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发表于 2019/10/29 3:47:58

高分子科技

    材料是人类一切生产和生活的物质基础,历来是生产力的标志,对材料的认识和利用的能力,决定社会形态和人们的生活质量。新材料则是战略新兴产业发展的基石。

一 我国新材料产业现状

(一)

我国新材料生产情况

几乎所有的新材料我国都能够生产并且正在生产,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、聚酰亚胺(PI)、PA(6、66、11、1010、56、46、12…)、PMMA、PET、PBT……..

电子化学品

光刻胶、导电高分子材料、电子封装材料、电子特种气体、平板显示(FPD)专用化学品、印制电路板材料及配套化学品、混成电路用化学品、电容器用材料、电器涂料、导电聚合物等其他电子电气用化学品。

新型弹性体

TPU、POE、SBS、SEBS、SEPS、TPEE、丙烯基弹性体、尼龙弹性体……(新型弹性体总量已接近传统弹性体一半了)。

新型纤维

氨纶、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维….。

(二)

强大的应用支撑我国新材料的发展

我国拥有庞大的工业用户;

庞大的造船大国、强国;

世界最大的手机生产国;

汽车产销量第一的国家;

地铁、动车和高铁质量和数量第一的国家;

冰箱、洗衣机等白电全球产量第一的国家;

因此,严格意义上来说,强大的下游应用产业给我国新材料产业的发展提供了巨大的推动力。

(三)

政策推动我国新材料的发展

(1)国家发展改革委、商务部发布《鼓励外商投资产业目录(2019年版)》,重点提及的化学原料和化学制品制造业包括:差别化、功能性聚酯(PET);聚甲醛;聚苯硫醚;聚醚醚酮;聚酰亚胺;聚砜;聚醚砜;聚芳酯(PAR);聚苯醚;聚对 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)国家发改委《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》重点化工新材料关键技术产业化项目包括: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;热致液晶聚合物;新型可降解塑料等。

(3)中国石化联合会《石油和化学工业“十三五”发展规划指南》将高分子材料作为战略新兴产业列为优先发展的领域,明确高分子材料“十三五”发展的目的是:以提高自主创新能力为核心,以树脂专用料、工程塑料、新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料为发展重点,开发工程塑料、改性树脂、高端热固性树脂及其树脂基复合材料,以及可降解塑料等新材料制备技术。

(4)中国石油和化学工业联合会关于““十四五”化工新材料产业发展的战略和任务”的重点工作指导:开发5G通信基站用核心覆铜板用树脂材料(LCP、PI、环氧树脂等);聚砜、聚苯砜、聚醚醚酮、液晶聚合物等高性能工程塑料。

此外,我国新材料产业相关政策规划,还包括:

《中国制造2025》;

《新材料产业发展指南》将为“十四五”期间新材料产业发展指明重点方向。

(四)

应用研发体系成为新材料发展利器

我国几十年来建立的应用研发体系功力深厚,例如中科院,包括北化所、过程所、宁波院、上海有机所、大化所、兰化所、应化所、煤化所…等,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。

按照材料划分,包括以下成熟的研发机构体系:

此外,还有大量大企业的研发中心,对产品应用的研究及配套的检測仪器设备很多达世界领先水平。

(五)

与国外新材料的差距

我国新材料产业与国外差距主要在高品质的新材料。

我国缺乏超前的研发优势和研发成果的实用化开发力度,目前主要还是以仿制为主。虽然很多新材料已有能力生产,可是相关专利绕不开。

我国新材料产业发展趋势

发达国家均全力发展新材料产业,例如美国将新材料称之为“科技发展的骨肉”,我国新材料发展也将由原材料、基础化工材料逐步过渡至新兴材料、半导体材料、新能源材料、节能(轻量化)材料。

 

(一)

资本眼中的新材料产业风口

1.千亿级风口

千亿级风口主要是高性价比、高性能电子化学品,包括芯片、传感器,以及半导体电子(电子胶粘剂、光刻胶、导电材料、高纯气体、溶剂等)。

2.万亿级风口

万亿级风口主要是新能源相关材料,包括固态电池、燃料电池、氢燃料电池、锂电池、太阳能光伏、可再生能源、储能、风能等。

3.其他风口

其他风口包括:处于加速发展期的生物可降解材料(有利于垃圾分类等)、3D打印新材料、结构化材料、以及轻量化、节能材料。

(二)

未来新材料的超级印钞机?

新材料产业的三个热点

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01

三大热点之一:芳纶、PI和PA

? 芳纶--关键的战略材料

芳纶下游应用高端,是关键的战略材料。

芳纶产品的特点是门槛高,国内企业少,国产化替代趋势明显,目前行业上升趋势明显。

芳纶产品的门槛主要是技术和客户准入门槛,要进入市场需要做安全认证,需要几年的成功案例,下游应用领域对安全性的要求都很高。

目前全球的对位芳纶处于近平衡状态,国内对位芳纶80%依赖进口。从全球来看,随着应用领域的增加,对位芳纶需求将逐渐增加,预计未来5年全球对位芳纶的需求量将达到15万吨左右。按照每年增速10%计算,2020年我国对位芳纶的需求量将达到13000吨,2025年对位芳纶的需求量将达到25000吨。

全球间位芳纶行业主要被美国杜邦、泰和新材、日本帝人等公司占据。其中杜邦产能以67%位居第一,帝人占比为7%。

? 聚酰亚胺—— “解决问题的能手”

聚酰亚胺,是综合性能最佳的有机高分子材料之一。其耐高温达400℃以上 ,长期使用温度范围-200~300℃,部分无明显熔点,高绝缘性能,103 赫下介电常数4.0,介电损耗仅0.004~0.007,属F至H。

PI薄膜

PI薄膜为PI系列产品中应用最早,最为成熟的产品,是绝缘薄膜最优选择,高端产品国产化浪潮已近。

电子级以下PI薄膜已实现国产自给自足,电子级及以上PI薄膜市场仍主要由海外公司瓜分。

随着国内化学亚胺法生产线的逐渐落地,国内厂商将参与分享高端市场近百亿市场。未来随着FCCL市场保持高增速,以及OLED快速普及对柔性衬底需求的提升,高端电子级PI薄膜市场将处于快速扩张期。

PI纤维

扎根军用市场,民用市场开发提速。PI纤维耐热性能、机械性能优异,是航空航天和军用飞机等重要领域的核心配件材料,其在军用市场的应用具备不可替代性。

在商用领域,PI纤维在环保滤材、防火材料等应用目前正处于孕育期,未来有望为PI纤维增添新活力。

PI/PMI泡沫

受益军舰建造高潮,迎“蓝海”时代。PI泡沫目前最为重要的应用为舰艇用隔热降噪材料,目前我国海军正处于第三次建船高潮,PI泡沫作为新型战舰中的首选隔热降噪材料,未来需求有望快速提升。此外PMI泡沫作为最为优异的结构泡沫芯材,广泛用于风机叶片,直升机叶片,航空航天等领域中,其对于PET泡沫的替代趋势明确,市场空间广阔。

PI基复合材料

轻量化是大趋势,主打高端市场。纤维增强复合材料是镁铝合金之后的新一代轻量化材料,以聚酰亚胺作为树脂基的复合材料耐高温和拉伸性能出色,应用十分广泛。随着碳纤维产业的逐渐成熟,碳纤维增强复合材料需求增长明显,聚酰亚胺+碳纤维的组合作为最为优异的复合材料组合之一,在抢占高端市场方面优势明显。

PSPI(光敏聚酰亚胺)

光刻胶、电子封装双领域发力,享电子产品高端化红利。光敏聚酰亚胺主要有光刻胶和电子封装两大应用。PSPI光刻胶相比于传统光刻胶,无需涂覆光阻隔剂,能大幅缩减加工工序。同时PSPI也是重要的电子封装胶。

光敏聚酰亚胺作为封装材料可用于:缓冲涂层、钝化层、α射线屏蔽材料、层间绝缘材料、晶片封装材料等,同时还广泛应用于微电子工业中,包括集成电路以及多芯片封装件等的封装中。


? 尼龙

耐高温尼龙

高温尼龙的技术壁垒比较高,该产业一直未得到大规模的发展,市场需求发面存在巨大的空白。我国耐高温尼龙研究比较晚,新品种的开发主要以PA6T改性为主,以合成新型尼龙为辅。

高温尼龙作为一种高性能工程材料市场不断扩大,预计中国在未来几年里对高温尼龙的需求将以15%~25%的速度增长。

耐高温尼龙潜在需求占尼龙20-30%,而五年内中国市场对尼龙的需求有望达万吨。

尼龙弹性体

尼龙弹性体就是聚酯/聚醚-聚酰胺嵌段共聚物,最常见的是聚醚嵌段酰胺(PEBA),它较为突出的性能是高回弹性、轻质和低温耐冲击性能。

尼龙弹性体的能量回馈可以达到85%,比Boost缓震科技高约15%,拥有更棒的吸震缓冲效果。与TPU相比,它的质量更轻。

尼龙弹性体的合成技术门槛较高,大多掌握在法国阿科玛、德国赢创、日本宇部兴产等国外大厂手里。

尼龙弹性体市场需求潜力巨大,除了440亿双鞋/年的底材需求,还有对聚氨酯软泡、塑胶跑道材料的替代。

02

三大热点之二:电子化学品

电子化学品是专为电子信息产品制造中的显影、蚀刻、清洗和电镀等工艺配套的细化工材料,是集成电路、平板显示制造等信息产业的重要支撑材料。

2017年,世界电子化学品产值>1500亿美元,中国产值约2600亿元,预计2018-2022年,年均增长率约为11%。包括陶氏、霍尼韦尔、三菱化学和巴斯夫等公司,正竞相将电子化学品业务重点放在包括中国在内的亚太地区。中国丰富的原材料以及靠近下游需求等方面优势明显,电子化学品产能向国内转移已成为大势所趋。

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三大热点之三:轻量化、节能材料

轻量化的关键——高性能新材料如TPEE、POM、PI、PA、PU、TEEK、PPA、PTT等替代比重几倍的钢铁。

聚合物固化技术——美国伊利诺大学ScottWhite教授率领的研究团队开发出一种新的聚合物固化技术,只需小型热源就可在短时间内完成聚合物制造,与目前的制造工艺相比,可降低10个数量级的能耗,并减少2个数量级的工时。

碳纤维——在追求高性能的同时、轻量化。

新材料产业的四大材料

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四大材料之一:薄膜

材料薄膜市场

我国材料薄膜产业增速平稳,2010-2017年我国材料薄膜产量由799万吨增加至1570万吨,年均复合增速达10%。

2017年全球液晶聚合物薄膜和层压板销售量约9050吨,复合年增长率为6.7%。

快递包装薄膜将呈现减量化、绿色化、可循环发展趋势。

背光模组光学膜将趋于高亮度化、薄型化、轻量化、高色域化发展。

光学聚酯薄膜产业

功能性聚酯原料制备技术,是制膜企业的核心技术之一,其中纳微米添加改性,涉及到滑爽均匀性,结晶均匀性和静电压膜性等正是阻碍行业发展的技术瓶颈。

国内光学聚酯薄膜产业目前还处于起步阶段,大多集中于薄膜的拉伸成型加工上,缺少对光学聚酯薄膜技术的系统性研究。

在光学聚酯薄膜材料(专用切片及母料)、配方设计,装备及工艺控制等方面难以同国际巨头抗衡,这些都制约了我国新型显示等产业的发展;三是行业的整体科技创新缺少协同与联动。

BOPA薄膜产业

BOPA薄膜主要应用于食品、日化、医药、电子、建筑、机械等包装领域,其中食品包装就占据了70%-80%的份额,主要是用于高温蒸煮、冷冻、休闲类食品。

预计在未来的几年里,中国软包装和BOPA薄膜市场将继续呈现增长态势,且海外市场会成为另一新的增长点。

BOPET薄膜产业

BOPET薄膜因其优异的物化性能和环保性能,BOPET被誉为21世纪最具发展潜力的新型材料之一。

我国BOPET聚酯薄膜需求量占全球需求总量的33%。

下游应用行业主要是包装材料、电子信息、电气绝缘、护卡、影像胶片、热烫印箔、太阳能应用、光学、航空、建筑、农业等生产领域。

目前国内厂商生产的聚酯薄膜最大的应用领域是包装业,如食品饮料包装、医药包装,还有一部分特种功能性聚酯薄膜应用于电子元器件、电器绝缘等高端领域。

BOPP薄膜产业

BOPP薄膜有“包装皇后”的美称,我国BOPP薄膜表观消费量2013年为251.0万吨,2017年已达330万吨,5年增长了32%。

随着我国消费水平的不断提高和后加工的彩印复合、复膜、镀铝、涂布等行业的迅猛发展,对BOPP膜的需求存在极大的市场潜力。

BOPE薄膜产业

BOPE薄膜产业会成为薄膜行业关注热点,其具备如下优点:

?较适合大批量订单生产需要;

?高透明、高光泽、晶点少;

?高挺度、高拉伸强度;

?高抗穿刺强度;

?极好的低温抗冲击强度及抗针孔性、耐磨性、极好的低温柔韧性;

?润湿张力保持时间长、印刷性能好,套印精确。

?以一半厚度的BOPE替代吹材或流延CPE薄膜与BOPA或BOPET等干式复合可达到相同的热封合强度和接近的挺度;

?而且以一半厚度的BOPE替代吹材或流延CPE薄膜与BOPA等干式复合用于冷冻包装可大大降低破袋率。

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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。虽然3D打印最常见的市场材料是ABS、PLA,实际上尼龙才是应用规模最大的材料。预计到2022年,尼龙将占据3D打印材料市场30%的市场份额。

影响材料材料应用于3D打印的因素主要有:打印温度高、材料流动性差,导致工作环境出现挥发成分,打印嘴易堵,影响制品精密度;普通的材料强度较低,适应的范围太窄,需要对材料做增强处理;冷却均匀性差,定型慢,易造成制品收缩和变形;缺少功能化和智能化的应用。

全球3D打印市场(亿美元)

应用领域分析

工业领域未来大规模工业应用在全球3D打印市场有望迎来爆发式增长。

在工业级领域,3D打印经过30年的发展,已经形成了一条完整的产业链。

目前3D打印技术已经在军事、航空航天、医疗、汽车、机械设备制造及消费领域得到了一定的应用。

3D打印应用于建筑,建筑承重件,汽车零部件,工业零件。产业链的每个环节都聚集了一批领先企业。

我国3D打印用材料发展方向

随着3D打印技术的发展,传统材料的性能被大幅提升,依靠材料强大的快速熔融沉积和低温粘接特性将被广泛应用到3D打印制造领域。除了材料自身可以通过3D打印制品外,在玻璃、陶瓷、无机粉体、金属等的3D打印都需要依靠材料的粘接性来完成。

通过改性材料的强度被用来直接替换金属用于各类复杂构件,既便宜又质轻。甚至可以替代玻璃、陶瓷等制品,从而使材料在3D制造中被广泛应用。

材料可避开低强度的缺陷,向复合化、功能化发展,特别是实现多元材料复合、从而赋予材料特定功能。通过3D打印技术制造工艺复杂的智能材料、光电高分子材料、光热高分子材料、光伏高分子材料、储能高分子材料等新材料。

3D打印因具有不需要模具、零部件的快速修复等优点,能将中国制造业前进5-10年,3D打印堪称是工业界的一场革命。

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四大材料之三:可降解材料

生物降解材料细分应用领域(万吨)

预计到2020年,我国生物可降解材料产量将达到250万吨。“十三五”规划、国际碳总量法律以及生物降解材料性能提升、价格下降将为中国生物可降解材料行业带来前所未有的发展契机。

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。生物破坏性材料主要指生物分解树脂对传统聚烯烃的改性材料,PSM中大部分属于这类。

生物可降解材料的开发越来越符合社会的环保理念,目前全球研发的生物降解材料品种达几十种,但实现批量和工业化生产的仅有PSM、PLA、PBS/PBSA、PHA、PCL等。

2015-2020全球对三大生物降解材料需求量预测

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四大材料之四:新型弹性体

丙烯基弹性体

丙烯基弹性体是用茂金属催化技术和溶液聚合工艺组合生产所得,是独特的丙烯-乙烯半结晶共聚物,具有独特的高弹性、柔韧性和低温耐冲击性,特别是和PP的相容性非常优异。

目前全球只有三家公司有商品化的丙烯基弹性体,牌号分别是陶氏的versify、埃克森美孚的vistamaxx和三井的tafmer。

丙烯基弹性体优点:

?丙烯基弹性体有着手感好、高填充、止滑性佳等特点,比如埃克森美孚vistamaxx的发泡优势;

?VM发泡产品有手感好,密度好,而且又有胶感;

?具有高填充,填充量可达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优势,比如做阻燃材料,就是靠填充来发挥性能的;

?可100%回收,且发泡出来的产品不会出现产品表面气孔的分布性不好,而EVA发泡如果加入回收料太多(一般加入量30phr),就会出现密度分布不好的现象;

?用VM做一些比较低硬度发泡的工艺,比EVA要容易操作很多。EVA如果硬度做到10°C,相当困难,而且一般要加入SEBS来增加软度,而VM就很容易做到;

?抗冲击强度的改善带来了减薄机会,能够减少材料使用并降低成本;

?丙烯基弹性体具有较低的熔融温度,从而降低了加工温度,其较高的流动速率会提升加工速度。这可以减少能源消耗并提高加工效率。其柔韧性有助于提高拉伸比,减少流痕,从而实现更好的产品质量和更低的废品率。由于这种弹性体的收缩率比聚丙烯低,使得生产工艺更易于控制,模切更准确,从而改善杯子与盖子的相配程度,有助于降低废品率。

丙烯基弹性体的应用:

?食品保鲜盒领域无规共聚丙烯(RCP)应用十分广泛,但普遍存在低温抗冲不足的问题。丙烯基弹性体应用于聚丙烯改性,可以提高聚丙烯的韧性。在RCP中作为增韧剂,可以在提高韧性的同时保持RCP的透明度,有助于减少铰链结构的应力发白;

?丙烯基弹性体与聚丙烯 (PP) 共混,可以实现更好的抗冲击性、透明性和刚度平衡,同时还可以提高加工效率;

?可以用在无纺布、弹性膜、聚合物改性等方面,其中聚合物改性方面表现优异,具体应用案例有洗衣机座盘、食品容器盖、加湿器水箱、塑料文具、运动水壶、拖鞋等等。

乙烯基弹性体

乙烯基弹性体的性能和特点:

聚乙烯链结晶区(树脂相)起物理交联点的作用,具有典型的塑料性能,加入一定量的α-烯烃(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)后,削弱了聚乙烯链的结晶区,形成了呈现橡胶弹性的无定型区(橡胶相),使产品又具有弹性体的性质;POE具有塑料和橡胶的双重特性综合性能优异,因此POE可以看作是塑料与橡胶的桥梁产品。

POE弹性体与EPDM相比,它具有熔接线强度卓越、分散性好、等量添加抗冲击强度高、成型能力杰出的优点;与SBR相比,它具有耐候性好、透明性高、价格低、密度小的优点;与EVA、EMA和EEA相比,它具有密度小、透明度高、韧性好、屈挠性好等优点;与软PVC相比,它具有无需特殊设备、对设备腐蚀低、热成型良好、塑性好、密度小、低温脆性佳和经济性良好等特点。

POE弹性体作为塑料增韧剂,不仅可以增韧改性与它相容的聚烯烃塑料,而且可通过过氧化物引发,有效地与马来酸酐、丙烯酸缩水甘油酯等单体发生接枝反应,所得到的接枝物广泛用来增韧尼龙、聚酯等工程塑料。

聚烯烃弹性体POE分子结构中没有不饱和双键,具有很窄的分子量分布和短支链结构(短支链分布均匀),因而具有高弹性、高强度、高伸长率等优异的物理机械性能和的优异的耐低温性能。

窄的分子量分布使材料在注射和挤出加工过程中不宜产生挠曲,因而POE材料的加工性能优异。由于POE大分子链的饱和结构,分子结构中所含叔碳原子相对较少,因而具有优异的耐热老化和抗紫外线性能。此外有效的控制在聚合物线形短支链支化结构中引入长支链,使材料的透明度提高,同时有效的改善了聚合物的加工流变性。

乙烯基弹性体的应用:

?POE可以威胁到橡胶、柔性PVC、EPDM、EPR、EMA、EVA、TPV、SBC和LDPE等材质;

?应用于不同产品,如汽车挡板,柔性导管,输送带,印刷滚筒,运动鞋,电线电缆、汽车部件、耐用品、挤出件、压模件、密封材料、管件和织物涂层等;

?也可以作为低温抗冲改良剂来改善PP的低温抗冲性能,同时可以作为热塑性弹性体运用于汽车领域。