合成橡胶基础知识介绍

|农业专题报告（橡胶）一、合成橡胶介绍合成橡胶泛指经由人工用化学方法合成的橡胶，以此区别于自然界生长的天然橡胶。合成橡胶的种类丰富，除了橡胶制品的主要性能要求包括弹性、硬度、拉伸强度、和压缩永久变形外，还有一些特定的性能要求，例如耐磨、耐曲挠龟裂、透气性、密闭性、耐化学品性、耐臭氧性、耐热耐寒性等。没有任何一种橡胶聚合物具备所有的性能要求，这也解释了为什么合成橡胶有如此多的种类和牌号。合成橡胶的生产大部分是从单体开始的，是原油和天然气经过精炼、裂解和下游产品进一步加工产生的。典型的单体包括用于顺丁橡胶（BR）和丁苯橡胶（SBR）的

1,3-丁二烯和苯乙烯；用于异戊二烯橡胶（IR）和丁基橡胶（IIR）的异戊二烯和异丁烯。1,3-丁二烯可以用来加工成氯丁二烯后生产氯丁橡胶（CR），也可以与丙烯腈一起加工成丁腈橡胶（NBR）；乙烯和丙烯可以生产三元乙丙橡胶（EPDM），乙烯还可以与醋酸乙烯酯形成乙烯-醋酸乙烯酯橡胶（EVM）。图

1:

合成橡胶产业链数据来源：公开资料，橡胶工业主要服务于汽车行业。尽管与天然橡胶有着截然不同的上游，但与天然橡胶（NR）一样，约三分之二的合成橡胶产品最终应用于轮胎。在合成橡胶的非轮胎应用中，有很大一部分也服务于汽车行业，如密封条、雨刷等。而除了汽车行业，合成橡胶在建筑、机电、航天航空、医疗卫生以及生活用品等领域都有着广泛的应用。3/

18|农业专题报告（橡胶）二、合成橡胶发展历史在

19

世纪，天然橡胶（NR）已经被发现并且早已成为一种重要的工业原料。经过化学分析，NR

主要是由碳和氢元素组成，其分子式相当于

C5H8。1879

年，同分子式的异戊二烯被通过对天然橡胶干馏得到，而后转化为橡胶状固体，这是合成橡胶首次通过聚合反应被制备出来。1909

年，德国拜耳公司的霍夫曼发明了世界上第一种可用的名为聚二甲基丁二烯的合成橡胶（SR）。同时，化学家们发现金属钠可以大大加快聚合过程，这也为当今大规模工业化生产合成橡胶奠定了基础。天然橡胶是一种典型的资源约束型产业，其产出量会受到自然条件的制约，而随着人类社会进入工业时代，人们对天然橡胶的需求便远远超过了其供应导致其价格暴涨，于是合成橡胶应运而生。同时，由于橡胶是一种战略性物资，两次世界大战成为了合成橡胶工业发展的最大的促进剂。一战爆发后，德国天然橡胶的供应被切断。德国的化工企业开始加速在实验室探索聚异戊二烯的合成，并随后在工厂中进行规模化生产。至一战结束时，德国的甲基橡胶生产能力已达到

150

吨/月，不过因为其硫化性能差，加工成本过高，伴随着一战结束后天然橡胶价格的暴跌，合成橡胶在价格方面缺少了竞争力，德国与整个欧洲基本停止了对合成橡胶的继续研究长达十余年。第二次世界大战爆发后，日本对东南亚的占领使得美国难以获得天然橡胶。于是出于对橡胶工业制品紧迫的替代需求，这一阶段美国政府开始主导合成橡胶工业的发展。E-SBR（乳聚丁苯橡胶）作为目前世界上用量最大的合成橡胶之一正是在这一时期被真正的工业化生产出来。第二次世界大战之后，合成橡胶的发展经历了第二次高潮，立构规整的高顺势-1,4-IR（异戊二烯橡胶）和顺式-1,4-BR（顺丁橡胶）在美国逐渐实现商业化。随后

S-SBR（溶聚丁苯橡胶）也开始商业化，当时科学家们采用了新的引发剂体系，可以生产出具有不同丁二烯微观结构的嵌段共聚物和无定型共聚物。这些发展在很大程度上得益于用于

1,3-丁二烯和异戊二烯聚合的丁基锂催化剂。这种催化剂被不断地改进，并且逐渐出现了不同的替代品：菲利普斯石油公司开发的钛系催化剂、古德里奇公司开发的钴系催化剂以及普利司通轮胎公司开发的镍系催化剂。到

20

世纪

60

年代初，北美、欧洲和日本已建成许多顺丁橡胶工厂。这种橡胶可以并用在轮胎混炼胶中以改善轮胎的耐磨耗、耐低温和耐老化性能。1962

年，壳牌公司开发出

ABA

三嵌段共聚物，即采用

1,3-丁二烯或异戊二烯于苯乙烯聚合得到

SBS

或

SIS，这也是最早商业化的热性弹性体（TPE）。这些三嵌段共聚物以聚苯乙烯嵌段为末端，中间是聚丁二烯或聚异戊二烯的嵌段。这种三嵌段共聚物具有弹性，在室温下具有类似于硫化橡胶的性能，但当温度超过聚苯乙烯软化温度时，可以像塑料一样进行熔融加工。至此，4/

18|农业专题报告（橡胶）目前工业中所用到的合成橡胶大部分类型均已经面世，行业开始在现有产品线上快速扩张产量。三、合成橡胶的结构与生产1、结构与特点橡胶从定义上可以简单的理解为是一类能从大变形迅速而有力地恢复的材料，在室温下拉伸至原长的两倍并保持一分钟，当撤出外力后，能在一分钟内回缩到原始长度的

1.5

倍以内。从结构的角度来看，橡胶主要是无定形聚合物，不结晶或者几乎不结晶，玻璃化转变温度远低于使用温度，能够交联成具有弹性的三维网络。从化学的角度来看，合成橡胶可分为

R、M

和

Q

三大类。R

类的聚合物主链结构中含有

C=C

不饱和双键，例如

SBR、BR

等聚二烯烃类橡胶；M

类的主链是饱和的聚亚甲基，C=C

不饱和双键可能会出现在侧基上，例如

IIR；Q类则是指主链含有硅和氧原子的橡胶，例如硅橡胶。图2：主要合成橡胶及其化学结构示意简图R

类丁苯橡胶（SBR）顺丁橡胶（BR）异戊橡胶（IR）丁腈橡胶（NBR）氯丁橡胶（CR）丁基橡胶（IIR）M

类三元乙丙橡胶（EPDM）乙烯-醋酸乙烯酯橡胶（EVM）来源：公开资料，5/

18|农业专题报告（橡胶）合成橡胶可以是由一种单体组成的均聚物（如

BR、CR），或者两种单体（如SBR、IIR）、三种单体（如

EPDM）、甚至更多单体组成的共聚物。这类共聚物的主要优点是可以通过改变化学结构来调节其物理性能和化学性能，以满足使用需求。不同种类的合成橡胶具有不同的化学结构，这与聚合物单体的种类及其在聚合物中的排列方式有关。化学结构通常包括聚合物主链的化学组成、与主链相连得侧基的类型和数量、不饱和度等。催化剂种类的不同，包括聚合工艺的不同都会影响到合成橡胶分子链的立构规整性和主链的化学组成分布。化学结构特点决定了合成橡胶的大多数物理性能，比如玻璃化转变、结晶、应变诱导结晶、分子链柔顺性、与填料的相互作用、密度和气密性。化学结构还决定了合成橡胶的化学反应活性，比如对硫化或者老化的反应活性。上述特性会最终影响到合成橡胶制品的性能，包括硬度、拉伸强度、撕裂强度、动态性能，甚至于对环境的敏感性，包括耐氧化、耐热耐寒、耐磨耗等。图3:各种橡胶性能对比表数据来源：公开资料，中信期货研究所2、生产与加工大多数情况下，合成橡胶原料的单体是通过石油及天然气的精炼和裂解得到的。将单体转化为橡胶聚合物后，需要进行特定的处理步骤，即从聚合物反应液中去除水或有机溶剂等反应介质，使聚合物转换成最终的成品形态（通常是块状，也会有薄片或颗粒状）。而成品形态的合成橡胶很少会直接用于生产橡胶制品，通常是与其他配方组分一起，经过适当的混炼和加工后才能生产出满足要求的产品。目前可供选择的橡胶聚合物、增塑剂、填料和各种助剂非常多样化，橡胶材料的应用范围非常广泛。6/

18|农业专题报告（橡胶）图

4:

最常见的橡胶配方的组要配方组分及其作用橡胶聚合物化学性能、力学性能、热性能填料（炭黑等）拉伸强度、硬度、动态性能增塑剂混炼胶粘度、硬度、加工性能、低温柔顺性硫化体系（硫磺

）硫化性能、交联密度、化学稳定性防护体系耐热、耐氧化、耐臭氧7/

18数据来源：从橡胶聚合物开始，经过混炼胶，最终到硫化橡胶制品，橡胶的加工可以分为三个不同的加工阶段。混炼混炼是用炼胶机将生胶或塑炼生胶与配方组分炼成混炼胶的工艺，是生产橡胶制品的第一步。在此阶段加入全部或大部分的配方组分，在强剪切作用下配方各组分均匀分布在橡胶基体中。根据不同配方的要求，混炼温度有时需要达到所需的反应温度，但大多数情况下混炼温度不应过高，以避免橡胶聚合物发生降解。预成型（半成品）胶料混炼完毕后，可以根据需要决定是否进行滤胶，然后进行预成型，比如压延或者挤出预成型。通常情况下，半成品的尺寸与硫化模腔的尺寸大致相同即可满足要求，但对于大部分连续挤出的硫化橡胶制品来说，其断面尺寸应当满足最终硫化橡胶制品对尺寸的要求。硫化硫化又称交联，是在橡胶中加入硫化剂和促进剂等交联助剂，在一定的温度、压力条件下，使线型大分子转变为有弹性的三维网状结构的过程。橡胶硫化的主要目的是通过形成交联结构，使橡胶材料变得更加稳定、耐久、强度更高，并赋予其弹性和耐磨性，为橡胶制品的性能和品质提供了质的飞跃。四、合成橡胶供应2005

年至

2020

年底，根据

IRSG

数据统计，全球合成橡胶产量从

1200

万吨增至

1550

万吨以上，从全球产量来看已经步入了一个相对稳定且缓慢增长的时期。目前全球主要产区中，亚洲地区占比近

6

成。主要是收到亚洲地区近年来经济高速发展的提振作用，合成橡胶消费量快速增长带动供应量的不断扩大。而欧洲、和美洲等地拥有较为庞大且完善的石油、化工产业，其合成橡胶产值稳定性较高。在合成橡胶的种类中，丁苯橡胶（SBR）与顺丁橡胶（BR）作为合成橡胶两大主要胶种，产量合计占比超

50

。|农业专题报告（橡胶）图5：合成橡胶加工工艺流程混炼橡胶聚合物和其他配方组分的混合与分散聚合物结构（线性或支化结构、摩尔质量及其分布）会影响混炼工艺混炼过程中的剪切变形大，温度上升速度快预成型工艺：压延成型胶料可进一步分布式混合拉伸变形大，可进一步分散填料，并使胶料在储存过程中形成的附聚体重新分散与混炼工艺相比，压延的温度较低且稳定预成型工艺：挤出成型胶料可进一步分布式混合销钉式机筒既能提高效率，又能使温度均匀分布沿螺杆方向温度逐渐升高模具的设计会影响挤出制品的质量间歇式硫化：主要包括注射成型、模压成型和转移成型预成型的胶料被压入模具，在模具中进行一定时间的硫化连续式硫化：胶料经挤出机挤出成型，然后进入一系列硫化单元，包括红外高温定型、热空气烘道等升高温度，胶料发生硫化来源：公开资料，中信期货研究所8/

18|农业专题报告（橡胶）图

6：全球合成橡胶产量单位：万吨数据来源：IRSG，中信期货研究所数据来源：IRSG，Wind，中信期货研究所图

8：2021

年全球合成橡胶产能占比（按种类）单位：图

9：2021

年全球合成橡胶产量占比（按地区）单位：数据来源：公开数据，中信期货研究所数据来源：IRSG，中信期货研究所对于我国来说，合成橡胶工业的发展始于“一五计划”，这一时期的氯丁橡胶、丁苯橡胶和聚硫橡胶三套试验装置为我国合成橡胶工业化的技术提升和经验储备奠定了基础。“四五计划”时期，我国把合成橡胶列为大力发展的对象。但受限于当时的国际环境，顺丁橡胶、乙丙橡胶和丁二烯原料的产业化总年产量仍不足

10

万吨。之后在改革开放的推动下，我国引进国外先进的合成橡胶制造工艺技术和生产装置的步伐加快，国产合成橡胶种类不断丰富。截至

2021

年底，我国合成橡胶年产能超

600

万吨，年产量近

420

万吨，占全球产量约

1/4，亚洲地区占近一般。与全球产量占比相似的是，丁苯橡胶与顺丁橡胶合计占比50。不过需要注意的是，在

2016-2021

年间，苯乙烯类热塑性弹性体（SBCs）的建设较为集中，作为全球体量最大的热塑性弹性体（TPE/TPR）基础原材料，2021

年其在总产量方面一跃成为国内第一大合成橡胶。不过

SBCs

包括了

SBS、SEBS、SIS、SEPS

等系列产品，所以目前从单个胶种来看，丁苯与顺丁仍占主导地位。1800160014001200100080060040020002005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020-10-5051015202005201020152020图

7：全球合成与天然橡胶消费能力与宏观经济水平相关全球GDP增速 全球合成橡胶消费增速全球天然橡胶消费增速SBR32BR21SBCs17EPDM10IIR10IR4NBR CR4

2亚洲57.7欧洲25.8北美14.1南美2.0其他地区0.49/

18|农业专题报告（橡胶）图

10：中国合成橡胶产量单位：万吨图11：2021

年中国合成橡胶产量占比（按种类） 单位：数据来源：隆众资讯，中信期货研究所 数据来源：隆众资讯，中信期货研究所从从业者结构来看，我国合成橡胶市场以中石化、中石油、民营企业以及小部分外资企业组成。合成橡胶是石油产业链的下游产品，而国内油品主要由中石化和中石油统一定价，所以“两桶油”在国内合成橡胶的产能和产量占比合计超过

50，占据了主导地位。由于合成橡胶行业是资金和技术双密集型行业，在产能和产业结构优化的背景下，行业内形成了一定的资金和技术壁垒，导致大中型企业和军工企业的服务渠道大多被“两桶油”把控着。而民营企业只为部分地区中小企业提供服务。不过近年来随着民营大炼化新势力崛起和传统地炼分化的发展，我国民营企业的规模、实力和整体水平都将得到很大提升，在国内合成橡胶行业的市场份额正逐步增加。此外，近年来部分国外化工企业通过企业合并或招商引资的方式进入中国市场，逐步在国内拓展化工业务，生产合成橡胶，不过目前暂不具备较强的竞争优势。我国合成橡胶行业今年来飞速发展，国内产能出现井喷式增长。但与发达国家相比还存在诸多问题和挑战，行业存在大而不强、企业竞争力弱的现象。2008

年开始出现产能过剩的现象后，2012

年后过剩态势逐步扩大。受市场价格和生产成本的影响，加之进口产品的冲击，有效产能利用率逐步低于世界合成橡胶装置平均产能利用率。中高端牌号产品供应不足，很多特种高性能产品长期依赖进口，其中包括高端的溶聚丁苯橡胶、溴化丁基橡胶、超高腈丁腈橡胶等。新技术开发能力差距明显。面向未来，国际上合成橡胶领域不断加强技术创新和新技术开发，主要集中在产品创新、工艺创新和环境友好三个方面。而我国目前在这三个方面的进步空间仍然很大。35030025020015010050045040020052006200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021SBR27BR23SBCs30IIR6EPR7NBR

IR5

1CR110/

18|农业专题报告（橡胶）五、合成橡胶需求合成橡胶下游应用广泛，且正如我们前文所说，很大一部分服务于汽车产业，所以其需求受整体宏观经济影响较大，其消费增速与全球

GDP

增速的走势也有较为明显的正相关性。轮胎作为汽车的主要部件，汽车产量与合成橡胶消费量大体呈现同步增长的情况。目前我国轮胎主要分为半钢胎与全钢胎，我们在对天然橡胶进行研究的时候主要关注的是用于商用车上的全钢胎。而从轮胎需求对合成橡胶消费端的影响程度看，主要用于乘用车的半钢胎的影响更大，其所需要用到的合成橡胶量是全钢胎的

2-3

倍。虽然每家轮胎厂的配方有所不同，但假设每条半钢胎重约

9kg，一辆车（4

条轮胎）所需的合成胶总量大约在10kg。图

12：我国汽车销量与GDP

相关性单位：图

13：美国轻型车销量与

GDP

相关性单位：数据来源：Wind，中信期货研究所轮胎是一种复合产品，由多达十几种以上的不同混炼胶及各种增强材料（钢丝、尼龙、聚酯）组成，最主要的部位是胎体和胎面。胎面是轮胎与路面接触的唯一部位，可以保护轮胎不受割伤和刺扎，并提供耐磨性和牵引性。轮胎的应用（夏季或冬季）决定了胎面胶配方的差异。所以胎面胶的配方会经常根据需要调整，以适用于不同的场合和需要。而处于安全原因，胎体胶的配方大多保持不变。不过无论配方变或不变，需要用到的合成橡胶均是目前两大主流合成胶种丁苯和顺丁，其中通常来说用量最大的是溶聚丁苯橡胶（S-SBR）-10-505101520400350300250200150100500-50-100-1502003/01 2008/01 2013/01 2018/012023/01中国:销量:汽车:当月值:同比中国:GDP:不变价:当季同比-20-15-10-505101520-2024681012-42009/12 2012/12 2015/12 2018/12数据来源：Wind，中信期货研究所2021/12美国人均GDP同比美国轻型车销量同比（右）11/

18|农业专题报告（橡胶）图

14:

主要合成橡胶在轮胎中的应用数据来源：公开资料，对于未来要上市的品种顺丁橡胶来说，其除了轮胎的另一大应用领域是高抗冲聚苯乙烯（HIPS）以及

ABS

树脂改性。聚苯乙烯是一种透明、无定型的热塑性聚合物，聚合的过程中加入少量顺丁橡胶，可以提高其抗冲击强度和耐环境应力开裂性能。HIPS

的应用广泛，从一次性制品（咖啡杯或酸奶杯）到耐用冰箱内衬层、电视外壳、玩具和一般家居用品。截至

2020

年底，我国顺丁橡胶在轮胎上应用占比近

8

成，HIPS

占比约

10

。其他合成橡胶应用领域如下图所示：图15：合成橡胶主要应用场景轮胎外胎（SBR、BR）橡胶履带（SBR、BR）输送带（SBR、BR）高抗冲聚苯乙烯（BR）高尔夫球（BR）轮胎内胎（IIR）12/

18|农业专题报告（橡胶）医用胶塞（IIR）口香糖（IIR）汽车密封条（EPDM）门窗密封条（EPDM）空气弹簧（CR）液压胶管（CR）胶粘剂（CR）阻燃无腐蚀电缆（EVM）发泡鞋材（EVM）来源：六、合成橡胶贸易情况2021

年我国合成橡胶进口量为

438.5

万吨，不过值得注意的是该数据包含了混合胶的进口量。混合胶实质为天然橡胶与少量合成橡胶的混合物，但进口统计在合成橡胶项下。2015

年

7

月复合橡胶新标准实施以来，复合橡胶进口量显著下降，与此同时替代进口的是混合橡胶。2015

年时，混合胶进口量仅有

54万吨左右，2021

年进口量已经高达

291

万吨，占合成橡胶进口总量的

66。将合成橡胶进口量中的混合胶予以剔除后，可以看到

2010

年以来，我国合成橡胶（剔除混合胶）的进口量基本维持在平均

125

万吨的水平，整体波动不13/

18|农业专题报告（橡胶）大。分胶种来看，丁苯橡胶的进口量最大，占比

35。进口来源国主要为周边国家和地区。图

16：2021

年我国合成橡胶进口占比（按胶种）

单位：图

17：2021

年我国合成橡胶进口来源国单位：数据来源：Wind，中信期货研究所 数据来源：Wind，中信期货研究所出口方面，2021

年前，我国合成橡胶年度出口量基本未超过

25

万吨。2020年

3

月，财政部、税务总局联合发布公告，再次提高部分合成橡胶产品出口退税率，大部分合成橡胶产品可享受13

的出口退税率。2021我国合成橡胶出口量提升至近

29

吨，较

2020

大幅提升超

40。出口目的地主要是东南亚、韩国等地。不过目前来说合成橡胶出口总量仍然偏低，目前只占国内合成橡胶总产量的

7左右。图

18:

我国合成橡胶供需平衡表单位：万吨数据来源：隆众资讯，中信期货研究所SBR35NBR17IIR15BR13EPDM11其他

IR5

3CR1韩国27日本14俄罗斯10中国台湾5美国5其他3914/

18|农业专题报告（橡胶）七、合成橡胶能否替代天然橡胶自

20

世纪初汽车工业开始成规模地生产以来，天然橡胶就发挥着重要且不可替代的作用。随后短短的

50

年内，天然橡胶的年消耗量飞速增加，然而其发展却受到自然条件的制约。在此基础上，合成橡胶应运而生。尽管合成橡胶发明的初衷是完全替代天然橡胶，然而从实际运用上来说，二者之间的互补作用远大于其替代效应。图

19:

天然橡胶与主要合成橡胶性能对比数据来源：公开资料，中信期货研究所目前来说，单靠天然橡胶和合成橡胶都不能满足橡胶产品的所有性能要求。天然橡胶具有较高的机械强度、很好的耐挠曲疲劳性能、气密性等，所以单从轮胎方面来说，一条平均损耗更大、对载重量要求更高的全钢胎所需要的天然橡胶量显著大于合成橡胶量。而以目前的技术水平，所生产处的合成橡胶并不能完全复制天然橡胶的结构与分子量，以起到与天然橡胶完全一致的效果。不过与此同时，合成橡胶也具备一些天然橡胶所不具备的优异性能，比如在高温、低温、以及油性环境中的优异表现是天然橡胶无法比拟的。因此在轮胎生产方面通常是将两类胶混合使用以实现性能互补。此外，不同类型的轮胎中两类橡胶的配比也存在差异，这主要取决于各公司的工艺以及实际需求。根据我们的了解，在一条轮胎所需要用到的所有胶料中，合成橡胶可以完全替代天然橡胶的比例仅有不到

5

，且大部分时间决定替换与否的决定因素是成本。即当某种胶相对便宜时，部分生产厂家会考虑适度增加该种胶的用量以降低生产成本。而不同轮胎厂对于两类胶种之间价格的敏感度也不一样，根据我们之前走访调研过的企业来说，对于质量要求不高的小15/

18|农业专题报告（橡胶）型作坊类轮胎企业对价格的敏感度较高，甚至在短期出现

200-300

元/吨价差时也会选择切换配方。而对于部分大中型轮胎厂来说，即便技术成熟，切换配方后的产品性能与稳定性可以很好的保持在同一水平上，但仍只有价差在长期维持在

2000