特种工程塑料：塑料界的“特种兵”

时间: 2024-11-20 03:02:00 |   作者: 新闻中心

  塑料按使用温度可分为三个等级：通用塑料（＜100摄氏度）、工程塑料（＜150摄氏度）和特种工程塑料（长期使用温度在150摄氏度以上，部分产品可在200摄氏度乃至400摄氏度严苛环境应用）。塑料性能越高,价值越高，但特种工程塑料市场规模比较小，只占热塑性塑料市场的1.8%。

  特种工程塑料普遍具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、耐磨损、耐辐照、易加工的特点。目前，可商业化生产、大规模投放市场的特种工程塑料主要有六种：聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚芳醚砜（PSF）、液晶聚合物（LCP）、聚苯硫醚（PPS）、耐高温尼龙（PPA）。

  一代装备一代材料，高性能武器装备需要具备高速度、高机动性、高精确控制、高隐蔽性，这就要求材料轻质、高强、高耐热、高抗冲击、多功能。因此，特种工程塑料在上世纪60~80年代陆续开发出来，当时国际上只有一些欧美大公司掌握技术并具有生产能力。我国起步较晚，直到上世纪七八十年代才开始陆续解决一些特种工程塑料的基础问题，现在才能够量产、投放市场，因此技术上基本都有自主知识产权。

  随着技术突破、产能提升、成本下降，特种工程塑料在民用领域可用于航空航天、电子、电器、能源、汽车、医疗、机器人等。

  目前，我国特种工程塑料发展现状是：产能迅速增长，但达产率普遍偏低，产品质量不稳定，工程化技术水平亟待提高；低端产品产能过剩，价格内卷；高端产品进口依存度居高不下。迫切地需要加快科研成果转化、突破关键原料的供应瓶颈、提升产品档次、大力开发改性技术和应用技术。

  材料特性：PPA连续使用温度超过170摄氏度。高强度、高硬度，拥有非常良好的耐疲劳性、耐磨性和抗蠕变性，在广泛的温度范围内和高湿度环境中都能保持优越的机械特性。具有极小的线线胀系数、很高的尺寸精度和尺寸稳定性。吸水率低于尼龙6，耐油和绝大多数化学药品，但怕强酸和强氧化剂，可溶于苯酚和甲酚。在高紫外线辐射、高湿、高温等极端条件下，可长期在室外使用。耐焊锡性好，适用于电子电器工业表面贴装。PPA是尼龙6（PA6）、尼龙66（PA66）及尼龙46（PA46）的升级替代产品。

  生产工艺：PPA的上游化工原材料主要是芳香型二元酸和脂肪族二元胺。PPA的中游中间产品有PA46、PA4T、PA6T、PA9T、PA10T、PAMXD6等，但在原料和技术方面，基本都被欧美垄断，我们国家生产更多的是PA6T。PPA产品能通过添加防老化剂、光稳定剂、阻燃剂、偶联剂等加工助剂，以及玻璃纤维、碳纤维等增强填料，实现改性。

  应用领域：因性能优异，PPA近年来应用场景持续拓展，下游制品大范围的应用于汽车工业、电子电器、石油化学工业、航空航天等领域。PPA还是一种取代金属的理想材料，目前已在平板电脑、手机、遥控器等产品中应用。

  材料特性：LCP耐热性好，热变形温度可达320摄氏度。线线胀系数极小，具有很高的尺寸精度和尺寸稳定性。抵抗腐蚀能力好，LCP制品在浓度90%酸及浓度50%碱存在下不会被侵蚀。电绝缘性能突出，介电常数和介电损耗很低，所以在电子电器方面用途广泛。

  生产工艺：LCP由二酚（醇）单体和二酸单体聚合而成。LCP根据热变形温度，分为高耐热型（Ⅰ型）、中耐热型（Ⅱ型）、低耐热型（Ⅲ型）。I型的耐热性非常好，熔点非常高，这也代表着加工难度变大。II型的耐热性、加工性介于Ⅰ类、Ⅲ类之间，分子结构中萘环产生的“侧步”效应降低了分子链段的刚性，因此比Ⅰ型加工性能和回收性更好。Ⅲ型分子结构中含有PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），柔性酯基的加入逐步降低了材料的耐热性能，温度较高会发生明显的分解、水解现象，耐温、耐湿性差，但加工性好。目前市场上主要是Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅲ型量很少。

  Ⅰ型LCP主合成单体为对羟基苯甲酸、对苯二甲酸、4,4′-联苯二酚，Ⅱ型LCP主合成单体为6-羟基-2-萘甲酸、对羟基苯甲酸，过去由于4,4′-联苯二酚等关键单体被“卡脖子”，因此国内LCP产量较少，直至2022年，国内企业（如四川圣效等）解决了这一问题。

  应用领域：LCP应用领域广泛，其中75%用于电子电器和5G通信设施，其他用于汽车工业和航空航天等领域。

  市场供需：2023年全球LCP需求量为4.61万吨，预计到2025年将达8.17万吨。LCP产能大多分布在在美国、日本等地的企业，我国核心单体实现自主可控后，即将实现产能突破，有望在2025年达到5万吨/年，但要进一步提升单体纯度。

  产业建议：LCP国内年需求增速在15%~20%，但国产LCP的质量稳定性和一致性与国外产品存在差距，只能通过降低价格争取市场份额，产品质量亟待提高。

  市场供需：PPA2020年全球需求量达15万吨。2020年我国PPA需求量为3.2万吨，市场规模约22亿元美元。初步测算到2026年，我国PPA需求量将达到5.2万吨，市场规模约31亿元美元。

  全球PPA产能集中于欧美发达国家，我国企业占比较低。我国PPA需求量大但自给率低，2020年自给率仅为24%，有望迎来国产替代加速。目前，国内己二酸产业较为成熟，己二腈取得技术突破，预计2025年，我国PPA产能突破5万吨/年。

  产业建议：PPA主要用于电子和汽车领域，未来产品替代空间广阔。随着国内PA6、PA66逐步供大于求，企业盈利空间收缩，迫切需要丰富产品种类、提高生产技术水平、提升产品品质、增强市场竞争力，不能只在低端产品上竞争。

  材料特性：PSF耐热、稳定性好，长期使用温度高于180摄氏度。力学性能好，拉伸强度在70兆帕以上，断裂伸长率最高可达70%以上。耐湿热，在145摄氏度蒸汽下寿命至少为12年。阻燃性较好。耐化学性好，耐酸、耐碱、耐无机盐，耐汽油、机油、润滑油和氟利昂等，可用于石油化工管道和医疗用品的涂层等。安全性好，是美国FDA（食品药品监督管理局）和欧盟认可的一类符合食品级和卫生级的高分子材料。

  生产工艺：PSF合成的工艺路线有亲核路线和亲电路线两大类，目前国内工业化生产以亲核路线为主，均来自吉林大学。PSF主要原材料为4,4′-二氯二苯砜，与双酚A可合成普通双酚A型聚砜（PSU），与双酚S可合成聚砜（PES），与4,4′-联苯二酚可合成聚芳砜（PPSU）。

  应用领域：传统PSF最早用于军工产品及航空航天领域。随着近年来产能增长、制造升级，PSF开始用于医疗器械（如血液透析膜等）、食品包装（如奶瓶等）、交通运输（如汽车轴瓦、齿轮等）、机械制造（如各类机器的杠杆、柄、支架，X射线装置的观察玻璃等）、电子电器（如线圈骨架等）众多领域。

  市场供需：PSF主要生产商是国外企业，其中，德国巴斯夫、比利时索尔维、日本住友3家公司总产能为6万吨/年。全球PSF消费量2016年为5.11万吨，2019年达到8.76万吨，增速为6%左右，预计2020~2024年增速在7%左右。

  我国PSF近年来发展迅速，总产能约1.6万吨/年，2022年产量接近4000吨，但需求量突破8000吨，需要大量进口。

  产业建议：PSF产业垄断经营趋势明显，索尔维和巴斯夫两大生产商占据80%以上的市场份额。我国PSF市场蓄势待发，用于高端的水处理及血液透析领域的市场增速明显，因性价比适宜，应用范围及应用环境拓展迅速。国内目前有产能，但达产率偏低，工程化技术有待逐步提升，产品结构亟须调整，低端产品竞争激烈，高端产品较少。

  材料特性：PPS连续使用温度在200~240摄氏度。热稳定性好，在空气中热分解起始温度高达450摄氏度，阻燃性也高于尼龙。耐化学性突出，在200摄氏度以下没有溶剂可以溶解，可与PTFE（聚四氟乙烯，俗称“塑料王”）相媲美。机械性能上表现为强度一般、刚性强、韧性差的特点，在各种环境下都可以保持耐疲劳性、抗蠕变性，且在高温、高湿、变频等条件下仍能保持良好的绝缘性，被认为是“性价比之王”，因此发展速度快。

  生产工艺：PPS的主要合成工艺是硫化钠法，上游原材料主要是硫化钠、氢氧化钠、对二氯苯等，不存在“卡脖子”问题。

  应用领域：PPS的发展成熟，性能优异，市场价格在5万元/吨以上，相比其他特种工程塑料，价格较低，性价比高，常作为结构性高分子材料使用。PPS应用领域最广，几乎无所不用。40%的PPS用于汽车工业，而且在电动汽车中的用量是燃油车的两倍以上。PPS在环保行业的用量占比达25%，PPS纤维已成为燃煤电厂烟道气除尘和城市垃圾焚烧厂尾气过滤及除尘升级的首选滤材，具有较高附加值。在石油化工领域，PPS可用于石油深井部件，各种泵、阀门，以及化工填料、防腐材料等。在新能源领域，PPS可用于碱性制氢电解槽隔膜、燃料电池端板等。

  市场供需：我国PPS材料需求由2015年的2万吨增至2021年的7万吨，市场规模由9.62亿元涨至31.2亿元，年均复合增速约22%。随着我国汽车和电工电子等高端领域快速发展，我国PPS的需求增长将远高于世界平均水平。

  PPS全球产能在2021年首次超过20万吨/年（22.93万吨/年），从产能分布看，主要集中于日本和我国。我国2021年产能达到9.6万吨/年，但主要生产低端产品，因此达产率不高，70%以上产品依赖进口。此外，我国自2020年12月1日起开始对原产日本、美国、韩国和马来西亚的进口PPS征收反倾销税，实施期限至2024年11月，这一政策为我国PPS厂商创造了良好的发展机遇，有利于促进国产PPS产销量及价格提升，加快PPS的国产化替代进程。

  产业建议：PPS未来市场前景良好，但我国PPS低端产品多、高端产品少，产品急需升级，且国内工艺装备自动化水平相对国外企业较低、产品的批次稳定性差，很难保证产品质量的稳定性和一致性，工程化技术水平亟待提高。

  材料特性：PAEK是目前特种工程塑料里综合性能最好的一类材料。它的熔点高于310摄氏度，长期使用温度高于210摄氏度。力学性能显著，拉伸强度90兆帕以上，断裂伸长率最高可达70%以上。耐湿热。阻燃性较好。耐化学性好，除浓硫酸外，无溶剂可溶解。耐辐照能力强，在高剂量电离辐射下可长时间稳定工作。

  生产工艺：PAEK合成有亲核路线和亲电路线，国内工业化生产主要为亲核路线，来自吉林大学。PAEK种类繁多，目前PEEK（聚醚醚酮）应用需求最高、商品化最成熟。PEEK的原材料主要是氟酮、对苯二酚、二苯砜、碳酸钠，通过亲核工艺制得PEEK后，加入碳纤维、玻璃纤维、石墨、聚四氟乙烯、芳纶等增强材料，制得复合改性树脂，分为板材、棒材、片材、膜材、丝材等。

  应用领域：PEEK广泛用于武器装备、核工业、航空航天、汽车、机械、石油化工、医疗卫生等领域。由于具有非常好的生物相容性，PEEK现在是骨科、牙科等最愿意使用的主材。

  市场供需：2021年全球PEEK市场规模达44.9亿元，我国PEEK市场规模达13.33亿元，预计到2027年全球PEEK市场规模将达70.6亿元，2021~2027年市场年复合增长率预估为7.54%。

  在轻量化趋势下，PEEK有望以塑代钢成为汽车工业、航空航天、电子电器、医疗器械、3D打印、机器人、低空飞行器等多个终端领域结构件中的核心材料，其需求有望迎来大幅增长。近几年我国PEEK消费量逐年增加，我国已成为继欧洲和美国后最大的PEEK消费市场。2021年国内PEEK消费量约1980吨，2022年接近2200吨，在汽车、电子电器等需求带动下，预计2023~2027年将保持15%~20%的增速，至2027年消费量近5000吨。

  国内PEEK产能增长迅速，今年总产能可达9250吨/年，已经接近国外超万吨/年的总产能，但产品牌号不全、高端产品量产能力不强，因此，到目前为止实际销量1000多吨，仍存在进口依赖的问题，国内PEEK市场存在一定的产销失衡状况。

  产业建议：随着下游技术领域发展，PEEK应用领域迅速拓展，我国、印度等新兴市场兴起，市场规模将迅速扩大。但全球PEEK市场仍然一家独大，英国威格斯占据约70%的市场占有率，且垄断经营高端品牌。我国PEEK产品质量与国外相比尚有差距，产品牌号单一，基本用于低端市场，亟须开发高端品牌。

  材料特性：PI各方面性能都优异，能解决前述材料解决不了的问题，但价格也很高。PI长期使用温度范围在零下269~260摄氏度，且在零下269摄氏度的液氮中不会脆裂，部分PI没有熔点，分解温度可达600摄氏度。机械性能方面，均苯型PI薄膜为250兆帕、联苯型PI薄膜可达530兆帕。热膨胀系数低，联苯型PI与金属在同一水平。介电性良好。具有最高的阻燃等级。经高强度辐照后，PI薄膜也能保持90%的性能。无毒，可经受数千次消毒操作，部分PI具有良好的生物相容性。

  生产工艺：二酐单体、二胺单体通过两步法工艺生产出联苯型PI和均苯型PI。

  应用领域：PI薄膜广泛应用于消费电子、轨道交通、风力发电、电工绝缘、航空航天等领域，是最早实现商业化、最成熟、市场容量最大的产品。PI纤维是航空航天等重要领域的核心配件材料，在环保高温滤材、防火材料等领域也有广阔的市场空间。PI泡沫用于航空航天、船舶制造等领域。PI复材是目前使用温度最高的树脂基复合材料，大多数都用在航空航天发动机、飞行器轻量化等领域。光敏PI主要用于光刻胶和电子封装。相比传统光刻胶，光敏PI光刻胶无须涂覆光阻隔剂，可大幅缩减加工工序。

  市场供需：PI薄膜有“黄金薄膜”的美称，与碳纤维、芳纶纤维一并被认为是制约我国发展高新技术产业的三大瓶颈性关键高分子材料，是PI材料用量最大的品类。不同类别PI薄膜价格相差较大，低端电工PI薄膜为20万元/吨、低端电子PI薄膜为25万元/吨、电子级PI薄膜与热控PI薄膜为35万~60万元/吨、高端电子级PI或柔性显示用CPI薄膜超100万元/吨。

  2021年，全球PI薄膜消费量1.63万吨，市场规模22.5亿美元，预计到2030年PI薄膜消费量将达2.9万吨，年均复合增长率达6.5%。2022年国内PI薄膜市场总规模达72.4亿元，其中，电子级PI薄膜26.3亿元、特种级PI薄膜26.9亿元、导热级PI薄膜9.5亿元、电工级PI薄膜9.7亿元。

  产业建议：生产高性能PI膜对设备定制、制作工艺、技术人才等方面要求苛刻，门槛较高。目前这一领域呈现寡头垄断的竞争格局，90%以上的市场占有率掌握在美国、日本、韩国生产商手中。国内已实现电工级PI薄膜的大规模生产，但电子级PI薄膜进口依存度达到80%，高端PI薄膜的发展水平整体较低。高性能PI薄膜国产化需求迫切，国内企业PI材料应用领域及产能规模仍有很大的扩展空间。