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特種工程塑料：塑料界的“特種兵”
塑料按使用溫度可分為三個等級：通用塑料（＜100攝氏度）、工程塑料（＜150攝氏度）和特種工程塑料（長期使用溫度在150攝氏度以上，部分產(chǎn)品可在200攝氏度乃至400攝氏度嚴(yán)苛環(huán)境應(yīng)用）。塑料性能越高,價值越高，但特種工程塑料市場規(guī)模比較小，只占熱塑性塑料市場的1.8%。
特種工程塑料普遍具有輕質(zhì)高強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、耐磨損、耐輻照、易加工的特點。目前，可商業(yè)化生產(chǎn)、大規(guī)模投放市場的特種工程塑料主要有六種：聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚芳醚砜（PSF）、液晶聚合物（LCP）、聚苯硫醚（PPS）、耐高溫尼龍（PPA）。
一代裝備一代材料，高性能武器裝備需要具備高速度、高機動性、高精確控制、高隱蔽性，這就要求材料輕質(zhì)、高強、高耐熱、高抗沖擊、多功能。因此，特種工程塑料在上世紀(jì)60~80年代陸續(xù)開發(fā)出來，當(dāng)時國際上只有一些歐美大公司掌握技術(shù)并具有生產(chǎn)能力。我國起步較晚，直到上世紀(jì)七八十年代才開始陸續(xù)解決一些特種工程塑料的基礎(chǔ)問題，現(xiàn)在才能夠量產(chǎn)、投放市場，因此技術(shù)上基本都有自主知識產(chǎn)權(quán)。
隨著技術(shù)突破、產(chǎn)能提升、成本下降，特種工程塑料在民用領(lǐng)域可用于航空航天、電子、電器、能源、汽車、醫(yī)療、機器人等。
目前，我國特種工程塑料發(fā)展現(xiàn)狀是：產(chǎn)能迅速增長，但達(dá)產(chǎn)率普遍偏低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，工程化技術(shù)水平亟待提高；低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，價格內(nèi)卷；高端產(chǎn)品進(jìn)口依存度居高不下。迫切地需要加快科研成果轉(zhuǎn)化、突破關(guān)鍵原料的供應(yīng)瓶頸、提升產(chǎn)品檔次、大力開發(fā)改性技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)。
材料特性：PPA連續(xù)使用溫度超過170攝氏度。高強度、高硬度，擁有非常良好的耐疲勞性、耐磨性和抗蠕變性，在廣泛的溫度范圍內(nèi)和高濕度環(huán)境中都能保持優(yōu)越的機械特性。具有極小的線線脹系數(shù)、很高的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。吸水率低于尼龍6，耐油和絕大多數(shù)化學(xué)藥品，但怕強酸和強氧化劑，可溶于苯酚和甲酚。在高紫外線輻射、高濕、高溫等極端條件下，可長期在室外使用。耐焊錫性好，適用于電子電器工業(yè)表面貼裝。PPA是尼龍6（PA6）、尼龍66（PA66）及尼龍46（PA46）的升級替代產(chǎn)品。
生產(chǎn)工藝：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的中游中間產(chǎn)品有PA46、PA4T、PA6T、PA9T、PA10T、PAMXD6等，但在原料和技術(shù)方面，基本都被歐美壟斷，我們國家生產(chǎn)更多的是PA6T。PPA產(chǎn)品能通過添加防老化劑、光穩(wěn)定劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑等加工助劑，以及玻璃纖維、碳纖維等增強填料，實現(xiàn)改性。
應(yīng)用領(lǐng)域：因性能優(yōu)異，PPA近年來應(yīng)用場景持續(xù)拓展，下游制品大范圍的應(yīng)用于汽車工業(yè)、電子電器、石油化學(xué)工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。PPA還是一種取代金屬的理想材料，目前已在平板電腦、手機、遙控器等產(chǎn)品中應(yīng)用。
材料特性：LCP耐熱性好，熱變形溫度可達(dá)320攝氏度。線線脹系數(shù)極小，具有很高的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。抵抗腐蝕能力好，LCP制品在濃度90%酸及濃度50%堿存在下不會被侵蝕。電絕緣性能突出，介電常數(shù)和介電損耗很低，所以在電子電器方面用途廣泛。
生產(chǎn)工藝：LCP由二酚（醇）單體和二酸單體聚合而成。LCP根據(jù)熱變形溫度，分為高耐熱型（Ⅰ型）、中耐熱型（Ⅱ型）、低耐熱型（Ⅲ型）。I型的耐熱性非常好，熔點非常高，這也代表著加工難度變大。II型的耐熱性、加工性介于Ⅰ類、Ⅲ類之間，分子結(jié)構(gòu)中萘環(huán)產(chǎn)生的“側(cè)步”效應(yīng)降低了分子鏈段的剛性，因此比Ⅰ型加工性能和回收性更好。Ⅲ型分子結(jié)構(gòu)中含有PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯），柔性酯基的加入逐步降低了材料的耐熱性能，溫度較高會發(fā)生明顯的分解、水解現(xiàn)象，耐溫、耐濕性差，但加工性好。目前市場上主要是Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅲ型量很少。
Ⅰ型LCP主合成單體為對羥基苯甲酸、對苯二甲酸、4,4′-聯(lián)苯二酚，Ⅱ型LCP主合成單體為6-羥基-2-萘甲酸、對羥基苯甲酸，過去由于4,4′-聯(lián)苯二酚等關(guān)鍵單體被“卡脖子”，因此國內(nèi)LCP產(chǎn)量較少，直至2022年，國內(nèi)企業(yè)（如四川圣效等）解決了這一問題。
應(yīng)用領(lǐng)域：LCP應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其中75%用于電子電器和5G通信設(shè)施，其他用于汽車工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域。
市場供需：2023年全球LCP需求量為4.61萬噸，預(yù)計到2025年將達(dá)8.17萬噸。LCP產(chǎn)能大多分布在在美國、日本等地的企業(yè)，我國核心單體實現(xiàn)自主可控后，即將實現(xiàn)產(chǎn)能突破，有望在2025年達(dá)到5萬噸/年，但要進(jìn)一步提升單體純度。
產(chǎn)業(yè)建議：LCP國內(nèi)年需求增速在15%~20%，但國產(chǎn)LCP的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性與國外產(chǎn)品存在差距，只能通過降低價格爭取市場份額，產(chǎn)品質(zhì)量亟待提高。
市場供需：PPA2020年全球需求量達(dá)15萬噸。2020年我國PPA需求量為3.2萬噸，市場規(guī)模約22億元美元。初步測算到2026年，我國PPA需求量將達(dá)到5.2萬噸，市場規(guī)模約31億元美元。
全球PPA產(chǎn)能集中于歐美發(fā)達(dá)國家，我國企業(yè)占比較低。我國PPA需求量大但自給率低，2020年自給率僅為24%，有望迎來國產(chǎn)替代加速。目前，國內(nèi)己二酸產(chǎn)業(yè)較為成熟，己二腈取得技術(shù)突破，預(yù)計2025年，我國PPA產(chǎn)能突破5萬噸/年。
產(chǎn)業(yè)建議：PPA主要用于電子和汽車領(lǐng)域，未來產(chǎn)品替代空間廣闊。隨著國內(nèi)PA6、PA66逐步供大于求，企業(yè)盈利空間收縮，迫切需要豐富產(chǎn)品種類、提高生產(chǎn)技術(shù)水平、提升產(chǎn)品品質(zhì)、增強市場競爭力，不能只在低端產(chǎn)品上競爭。
材料特性：PSF耐熱、穩(wěn)定性好，長期使用溫度高于180攝氏度。力學(xué)性能好，拉伸強度在70兆帕以上，斷裂伸長率最高可達(dá)70%以上。耐濕熱，在145攝氏度蒸汽下壽命至少為12年。阻燃性較好。耐化學(xué)性好，耐酸、耐堿、耐無機鹽，耐汽油、機油、潤滑油和氟利昂等，可用于石油化工管道和醫(yī)療用品的涂層等。安全性好，是美國FDA（食品藥品監(jiān)督管理局）和歐盟認(rèn)可的一類符合食品級和衛(wèi)生級的高分子材料。
生產(chǎn)工藝：PSF合成的工藝路線有親核路線和親電路線兩大類，目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)以親核路線為主，均來自吉林大學(xué)。PSF主要原材料為4,4′-二氯二苯砜，與雙酚A可合成普通雙酚A型聚砜（PSU），與雙酚S可合成聚砜（PES），與4,4′-聯(lián)苯二酚可合成聚芳砜（PPSU）。
應(yīng)用領(lǐng)域：傳統(tǒng)PSF最早用于軍工產(chǎn)品及航空航天領(lǐng)域。隨著近年來產(chǎn)能增長、制造升級，PSF開始用于醫(yī)療器械（如血液透析膜等）、食品包裝（如奶瓶等）、交通運輸（如汽車軸瓦、齒輪等）、機械制造（如各類機器的杠桿、柄、支架，X射線裝置的觀察玻璃等）、電子電器（如線圈骨架等）眾多領(lǐng)域。
市場供需：PSF主要生產(chǎn)商是國外企業(yè)，其中，德國巴斯夫、比利時索爾維、日本住友3家公司總產(chǎn)能為6萬噸/年。全球PSF消費量2016年為5.11萬噸，2019年達(dá)到8.76萬噸，增速為6%左右，預(yù)計2020~2024年增速在7%左右。
我國PSF近年來發(fā)展迅速，總產(chǎn)能約1.6萬噸/年，2022年產(chǎn)量接近4000噸，但需求量突破8000噸，需要大量進(jìn)口。
產(chǎn)業(yè)建議：PSF產(chǎn)業(yè)壟斷經(jīng)營趨勢明顯，索爾維和巴斯夫兩大生產(chǎn)商占據(jù)80%以上的市場份額。我國PSF市場蓄勢待發(fā)，用于高端的水處理及血液透析領(lǐng)域的市場增速明顯，因性價比適宜，應(yīng)用范圍及應(yīng)用環(huán)境拓展迅速。國內(nèi)目前有產(chǎn)能，但達(dá)產(chǎn)率偏低，工程化技術(shù)有待逐步提升，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)亟須調(diào)整，低端產(chǎn)品競爭激烈，高端產(chǎn)品較少。
材料特性：PPS連續(xù)使用溫度在200~240攝氏度。熱穩(wěn)定性好，在空氣中熱分解起始溫度高達(dá)450攝氏度，阻燃性也高于尼龍。耐化學(xué)性突出，在200攝氏度以下沒有溶劑可以溶解，可與PTFE（聚四氟乙烯，俗稱“塑料王”）相媲美。機械性能上表現(xiàn)為強度一般、剛性強、韌性差的特點，在各種環(huán)境下都可以保持耐疲勞性、抗蠕變性，且在高溫、高濕、變頻等條件下仍能保持良好的絕緣性，被認(rèn)為是“性價比之王”，因此發(fā)展速度快。
生產(chǎn)工藝：PPS的主要合成工藝是硫化鈉法，上游原材料主要是硫化鈉、氫氧化鈉、對二氯苯等，不存在“卡脖子”問題。
應(yīng)用領(lǐng)域：PPS的發(fā)展成熟，性能優(yōu)異，市場價格在5萬元/噸以上，相比其他特種工程塑料，價格較低，性價比高，常作為結(jié)構(gòu)性高分子材料使用。PPS應(yīng)用領(lǐng)域最廣，幾乎無所不用。40%的PPS用于汽車工業(yè)，而且在電動汽車中的用量是燃油車的兩倍以上。PPS在環(huán)保行業(yè)的用量占比達(dá)25%，PPS纖維已成為燃煤電廠煙道氣除塵和城市垃圾焚燒廠尾氣過濾及除塵升級的首選濾材，具有較高附加值。在石油化工領(lǐng)域，PPS可用于石油深井部件，各種泵、閥門，以及化工填料、防腐材料等。在新能源領(lǐng)域，PPS可用于堿性制氫電解槽隔膜、燃料電池端板等。
市場供需：我國PPS材料需求由2015年的2萬噸增至2021年的7萬噸，市場規(guī)模由9.62億元漲至31.2億元，年均復(fù)合增速約22%。隨著我國汽車和電工電子等高端領(lǐng)域快速發(fā)展，我國PPS的需求增長將遠(yuǎn)高于世界平均水平。
PPS全球產(chǎn)能在2021年首次超過20萬噸/年（22.93萬噸/年），從產(chǎn)能分布看，主要集中于日本和我國。我國2021年產(chǎn)能達(dá)到9.6萬噸/年，但主要生產(chǎn)低端產(chǎn)品，因此達(dá)產(chǎn)率不高，70%以上產(chǎn)品依賴進(jìn)口。此外，我國自2020年12月1日起開始對原產(chǎn)日本、美國、韓國和馬來西亞的進(jìn)口PPS征收反傾銷稅，實施期限至2024年11月，這一政策為我國PPS廠商創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇，有利于促進(jìn)國產(chǎn)PPS產(chǎn)銷量及價格提升，加快PPS的國產(chǎn)化替代進(jìn)程。
產(chǎn)業(yè)建議：PPS未來市場前景良好，但我國PPS低端產(chǎn)品多、高端產(chǎn)品少，產(chǎn)品急需升級，且國內(nèi)工藝裝備自動化水平相對國外企業(yè)較低、產(chǎn)品的批次穩(wěn)定性差，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，工程化技術(shù)水平亟待提高。
材料特性：PAEK是目前特種工程塑料里綜合性能最好的一類材料。它的熔點高于310攝氏度，長期使用溫度高于210攝氏度。力學(xué)性能顯著，拉伸強度90兆帕以上，斷裂伸長率最高可達(dá)70%以上。耐濕熱。阻燃性較好。耐化學(xué)性好，除濃硫酸外，無溶劑可溶解。耐輻照能力強，在高劑量電離輻射下可長時間穩(wěn)定工作。
生產(chǎn)工藝：PAEK合成有親核路線和親電路線，國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)主要為親核路線，來自吉林大學(xué)。PAEK種類繁多，目前PEEK（聚醚醚酮）應(yīng)用需求最高、商品化最成熟。PEEK的原材料主要是氟酮、對苯二酚、二苯砜、碳酸鈉，通過親核工藝制得PEEK后，加入碳纖維、玻璃纖維、石墨、聚四氟乙烯、芳綸等增強材料，制得復(fù)合改性樹脂，分為板材、棒材、片材、膜材、絲材等。
應(yīng)用領(lǐng)域：PEEK廣泛用于武器裝備、核工業(yè)、航空航天、汽車、機械、石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。由于具有非常好的生物相容性，PEEK現(xiàn)在是骨科、牙科等最愿意使用的主材。
市場供需：2021年全球PEEK市場規(guī)模達(dá)44.9億元，我國PEEK市場規(guī)模達(dá)13.33億元，預(yù)計到2027年全球PEEK市場規(guī)模將達(dá)70.6億元，2021~2027年市場年復(fù)合增長率預(yù)估為7.54%。
在輕量化趨勢下，PEEK有望以塑代鋼成為汽車工業(yè)、航空航天、電子電器、醫(yī)療器械、3D打印、機器人、低空飛行器等多個終端領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件中的核心材料，其需求有望迎來大幅增長。近幾年我國PEEK消費量逐年增加，我國已成為繼歐洲和美國后最大的PEEK消費市場。2021年國內(nèi)PEEK消費量約1980噸，2022年接近2200噸，在汽車、電子電器等需求帶動下，預(yù)計2023~2027年將保持15%~20%的增速，至2027年消費量近5000噸。
國內(nèi)PEEK產(chǎn)能增長迅速，今年總產(chǎn)能可達(dá)9250噸/年，已經(jīng)接近國外超萬噸/年的總產(chǎn)能，但產(chǎn)品牌號不全、高端產(chǎn)品量產(chǎn)能力不強，因此，到目前為止實際銷量1000多噸，仍存在進(jìn)口依賴的問題，國內(nèi)PEEK市場存在一定的產(chǎn)銷失衡狀況。
產(chǎn)業(yè)建議：隨著下游技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，PEEK應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展，我國、印度等新興市場興起，市場規(guī)模將迅速擴大。但全球PEEK市場仍然一家獨大，英國威格斯占據(jù)約70%的市場占有率，且壟斷經(jīng)營高端品牌。我國PEEK產(chǎn)品質(zhì)量與國外相比尚有差距，產(chǎn)品牌號單一，基本用于低端市場，亟須開發(fā)高端品牌。
材料特性：PI各方面性能都優(yōu)異，能解決前述材料解決不了的問題，但價格也很高。PI長期使用溫度范圍在零下269~260攝氏度，且在零下269攝氏度的液氮中不會脆裂，部分PI沒有熔點，分解溫度可達(dá)600攝氏度。機械性能方面，均苯型PI薄膜為250兆帕、聯(lián)苯型PI薄膜可達(dá)530兆帕。熱膨脹系數(shù)低，聯(lián)苯型PI與金屬在同一水平。介電性良好。具有最高的阻燃等級。經(jīng)高強度輻照后，PI薄膜也能保持90%的性能。無毒，可經(jīng)受數(shù)千次消毒操作，部分PI具有良好的生物相容性。
生產(chǎn)工藝：二酐單體、二胺單體通過兩步法工藝生產(chǎn)出聯(lián)苯型PI和均苯型PI。
應(yīng)用領(lǐng)域：PI薄膜廣泛應(yīng)用于消費電子、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、電工絕緣、航空航天等領(lǐng)域，是最早實現(xiàn)商業(yè)化、最成熟、市場容量最大的產(chǎn)品。PI纖維是航空航天等重要領(lǐng)域的核心配件材料，在環(huán)保高溫濾材、防火材料等領(lǐng)域也有廣闊的市場空間。PI泡沫用于航空航天、船舶制造等領(lǐng)域。PI復(fù)材是目前使用溫度最高的樹脂基復(fù)合材料，大多數(shù)都用在航空航天發(fā)動機、飛行器輕量化等領(lǐng)域。光敏PI主要用于光刻膠和電子封裝。相比傳統(tǒng)光刻膠，光敏PI光刻膠無須涂覆光阻隔劑，可大幅縮減加工工序。
市場供需：PI薄膜有“黃金薄膜”的美稱，與碳纖維、芳綸纖維一并被認(rèn)為是制約我國發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的三大瓶頸性關(guān)鍵高分子材料，是PI材料用量最大的品類。不同類別PI薄膜價格相差較大，低端電工PI薄膜為20萬元/噸、低端電子PI薄膜為25萬元/噸、電子級PI薄膜與熱控PI薄膜為35萬~60萬元/噸、高端電子級PI或柔性顯示用CPI薄膜超100萬元/噸。
2021年，全球PI薄膜消費量1.63萬噸，市場規(guī)模22.5億美元，預(yù)計到2030年P(guān)I薄膜消費量將達(dá)2.9萬噸，年均復(fù)合增長率達(dá)6.5%。2022年國內(nèi)PI薄膜市場總規(guī)模達(dá)72.4億元，其中，電子級PI薄膜26.3億元、特種級PI薄膜26.9億元、導(dǎo)熱級PI薄膜9.5億元、電工級PI薄膜9.7億元。
產(chǎn)業(yè)建議：生產(chǎn)高性能PI膜對設(shè)備定制、制作工藝、技術(shù)人才等方面要求苛刻，門檻較高。目前這一領(lǐng)域呈現(xiàn)寡頭壟斷的競爭格局，90%以上的市場占有率掌握在美國、日本、韓國生產(chǎn)商手中。國內(nèi)已實現(xiàn)電工級PI薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)，但電子級PI薄膜進(jìn)口依存度達(dá)到80%，高端PI薄膜的發(fā)展水平整體較低。高性能PI薄膜國產(chǎn)化需求迫切，國內(nèi)企業(yè)PI材料應(yīng)用領(lǐng)域及產(chǎn)能規(guī)模仍有很大的擴展空間。
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