高性能聚合物能源工業(yè)應(yīng)用情況分析

高性能聚合物能源工業(yè)應(yīng)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(xué)腐蝕、耐輻射等性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能源工業(yè)。石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)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(hù)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(lǐng)域的應(yīng)用包括氫氣儲罐、氫氣進(jìn)口出口接頭/盲板、冷卻水進(jìn)口出口接頭/盲板、正負(fù)極絕緣墊片、質(zhì)子交換膜等；核電領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用有電池板太陽追蹤器轉(zhuǎn)動部件；風(fēng)能應(yīng)用有大型軸承保持架和發(fā)電機剎車片；水電領(lǐng)域有大型止推軸承；地?zé)嵊袧撍秒姍C磁力線。能源工業(yè)領(lǐng)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(chǎn)材料替代。隨著國家碳中和與碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，我國未來能源市場將涌現(xiàn)大批新型應(yīng)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(fù)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(xiàn)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(jù)預(yù)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(dá)43%。假設(shè)10%的高端車采用PEEK碳纖維氫氣儲罐，PEEK復(fù)合材料的使用量也將高達(dá)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(xiàn)，相關(guān)的研發(fā)進(jìn)展已達(dá)到了材料史上空前的地步。針對某一特定的用途，化學(xué)家們新發(fā)現(xiàn)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(xué)家、材料學(xué)家和工程師們也設(shè)計出新的處理方法和新技術(shù)來提高性能，用以生產(chǎn)出像凱夫拉（kevlar）一樣的超級牢固的物質(zhì)。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(gòu)件，來自不能再生的遠(yuǎn)古的原油。感謝在生產(chǎn)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(zhuǎn)化為制造塑料和合成橡膠的主要構(gòu)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?nèi)匀皇且粋€問題。塑料復(fù)合材料發(fā)展概況塑料復(fù)合材料是由不同纖維構(gòu)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(xiàn)代節(jié)能型交通工具的輕質(zhì)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(fù)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(xiàn)的納米復(fù)合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在內(nèi)的物質(zhì)來加強塑料。這種新材料用途潛力無窮，從風(fēng)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(fù)的支架。如果成功地將納米復(fù)合材料在嚴(yán)密控制的工作條件下加工生產(chǎn)，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(jié)構(gòu)，你會發(fā)現(xiàn)它們驚人得復(fù)雜。相比之下，現(xiàn)有的復(fù)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(nèi)部分氟化工企業(yè)受到影響，原材料的生產(chǎn)無法滿足下游氟硅化工行業(yè)生產(chǎn)需求，從而導(dǎo)致市場供給不足，使得市場價格有了大幅度增長，供給側(cè)改革又影響了企業(yè)新產(chǎn)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(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢好轉(zhuǎn)，市場需求回暖，更加推動產(chǎn)品價格上漲。根據(jù)目前各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢和含氟聚合物加工技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計未來5年內(nèi)，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(dá)5．5%；氟橡膠增速居中，為4．5%。預(yù)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(lǐng)域突破發(fā)展，以高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材料、先進(jìn)復(fù)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(lǐng)域的大力推進(jìn)，有效地促進(jìn)了氟聚合物行業(yè)的發(fā)展?；ば虏牧鲜切履茉础⒏叨搜b備、綠色環(huán)保、生物技術(shù)等戰(zhàn)略新興材料的重要基礎(chǔ)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(shù)難度更大等特點，細(xì)分領(lǐng)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(chǎn)品，以及高性能膜材料、電子化學(xué)品、新能源和生物化工領(lǐng)域高性能專用和精細(xì)化學(xué)品等。新材料是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的基石和先導(dǎo)，2018年中美貿(mào)易摩擦發(fā)生以來，國家加大對信息技術(shù)、高端制造和新材料等領(lǐng)域的政策支持，十四五規(guī)劃和2035遠(yuǎn)景目標(biāo)提出，大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快壯大新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、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(chǎn)業(yè)；2021年12月，工信部發(fā)布《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2021年版）》，其中包含先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)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(lǐng)域包括高性能纖維及復(fù)合材料、先進(jìn)半導(dǎo)體材料和新型顯示材料等多個品種。據(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會，2019年全球化工新材料產(chǎn)值達(dá)3700億美元，其中北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)新材料產(chǎn)能較大且技術(shù)成熟，如碳纖維領(lǐng)域日本/美國/德國的企業(yè)占據(jù)全球主要份額；液晶背光源發(fā)光材料領(lǐng)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(jù)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?？松梨趪@聚烯烴和合成橡膠等高性能化不斷開發(fā)高端產(chǎn)品，2020年營業(yè)收入達(dá)1803億美元，其中化學(xué)品業(yè)務(wù)收入231億美元；德國巴斯夫在多種基礎(chǔ)原料及精細(xì)化學(xué)品方面均具備專有技術(shù)，2020年營業(yè)收入達(dá)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(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，2020年營業(yè)收入達(dá)509億美元；日本三菱化學(xué)在功能性材料方面擁有技術(shù)優(yōu)勢，碳纖維、聚碳酸酯等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，2020年營業(yè)收入達(dá)331億美元。目前全球化工新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展整體步入高技術(shù)引領(lǐng)、產(chǎn)品迭代速度快、產(chǎn)業(yè)規(guī)模和需求不斷擴大等特點，隨著世界經(jīng)濟(jì)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(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會預(yù)計，到2025年全球化工新材料市場規(guī)模將達(dá)到4800億美元，2019-2025年復(fù)合增速達(dá)4．4%，其中高端聚烯烴、特種工程塑料、電子化學(xué)品、碳纖維等領(lǐng)域需求增長有望延續(xù)。近年來，在國家政策引領(lǐng)及企業(yè)技術(shù)進(jìn)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(chǔ)。據(jù)中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會，國內(nèi)2019年化工新材料產(chǎn)值約6000億元，總消費規(guī)模約9000億元（進(jìn)口額達(dá)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(chǎn)化率較高且部分實現(xiàn)出口，T800級以上碳纖維、聚碳酸酯、生物基聚酰胺56等技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)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(xué)品等諸多領(lǐng)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(cè)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域依次為石油化學(xué)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(yīng)用情況按照氟聚合物類型將市場細(xì)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(jìn)行細(xì)分。在終端使用的基礎(chǔ)上，市場已進(jìn)一步細(xì)分為化工加工、汽車運輸、電氣電子、建筑、工業(yè)設(shè)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(yīng)用范圍廣。石油化學(xué)工業(yè)是氟樹脂最大的消費領(lǐng)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(lǐng)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(shù)量也越來越多，這主要是利用了其化學(xué)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(shù)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(chǎn)能133100噸，占氟聚合物產(chǎn)能的56．61%，與2015年相比（以下同）年均增長率3．17%。PTFE產(chǎn)量98075噸，占氟聚合物產(chǎn)量的60．45%，年均增長率5．13%。2017年我國PVDF產(chǎn)能55500噸，年均增長率20．85%，產(chǎn)量33974噸，年均增長率24．90%。2017年我國FEP產(chǎn)能23120噸，年均增長率15．20%，產(chǎn)量14716噸，年均增長率22．42%。2017年中國FKM產(chǎn)能23400噸，年均增長率7．76%，產(chǎn)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(diào)整，這也意味著他們能夠?qū)Νh(huán)境的改變做出響應(yīng)。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(xué)藥劑。在設(shè)計智能傳感器的材料、藥物運輸設(shè)備和眾多其他應(yīng)用程序上，這也被證明是非常有用的。如果刻意設(shè)計，可以極大地擴展聚合物對各種刺激的本能反應(yīng)。例如，機械響應(yīng)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(zhì)。這些是具有廣闊潛力的工業(yè)應(yīng)用，特別是將自愈技術(shù)加入以后。其他智能聚合物的應(yīng)用還有許多，包括可以窗戶臟后自動擦窗戶的鍍膜，以及當(dāng)傷口愈合時自動消失的醫(yī)療針。高性能聚合物進(jìn)程加速高性能聚合物作為化工新材料產(chǎn)業(yè)的尖端，其核心合成技術(shù)、配方技術(shù)、加工技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)和市場開發(fā)都被西方發(fā)達(dá)國家的企業(yè)所掌握。由于起步慢、國際技術(shù)壁壘、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(xiàn)狀是部分聚合物已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，解決了有和無的問題，但產(chǎn)品主要占據(jù)中低端應(yīng)用市場，大部分高端產(chǎn)品還未完全實現(xiàn)國產(chǎn)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(shù)的先導(dǎo)和基石，是國家科技水平前瞻性指標(biāo)。目前我國新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)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(nèi)市場迅速增長，需求驅(qū)動下的國內(nèi)產(chǎn)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(jìn)程加速。根