷卻均勻性差,定型慢,易造成制品收縮和變形;缺少功能化和智能化的應用。

全球3D打印市場(億美元)

應用領域分析

工業領域未來大規模工業應用在全球3D打印市場有望迎來爆發式增長。

在工業級領域,3D打印經過30年的發展,已經形成了一條完整的產業鏈。

目前3D打印技術已經在軍事、航空航天、醫療、汽車、機械設備制造及消費領域得到了一定的應用。

3D打印應用于建筑,建筑承重件,汽車零部件,工業零件。產業鏈的每個環節都聚集了一批領先企業。

我國3D打印用材料發展方向

隨著3D打印技術的發展,傳統材料的性能被大幅提升,依靠材料強大的快速熔融沉積和低溫粘接特性將被廣泛應用到3D打印制造領域。除了材料自身可以通過3D打印制品外,在玻璃、陶瓷、無機粉體、金屬等的3D打印都需要依靠材料的粘接性來完成。

通過改性材料的強度被用來直接替換金屬用于各類復雜構件,既便宜又質輕。甚至可以替代玻璃、陶瓷等制品,從而使材料在3D制造中被廣泛應用。

材料可避開低強度的缺陷,向復合化、功能化發展,特別是實現多元材料復合、從而賦予材料特定功能。通過3D打印技術制造工藝復雜的智能材料、光電高分子材料、光熱高分子材料、光伏高分子材料、儲能高分子材料等新材料。

3D打印因具有不需要模具、零部件的快速修復等優點,能將中國制造業前進5-10年,3D打印堪稱是工業界的一場革命。

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四大材料之三:可降解材料

生物降解材料細分應用領域(萬噸)

預計到2020年,我國生物可降解材料產量將達到250萬噸。“十三五”規劃、國際碳總量法律以及生物降解材料性能提升、價格下降將為中國生物可降解材料行業帶來前所未有的發展契機。

完全生物降解材料主要包括PLA、PHA、PBS/PBSA、PCL、PVA、PPE/PPC/PPB和小部分PSM等。生物破壞性材料主要指生物分解樹脂對傳統聚烯烴的改性材料,PSM中大部分屬于這類。

生物可降解材料的開發越來越符合社會的環保理念,目前全球研發的生物降解材料品種達幾十種,但實現批量和工業化生產的僅有PSM、PLA、PBS/PBSA、PHA、PCL等。

2015-2020全球對三大生物降解材料需求量預測

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四大材料之四:新型彈性體

丙烯基彈性體

丙烯基彈性體是用茂金屬催化技術和溶液聚合工藝組合生產所得,是獨特的丙烯-乙烯半結晶共聚物,具有獨特的高彈性、柔韌性和低溫耐沖擊性,特別是和PP的相容性非常優異。

目前全球只有三家公司有商品化的丙烯基彈性體,牌號分別是陶氏的versify、埃克森美孚的vistamaxx和三井的tafmer。

丙烯基彈性體優點:

?丙烯基彈性體有著手感好、高填充、止滑性佳等特點,比如埃克森美孚vistamaxx的發泡優勢;

?VM發泡產品有手感好,密度好,而且又有膠感;

?具有高填充,填充量可達100phr,而EVA填充量一般在30phr,在降低成本以及做某些功能性材料具有很大的優勢,比如做阻燃材料,就是靠填充來發揮性能的;

?可100%回收,且發泡出來的產品不會出現產品表面氣孔的分布性不好,而EVA發泡如果加入回收料太多(一般加入量30phr),就會出現密度分布不好的現象;

?用VM做一些比較低硬度發泡的工藝,比EVA要容易操作很多。EVA如果硬度做到10°C,相當困難,而且一般要加入SEBS來增加軟度,而VM就很容易做到;

?抗沖擊強度的改善帶來了減薄機會,能夠減少材料使用并降低成本;

?丙烯基彈性體具有較低的熔融溫度,從而降低了加工溫度,其較高的流動速率會提升加工速度。這可以減少能源消耗并提高加工效率。其柔韌性有助于提高拉伸比,減少流痕,從而實現更好的產品質量和更低的廢品率。由于這種彈性體的收縮率比聚丙烯低,使得生產工藝更易于控制,模切更準確,從而改善杯子與蓋子的相配程度,有助于降低廢品率。

丙烯基彈性體的應用:

?食品保鮮盒領域無規共聚丙烯(RCP)應用十分廣泛,但普遍存在低溫抗沖不足的問題。丙烯基彈性體應用于聚丙烯改性,可以提高聚丙烯的韌性。在RCP中作為增韌劑,可以在提高韌性的同時保持RCP的透明度,有助于減少鉸鏈結構的應力發白;

?丙烯基彈性體與聚丙烯 (PP) 共混,可以實現更好的抗沖擊性、透明性和剛度平衡,同時還可以提高加工效率;

?可以用在無紡布、彈性膜、聚合物改性等方面,其中聚合物改性方面表現優異,具體應用案例有洗衣機座盤、食品容器蓋、加濕器水箱、塑料文具、運動水壺、拖鞋等等。

乙烯基彈性體

乙烯基彈性體的性能和特點:

聚乙烯鏈結晶區(樹脂相)起物理交聯點的作用,具有典型的塑料性能,加入一定量的α-烯烴(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)后,削弱了聚乙烯鏈的結晶區,形成了呈現橡膠彈性的無定型區(橡膠相),使產品又具有彈性體的性質;POE具有塑料和橡膠的雙重特性綜合性能優異,因此POE可以看作是塑料與橡膠的橋梁產品。

POE彈性體與EPDM相比,它具有熔接線強度卓越、分散性好、等量添加抗沖擊強度高、成型能力杰出的優點;與SBR相比,它具有耐候性好、透明性高、價格低、密度小的優點;與EVA、EMA和EEA相比,它具有密度小、透明度高、韌性好、屈撓性好等優點;與軟PVC相比,它具有無需特殊設備、對設備腐蝕低、熱成型良好、塑性好、密度小、低溫脆性佳和經濟性良好等特點。

POE彈性體作為塑料增韌劑,不僅可以增韌改性與它相容的聚烯烴塑料,而且可通過過氧化物引發,有效地與馬來酸酐、丙烯酸縮水甘油酯等單體發生接枝反應,所得到的接枝物廣泛用來增韌尼龍、聚酯等工程塑料。

聚烯烴彈性體POE分子結構中沒有不飽和雙鍵,具有很窄的分子量分布和短支鏈結構(短支鏈分布均勻),因而具有高彈性、高強度、高伸長率等優異的物理機械性能和的優異的耐低溫性能。

窄的分子量分布使材料在注射和擠出加工過程中不宜產生撓曲,因而POE材料的加工性能優異。由于POE大分子鏈的飽和結構,分子結構中所含叔碳原子相對較少,因而具有優異的耐熱老化和抗紫外線性能。此外有效的控制在聚合物線形短支鏈支化結構中引入長支鏈,使材料的透明度提高,同時有效的改善了聚合物的加工流變性。

乙烯基彈性體的應用:

?POE可以威脅到橡膠、柔性PVC、EPDM、EPR、EMA、EVA、TPV、SBC和LDPE等材質;

?應用于不同產品,如汽車擋板,柔性導管,輸送帶,印刷滾筒,運動鞋,電線電纜、汽車部件、耐用品、擠出件、壓模件、密封材料、管件和織物涂層等;

?也可以作為低溫抗沖改良劑來改善PP的低溫抗沖性能,同時可以作為熱塑性彈性體運用于汽車領域。