高性能聚合物能源工业应用情况分析

高性能聚合物能源工业应用情况分析

高性能聚合物能源工业应用情况聚芳醚树脂因具有耐高温、高强度、耐磨损、耐水解、耐化学腐蚀、耐辐射等性能，已经广泛应用于能源工业。石油天然气领域的应用包括海洋石油输送上升管、密封圈支撑环、潜油泵止推轴承、测井线缆、钻杆护套、绝缘环、极板、电机隔环、电机磁力线等；氢能源燃料电池领域的应用包括氢气储罐、氢气进口出口接头/盲板、冷却水进口出口接头/盲板、正负极绝缘垫片、质子交换膜等；核电领域的应用包括贯穿件线缆、线缆贯穿连接器、线圈骨架、水泵球阀等；太阳能的应用有电池板太阳追踪器转动部件；风能应用有大型轴承保持架和发电机刹车片；水电领域有大型止推轴承；地热有潜水泵电机磁力线。能源工业领域全球市场主要被威格斯、德国赢创和索尔维垄断，但中国市场逐渐被国产材料替代。随着国家碳中和与碳达峰目标的提出，我国未来能源市场将涌现大批新型应用，对高性能聚合物材料的需求将大幅度增加。仅以氢能源的氢气储罐为例，采用PEEK连续碳纤维复合材料替代金属，不仅消除了金属材料的氢脆问题，还能实现较大程度的减重，氢气储罐可以从750千克减重到150千克，同时还能将氢气压强从30MPa提高到168Mpa，同样体积的储罐可以将氢气的储存量从5千克提高到28千克，能够显著增加燃料电池汽车的续航里程。根据预测，2032年全球燃料电池汽车销量将超过500万辆，2020-2032年期间CAGR高达43%。假设10%的高端车采用PEEK碳纤维氢气储罐，PEEK复合材料的使用量也将高达4万吨/年，市场前景可观。塑造全新未来的五类聚合物自从全合成材料萌芽初现，相关的研发进展已达到了材料史上空前的地步。针对某一特定的用途，化学家们新发现的催化剂和新研发的合成方法，用以帮助小分子正确地契合到聚合物的长链中。如平时制作地毯所使用的聚丙烯纤维，以及各种坚硬的用于制作塑料瓶的聚乙烯。物理学家、材料学家和工程师们也设计出新的处理方法和新技术来提高性能，用以生产出像凯夫拉（kevlar）一样的超级牢固的物质。众所周知，不能被降解的塑料是一种常见的环境污染来源。更糟糕的是，这些称之为单体的塑料的构件，来自不能再生的远古的原油。感谢在生产过程中使用的酶和催化剂，它们使得这种情况开始发生改变。未来极有可能将诸如沼气等可再生能源转化为制造塑料和合成橡胶的主要构件。由于保存了化石原料，这些材料将变得可持续，但这只是解决了部分问题。除非它们也能够被生物降解，否则，对于环境来说它们仍然是一个问题。塑料复合材料发展概况塑料复合材料是由不同纤维构成的更加坚固或有弹性的塑料。举个例子，你在聚合物中镶嵌一些碳纤维来增加强度，可以制造出一种用于现代节能型交通工具的轻质材料。这类纤维增强塑料（fibre-reinforcedplastics）的使用正在快速发展，特别是在航空航天工业（波音787和空客A360都有50%的复合材料）。如果不是由于成本过高，这些材料将被用于所有的运输工具。最新出现的纳米复合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在内的物质来加强塑料。这种新材料用途潜力无穷，从风力涡轮叶片上轻量传感器到电量更足的电池，再到植入人体的用于加速骨折恢复的支架。如果成功地将纳米复合材料在严密控制的工作条件下加工生产，将是令人心潮澎湃的一件事情。如果观察自然材料例如木材的结构，你会发现它们惊人得复杂。相比之下，现有的复合材料和纳米材料是那么得不成熟。氟聚物行业发展趋势供给方面，由于受到环保督察的影响，国内部分氟化工企业受到影响，原材料的生产无法满足下游氟硅化工行业生产需求，从而导致市场供给不足，使得市场价格有了大幅度增长，供给侧改革又影响了企业新产能的扩张，使得供给方面一时无法满足市场;需求方面，随着国内外经济形势好转，市场需求回暖，更加推动产品价格上涨。根据目前各国经济发展趋势和含氟聚合物加工技术的进步，预计未来5年内，国外含氟聚合物的消费量将继续稳步增长，年均消费增长率将超过4%，其中PTFE增长较缓，增速为3．8%；其他氟树脂增长较快，增速可达5．5%；氟橡胶增速居中，为4．5%。预计2025年需求量将超过28万吨。其中增长较快的是聚四氟乙烯以外的含氟树脂，特别是PVDF、PVF、ETFE、PFA和ECTFE及氟橡胶。《中国制造2025》中提到，大力推动重点领域突破发展，以高性能结构材料、功能性高分子材料、先进复合材料等为发展重点。随着政府对于环保的重视、对高分子材料领域的大力推进，有效地促进了氟聚合物行业的发展。化工新材料是新能源、高端装备、绿色环保、生物技术等战略新兴材料的重要基础材料，与传统材料相比，化工新材料具有性能更优、附加值更高、技术难度更大等特点，细分领域包括工程塑料、特种橡胶及弹性体、高性能纤维等传统合成材料的高端产品，以及高性能膜材料、电子化学品、新能源和生物化工领域高性能专用和精细化学品等。新材料是新一轮科技革命和产业变革的基石和先导，2018年中美贸易摩擦发生以来，国家加大对信息技术、高端制造和新材料等领域的政策支持，十四五规划和2035远景目标提出，大力发展战略性新兴产业，加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等产业；2021年12月，工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021年版）》，其中包含先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料三大类共300余种材料，化工新材料领域包括高性能纤维及复合材料、先进半导体材料和新型显示材料等多个品种。据中国石油和化学工业联合会，2019年全球化工新材料产值达3700亿美元，其中北美、欧洲和日本等发达国家和地区新材料产能较大且技术成熟，如碳纤维领域日本/美国/德国的企业占据全球主要份额；液晶背光源发光材料领域以日本企业为主；高性能工程塑料以美国、德国为主；特种橡胶方面日本、美国占据较大的市场份额。全球新材料龙头企业也主要集中在美国、德国和日本等国家，例如美国埃克森美孚围绕聚烯烃和合成橡胶等高性能化不断开发高端产品，2020年营业收入达1803亿美元，其中化学品业务收入231亿美元；德国巴斯夫在多种基础原料及精细化学品方面均具备专有技术，2020年营业收入达727亿美元；德国拜耳在聚氨酯、涂料及中间体等高分子材料领域处于领先地位，2020年营业收入达509亿美元；日本三菱化学在功能性材料方面拥有技术优势，碳纤维、聚碳酸酯等领域处于领先地位，2020年营业收入达331亿美元。目前全球化工新材料产业发展整体步入高技术引领、产品迭代速度快、产业规模和需求不断扩大等特点，随着世界经济的持续增长，企业和金融资本发展化工新材料的动力不断增强，未来化工新材料的需求空间有望继续扩大。据中国石油和化学工业联合会预计，到2025年全球化工新材料市场规模将达到4800亿美元，2019-2025年复合增速达4．4%，其中高端聚烯烃、特种工程塑料、电子化学品、碳纤维等领域需求增长有望延续。近年来，在国家政策引领及企业技术进步等推动下，我国化工新材料行业发展已具备一定基础。据中国石油和化学工业联合会，国内2019年化工新材料产值约6000亿元，总消费规模约9000亿元（进口额达3000亿元），其中氟硅树脂和橡胶、聚氨酯材料、部分新能源材料等方面发展相对较快，如超高分子量聚乙烯、水性聚氨酯、脂肪族异氰酸酯、氟硅橡胶等国产化率较高且部分实现出口，T800级以上碳纤维、聚碳酸酯、生物基聚酰胺56等技术实现产业化，但整体上高端聚烯烃、工程塑料、功能性膜材料、高性能纤维和高端电子化学品等诸多领域自给率仍然较低。含氟聚合物概述含氟聚合物是指有机高分子化合物主链、侧链中与碳原子直接以共价键相连的氢原子被氟原子全部或部分取代后形成的高分子聚合物。它是氟化工行业的主要产品之一，氟化工行业氟消耗总量的20%，也是含氟新材料的重要品种，产品可以分为氟树脂与氟橡胶两大类。含氟树脂是一类具有特殊性能且价值较高的高分子材料，具有耐腐蚀、耐高低温等优良性能。氟树脂又可以分为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）等均聚或共聚树脂。含氟树脂下游前几大应用领域依次为石油化学工业、机械行业、电子电器行业、涂料行业。氟聚物消费和应用情况按照氟聚合物类型将市场细分为聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、氟弹性体（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费量最高的种类，消费量占比超过世界氟聚物消费量的一半。氟聚合物市场按类型、最终用途进行细分。在终端使用的基础上，市场已进一步细分为化工加工、汽车运输、电气电子、建筑、工业设备、医疗、家居等。含氟树脂是一类具有特殊性能且价值较高的高分子材料，其特点是应用范围广。石油化学工业是氟树脂最大的消费领域，这主要是利用了氟树脂耐腐蚀、耐高低温优良等特性。其次是机械行业，氟树脂在此领域被加工成各种零部件；电子电气行业消费的氟树脂量也比较大，主要是利用了氟树脂优良的介电性能；涂料工业消费的氟树脂数量也越来越多，这主要是利用了其化学和物理的稳定性以及自清洁性；此外，纺织、炊具、医疗器械等方面也消费一定数量的氟树脂。2017年是中国氟聚物市场迅速扩张的一年。2017年中国PTFE产能133100吨，占氟聚合物产能的56．61%，与2015年相比（以下同）年均增长率3．17%。PTFE产量98075吨，占氟聚合物产量的60．45%，年均增长率5．13%。2017年我国PVDF产能55500吨，年均增长率20．85%，产量33974吨，年均增长率24．90%。2017年我国FEP产能23120吨，年均增长率15．20%，产量14716吨，年均增长率22．42%。2017年中国FKM产能23400吨，年均增长率7．76%，产量15482吨，年均增长率33．78%。智能聚合物行业概况凝胶和合成橡胶可轻松地对外部的刺激做出形状上的调整，这也意味着他们能够对环境的改变做出响应。外部的刺激通常会是温度或酸碱性的改变，也可能是光、超声波或者化学药剂。在设计智能传感器的材料、药物运输设备和众多其他应用程序上，这也被证明是非常有用的。如果刻意设计，可以极大地扩展聚合物对各种刺激的本能反应。例如，机械响应聚合物（mechanophors），通过分子单位收到机械力可以改变聚合物的性质。这些是具有广阔潜力的工业应用，特别是将自愈技术加入以后。其他智能聚合物的应用还有许多，包括可以窗户脏后自动擦窗户的镀膜，以及当伤口愈合时自动消失的医疗针。高性能聚合物进程加速高性能聚合物作为化工新材料产业的尖端，其核心合成技术、配方技术、加工技术、应用技术和市场开发都被西方发达国家的企业所掌握。由于起步慢、国际技术壁垒、产品结构不合理等因素，我国高性能聚合物行业自给率仍有待提高。我国的现状是部分聚合物已经实现商业化，解决了有和无的问题，但产品主要占据中低端应用市场，大部分高端产品还未完全实现国产化，无法满足与快速发展的下游需求相匹配。新材料作为高新技术的先导和基石，是国家科技水平前瞻性指标。目前我国新材料产业规模、技术水平、发展机制等方面与国外仍存在较大差距。伴随全球制造业向中国聚集以及国内市场迅速增长，需求驱动下的国内产品的性能、稳定性与国外头部企业的差距正逐渐缩小，进程加速。根