高性能聚合物能源工業(yè)應用情況分析

高性能聚合物能源工業(yè)應用情況分析

高性能聚合物能源工業(yè)應用情況聚芳醚樹脂因具有耐高溫、高強度、耐磨損、耐水解、耐化學腐蝕、耐輻射等性能，已經廣泛應用于能源工業(yè)。石油天然氣領域的應用包括海洋石油輸送上升管、密封圈支撐環(huán)、潛油泵止推軸承、測井線纜、鉆桿護套、絕緣環(huán)、極板、電機隔環(huán)、電機磁力線等；氫能源燃料電池領域的應用包括氫氣儲罐、氫氣進口出口接頭/盲板、冷卻水進口出口接頭/盲板、正負極絕緣墊片、質子交換膜等；核電領域的應用包括貫穿件線纜、線纜貫穿連接器、線圈骨架、水泵球閥等；太陽能的應用有電池板太陽追蹤器轉動部件；風能應用有大型軸承保持架和發(fā)電機剎車片；水電領域有大型止推軸承；地熱有潛水泵電機磁力線。能源工業(yè)領域全球市場主要被威格斯、德國贏創(chuàng)和索爾維壟斷，但中國市場逐漸被國產材料替代。隨著國家碳中和與碳達峰目標的提出，我國未來能源市場將涌現大批新型應用，對高性能聚合物材料的需求將大幅度增加。僅以氫能源的氫氣儲罐為例，采用PEEK連續(xù)碳纖維復合材料替代金屬，不僅消除了金屬材料的氫脆問題，還能實現較大程度的減重，氫氣儲罐可以從750千克減重到150千克，同時還能將氫氣壓強從30MPa提高到168Mpa，同樣體積的儲罐可以將氫氣的儲存量從5千克提高到28千克，能夠顯著增加燃料電池汽車的續(xù)航里程。根據預測，2032年全球燃料電池汽車銷量將超過500萬輛，2020-2032年期間CAGR高達43%。假設10%的高端車采用PEEK碳纖維氫氣儲罐，PEEK復合材料的使用量也將高達4萬噸/年，市場前景可觀。塑造全新未來的五類聚合物自從全合成材料萌芽初現，相關的研發(fā)進展已達到了材料史上空前的地步。針對某一特定的用途，化學家們新發(fā)現的催化劑和新研發(fā)的合成方法，用以幫助小分子正確地契合到聚合物的長鏈中。如平時制作地毯所使用的聚丙烯纖維，以及各種堅硬的用于制作塑料瓶的聚乙烯。物理學家、材料學家和工程師們也設計出新的處理方法和新技術來提高性能，用以生產出像凱夫拉（kevlar）一樣的超級牢固的物質。眾所周知，不能被降解的塑料是一種常見的環(huán)境污染來源。更糟糕的是，這些稱之為單體的塑料的構件，來自不能再生的遠古的原油。感謝在生產過程中使用的酶和催化劑，它們使得這種情況開始發(fā)生改變。未來極有可能將諸如沼氣等可再生能源轉化為制造塑料和合成橡膠的主要構件。由于保存了化石原料，這些材料將變得可持續(xù)，但這只是解決了部分問題。除非它們也能夠被生物降解，否則，對于環(huán)境來說它們仍然是一個問題。塑料復合材料發(fā)展概況塑料復合材料是由不同纖維構成的更加堅固或有彈性的塑料。舉個例子，你在聚合物中鑲嵌一些碳纖維來增加強度，可以制造出一種用于現代節(jié)能型交通工具的輕質材料。這類纖維增強塑料（fibre-reinforcedplastics）的使用正在快速發(fā)展，特別是在航空航天工業(yè)（波音787和空客A360都有50%的復合材料）。如果不是由于成本過高，這些材料將被用于所有的運輸工具。最新出現的納米復合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在內的物質來加強塑料。這種新材料用途潛力無窮，從風力渦輪葉片上輕量傳感器到電量更足的電池，再到植入人體的用于加速骨折恢復的支架。如果成功地將納米復合材料在嚴密控制的工作條件下加工生產，將是令人心潮澎湃的一件事情。如果觀察自然材料例如木材的結構，你會發(fā)現它們驚人得復雜。相比之下，現有的復合材料和納米材料是那么得不成熟。氟聚物行業(yè)發(fā)展趨勢供給方面，由于受到環(huán)保督察的影響，國內部分氟化工企業(yè)受到影響，原材料的生產無法滿足下游氟硅化工行業(yè)生產需求，從而導致市場供給不足，使得市場價格有了大幅度增長，供給側改革又影響了企業(yè)新產能的擴張，使得供給方面一時無法滿足市場;需求方面，隨著國內外經濟形勢好轉，市場需求回暖，更加推動產品價格上漲。根據目前各國經濟發(fā)展趨勢和含氟聚合物加工技術的進步，預計未來5年內，國外含氟聚合物的消費量將繼續(xù)穩(wěn)步增長，年均消費增長率將超過4%，其中PTFE增長較緩，增速為3．8%；其他氟樹脂增長較快，增速可達5．5%；氟橡膠增速居中，為4．5%。預計2025年需求量將超過28萬噸。其中增長較快的是聚四氟乙烯以外的含氟樹脂，特別是PVDF、PVF、ETFE、PFA和ECTFE及氟橡膠?！吨袊圃?025》中提到，大力推動重點領域突破發(fā)展，以高性能結構材料、功能性高分子材料、先進復合材料等為發(fā)展重點。隨著政府對于環(huán)保的重視、對高分子材料領域的大力推進，有效地促進了氟聚合物行業(yè)的發(fā)展。化工新材料是新能源、高端裝備、綠色環(huán)保、生物技術等戰(zhàn)略新興材料的重要基礎材料，與傳統(tǒng)材料相比，化工新材料具有性能更優(yōu)、附加值更高、技術難度更大等特點，細分領域包括工程塑料、特種橡膠及彈性體、高性能纖維等傳統(tǒng)合成材料的高端產品，以及高性能膜材料、電子化學品、新能源和生物化工領域高性能專用和精細化學品等。新材料是新一輪科技革命和產業(yè)變革的基石和先導，2018年中美貿易摩擦發(fā)生以來，國家加大對信息技術、高端制造和新材料等領域的政策支持，十四五規(guī)劃和2035遠景目標提出，大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)，加快壯大新一代信息技術、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環(huán)保以及航空航天、海洋裝備等產業(yè)；2021年12月，工信部發(fā)布《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2021年版）》，其中包含先進基礎材料、關鍵戰(zhàn)略材料、前沿新材料三大類共300余種材料，化工新材料領域包括高性能纖維及復合材料、先進半導體材料和新型顯示材料等多個品種。據中國石油和化學工業(yè)聯合會，2019年全球化工新材料產值達3700億美元，其中北美、歐洲和日本等發(fā)達國家和地區(qū)新材料產能較大且技術成熟，如碳纖維領域日本/美國/德國的企業(yè)占據全球主要份額；液晶背光源發(fā)光材料領域以日本企業(yè)為主；高性能工程塑料以美國、德國為主；特種橡膠方面日本、美國占據較大的市場份額。全球新材料龍頭企業(yè)也主要集中在美國、德國和日本等國家，例如美國埃克森美孚圍繞聚烯烴和合成橡膠等高性能化不斷開發(fā)高端產品，2020年營業(yè)收入達1803億美元，其中化學品業(yè)務收入231億美元；德國巴斯夫在多種基礎原料及精細化學品方面均具備專有技術，2020年營業(yè)收入達727億美元；德國拜耳在聚氨酯、涂料及中間體等高分子材料領域處于領先地位，2020年營業(yè)收入達509億美元；日本三菱化學在功能性材料方面擁有技術優(yōu)勢，碳纖維、聚碳酸酯等領域處于領先地位，2020年營業(yè)收入達331億美元。目前全球化工新材料產業(yè)發(fā)展整體步入高技術引領、產品迭代速度快、產業(yè)規(guī)模和需求不斷擴大等特點，隨著世界經濟的持續(xù)增長，企業(yè)和金融資本發(fā)展化工新材料的動力不斷增強，未來化工新材料的需求空間有望繼續(xù)擴大。據中國石油和化學工業(yè)聯合會預計，到2025年全球化工新材料市場規(guī)模將達到4800億美元，2019-2025年復合增速達4．4%，其中高端聚烯烴、特種工程塑料、電子化學品、碳纖維等領域需求增長有望延續(xù)。近年來，在國家政策引領及企業(yè)技術進步等推動下，我國化工新材料行業(yè)發(fā)展已具備一定基礎。據中國石油和化學工業(yè)聯合會，國內2019年化工新材料產值約6000億元，總消費規(guī)模約9000億元（進口額達3000億元），其中氟硅樹脂和橡膠、聚氨酯材料、部分新能源材料等方面發(fā)展相對較快，如超高分子量聚乙烯、水性聚氨酯、脂肪族異氰酸酯、氟硅橡膠等國產化率較高且部分實現出口，T800級以上碳纖維、聚碳酸酯、生物基聚酰胺56等技術實現產業(yè)化，但整體上高端聚烯烴、工程塑料、功能性膜材料、高性能纖維和高端電子化學品等諸多領域自給率仍然較低。含氟聚合物概述含氟聚合物是指有機高分子化合物主鏈、側鏈中與碳原子直接以共價鍵相連的氫原子被氟原子全部或部分取代后形成的高分子聚合物。它是氟化工行業(yè)的主要產品之一，氟化工行業(yè)氟消耗總量的20%，也是含氟新材料的重要品種，產品可以分為氟樹脂與氟橡膠兩大類。含氟樹脂是一類具有特殊性能且價值較高的高分子材料，具有耐腐蝕、耐高低溫等優(yōu)良性能。氟樹脂又可以分為非熔融加工的聚四氟乙烯（PTFE），可熔融加工的聚全氟乙丙烯（FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）等均聚或共聚樹脂。含氟樹脂下游前幾大應用領域依次為石油化學工業(yè)、機械行業(yè)、電子電器行業(yè)、涂料行業(yè)。氟聚物消費和應用情況按照氟聚合物類型將市場細分為聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、氟彈性體（FKM）、氟化乙丙烯（FEP）、四氟乙烯（ETFE）和聚三氟氯乙烯（PCTFE）等。其中聚四氟乙烯是世界氟聚物消費量最高的種類，消費量占比超過世界氟聚物消費量的一半。氟聚合物市場按類型、最終用途進行細分。在終端使用的基礎上，市場已進一步細分為化工加工、汽車運輸、電氣電子、建筑、工業(yè)設備、醫(yī)療、家居等。含氟樹脂是一類具有特殊性能且價值較高的高分子材料，其特點是應用范圍廣。石油化學工業(yè)是氟樹脂最大的消費領域，這主要是利用了氟樹脂耐腐蝕、耐高低溫優(yōu)良等特性。其次是機械行業(yè)，氟樹脂在此領域被加工成各種零部件；電子電氣行業(yè)消費的氟樹脂量也比較大，主要是利用了氟樹脂優(yōu)良的介電性能；涂料工業(yè)消費的氟樹脂數量也越來越多，這主要是利用了其化學和物理的穩(wěn)定性以及自清潔性；此外，紡織、炊具、醫(yī)療器械等方面也消費一定數量的氟樹脂。2017年是中國氟聚物市場迅速擴張的一年。2017年中國PTFE產能133100噸，占氟聚合物產能的56．61%，與2015年相比（以下同）年均增長率3．17%。PTFE產量98075噸，占氟聚合物產量的60．45%，年均增長率5．13%。2017年我國PVDF產能55500噸，年均增長率20．85%，產量33974噸，年均增長率24．90%。2017年我國FEP產能23120噸，年均增長率15．20%，產量14716噸，年均增長率22．42%。2017年中國FKM產能23400噸，年均增長率7．76%，產量15482噸，年均增長率33．78%。智能聚合物行業(yè)概況凝膠和合成橡膠可輕松地對外部的刺激做出形狀上的調整，這也意味著他們能夠對環(huán)境的改變做出響應。外部的刺激通常會是溫度或酸堿性的改變，也可能是光、超聲波或者化學藥劑。在設計智能傳感器的材料、藥物運輸設備和眾多其他應用程序上，這也被證明是非常有用的。如果刻意設計，可以極大地擴展聚合物對各種刺激的本能反應。例如，機械響應聚合物（mechanophors），通過分子單位收到機械力可以改變聚合物的性質。這些是具有廣闊潛力的工業(yè)應用，特別是將自愈技術加入以后。其他智能聚合物的應用還有許多，包括可以窗戶臟后自動擦窗戶的鍍膜，以及當傷口愈合時自動消失的醫(yī)療針。高性能聚合物進程加速高性能聚合物作為化工新材料產業(yè)的尖端，其核心合成技術、配方技術、加工技術、應用技術和市場開發(fā)都被西方發(fā)達國家的企業(yè)所掌握。由于起步慢、國際技術壁壘、產品結構不合理等因素，我國高性能聚合物行業(yè)自給率仍有待提高。我國的現狀是部分聚合物已經實現商業(yè)化，解決了有和無的問題，但產品主要占據中低端應用市場，大部分高端產品還未完全實現國產化，無法滿足與快速發(fā)展的下游需求相匹配。新材料作為高新技術的先導和基石，是國家科技水平前瞻性指標。目前我國新材料產業(yè)規(guī)模、技術水平、發(fā)展機制等方面與國外仍存在較大差距。伴隨全球制造業(yè)向中國聚集以及國內市場迅速增長，需求驅動下的國內產品的性能、穩(wěn)定性與國外頭部企業(yè)的差距正逐漸縮小，進程加速。根