中国2020新材料产业研究报告,谁是未来的超级印钞机?
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。
新材料种类
本文内容框架:
三大热点:芳纶PI和PA,电子化学品,轻量化节能材料
四大热点:3D打印材料,可降解材料,新型弹性体
五大聚焦:结构化材料,能源材料,极端环境材料,碳捕集和储存的材料,纳米材料
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
★
三大热点之一:芳纶、PI和PA
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。
★
三大热点之二:电子化学品
★
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。
★
四大材料之一:薄膜
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。
★
四大材料之二:3D打印材料
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。
★
四大材料之三:可降解材料
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。
★
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。
氟/硅弹性体
氟硅橡胶是以氟硅聚合物为主体的配方组成,氟硅聚合物主链中含多个硅氧基团(-Si-O-),其无毒、耐高低温!可做成热塑性弹性体。
氟橡胶--“橡胶之王”:具有高度的化学稳定性,是目前所有弹性体中最好的;耐高温性能极佳、具有极好的耐天候老化性能和耐臭氧性能、真空性能和机械性能优良等--弹性体中综合性能极佳的品种。几个小缺点:比如低温性能不好、耐辐射性能也差等。
新材料产业的五大聚焦
★
五大聚焦之一:结构化材料
★
五大聚焦之二:能源材料
★
五大聚焦之三:极端环境材料
★
五大聚焦之四:碳捕集和储存的材料
★
五大聚焦之五:纳米材料
欧美及我国化工企业类型占比
1=精细化工和新材料型多元化工企业
2=传统石化油气和基础化工类企业
◼中船集团垄断了中国造船业—世界前三;
◼格力、美的、海尔等均是世界级家电巨头;
◼全球规模第一的汽车制造业;
◼全球最大消费级电子产品(手机、pad、电脑)生产基地、消费市场;
◼还有兰月亮、立白等日化大佬。
含有氟元素的碳氢化合物
耐高低温、电绝缘、耐候(光、放射性、臭氧)、无毒、阻燃、抗氧化等优良特性
被用做工业零件或外壳材料的工业用材料。
碳纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维
单晶硅为代表的半导体微电子材料; 激光晶体为代表的光电子材料; 介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料; 钕铁硼永磁材料为代表的磁性材料; 光纤通信材料; 磁存储和光盘存储为主的数据存储材料; 压电晶体与薄膜材料; 贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等。(来源:今日化题榜)
扫码加入【新材料研习社】微信群
欢迎国内外涉猎新材料、高分子及相关领域的专家学者、教授、高校学子、企业事业单位科研人员撰稿合作,携手交流。您的文章将会被行业大佬、学术界大牛阅读,欢迎您来稿,助力高分子学科和行业的发展。赶快添加招聘微信,成为高薪供稿人(微信号:LYB161204,或长按二维码添加小编为好友)。请备注:名字-单位-职称-研究方向。