工程塑料性能优良,目前国内改性塑料市场容量约占塑料树脂消费总量的10%

五大工程塑料是什么?工程塑料一般是指可以作为结构材料承受机械应力,能在较宽的温度范围和较为苛刻的化学及物理环境中使用的塑料材料。工程塑料可分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。通用工程塑料通常是指已大规模工业化生产的、应用范围较广的5种塑料,即聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酯及聚苯醚。而特种工程塑料则是指性能更加优异独特,但目前大部分尚未大规模工业化生产或生产规模较小、用途相对较窄的一些塑料,如聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚砜、聚醚酮、液晶聚合物等。

根据塑料的用途不同分为通用塑料和工程塑料。通用塑料是指产量大,价格低,应用范围广的塑料,主要包括聚烯烃,聚氯乙烯,聚苯乙烯,酚醛塑料和氨基塑料五大品种,人们日常生活中使用的许多制品都是由这些通用塑料制成。
而工程塑料是可作为工程结构材料和代替金属制造机器零部件等的塑料,例如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、热塑性聚酯〔包括聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯2类〕、聚砜以及聚酰亚胺等。工程塑料具有优良的强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化,机械性能良好,电绝缘性优越,加工成型容易等特点,广泛应用于汽车、电器、化工、机械、仪器、仪表等工业,也应用于宇宙航行、火箭、导弹等方面。
一、工程塑料生产现状
目前,世界主要工程塑料生产商有拜尔公司、巴斯夫公司、杜邦公司、GE塑料公司、通用电气公司、东丽公司、旭化成公司、帝斯曼公司和泰科纳公司等。工程塑料产业格局为行业巨头占据市场份额的一半以上。
中国工程塑料工业虽然发展势头迅猛,生产能力也在不断提高,品种不断增加,用量也在不断增加,但一些种类尤其是中高档产品仍然满足不了市场需求,需要进口原料,且废旧塑料的回收利用不足,因此迫切需要研制出性能优良的改性工程塑料。
1.聚酰胺
聚酰胺俗称尼龙,PA具有良好的机械性能、耐热性、耐磨损性、耐化学性、阻燃性和自润滑性,容易加工、摩擦系数低,特别适宜于玻璃纤维和其他材料填充增强改性等。由于其具有优异的性能,因此在世界各国,PA的生产能力与产量都占工程塑料的第一位。广泛应用于汽车、电子电器、包装、机械、日用消费品等众多领域。
目前,国内外工业化生产的聚酰胺仍以尼龙66和尼龙6为主,PA66和PA6约占聚酰胺总产量的98%,PA生产与消费主要集中在西方发达国家与地区,主要生产厂家有,杜邦公司,生产能力50万t/a;巴斯夫公司25.5万t/a;罗地亚公司,21万t/a;GE/霍尼维尔公司,20万t/a;AlliedSignal公司,15万t/a;陶氏化学公司,13万t/a;UBE公司,8万t/a;DSM公司,7.5万t/a;拜耳公司,6.5万t/a等,另外日本东丽公司、旭化成公司都是PA生产的大宗等。
目前PA工业生产呈现出以下几大特点,一是工程塑料与许多石油化工产品,全球范围不断进行兼并、重组,向集中化、规模化、专业化、高技术含量化方向发展;二是尽管近年来全球市场对PA的需求增加速度放缓,但是许多主要生产商仍在追加投资,以占领更多的市场,尤其是快速发展的亚洲市场;三是PA的生产主要集中在杜邦、巴斯夫、GE塑料、罗地亚、陶氏化学等几家大公司,这几大公司生产能力占据全球总生产能力的近70%,这些公司将主宰和左右世界PA工业的命运与发展前途。
我国生产的聚酰胺中,PA6约占60%,PA66约占40%。中国聚酰胺工程塑料生产商除了朗盛、巴斯夫、帝斯曼等外资在华企业外,还有中平能化集团,其产能为12.5万t/a,位居亚洲前列。目前,国内尼龙树脂整体聚合能力为140万t/a,但真正用于工程塑料的专用尼龙树脂每年不超过15万t,缺口明显,预计到“十二五”末期自给量率能够提高到70%。
2.聚碳酸酯
聚碳酸酯是近年来增长最快的通用工程塑料。聚碳酸酯树脂是一种性能优良的热塑性工程塑料,具有突出的抗冲击能力,耐蠕变和尺寸稳定性好,耐热、吸水率低、无毒、介电性能优良,是五大工程塑料中唯一具有良好透明性的产品,也是近年来增长速度最快的通用工程塑料。目前广泛应用于汽车、电子电气、航空航天、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域。
目前世界聚碳酸酯工业发展呈现两大特点,一是生产更趋集中和垄断,德国拜耳公司、美国GE化学公司、道化学公司及日本帝人公司的生产能力占世界总生产能力的80%左右,这几大公司控制着世界聚碳酸酯的生产与市场,主宰着世界聚碳酸酯的命运。二是亚洲发展迅速,近年来随着亚洲经济逐步恢复,中国、印度经济的持续稳定发展,对工程塑料的需求越来越强劲,世界着名聚碳酸酯生产商纷纷来亚洲投资建厂。2012年我国聚碳酸酯消费量在120万t左右,年均消费增幅超过30%,预计未来几年消费增长会在15%左右。但从行业整体发展来看,中国聚碳酸酯生产发展缓慢,2005-2012年净进口量占需求的比例在75%以上,而且国内生产商也主要是外资在华企业,其中日本帝人和德国拜耳2家企业的总产能占比达到95%。我国PC最大消费用户是电子电气工业,如电器仪表屏、计算机和办公设备的配件等。随着我国城市建设的发展,促使聚碳酸酯中空阳光板、隔音屏障、天棚的需求迅速增长。此外,光盘已成为国内聚碳酸酯需求增长最快的领域,年均增长率超过40%。
3.聚苯醚
聚苯醚是世界五大通用工程塑料之一。它具有优异的物理与力学、耐热、绝缘等性能,但由于PPO流动性较差,通常与其它塑料共混改性形成工程塑料合金使用,是目前工程塑料领域最典型与用量最大的工程塑料合金。MPPO具有优良的综合性能和成型加工性能,因而在电子电气及家用电器、办公自动化机械、汽车等输送机械、建材、航空及军事等领域具有广泛的用途,成为开发国家的核心材料之一。与其它四种通用工程塑料相比,中国PPO及MPPO与世界开发国家的技术水平与产业化差距最大。
PPO工程塑料的市场一般以单体、PPO树脂与MPPO三种型态出现,通常由MPPO最常出现。在五大通用工程塑料中,MPPO工程塑料规模与产量比PBT略低,居第5位。近年来,随着经济的复苏及MPPO新市场机会的出现,特别是电子信息用壳体材料及高性能印制电路板用交联PP合金的强劲市场需求,导致世界三大PPO生产公司(GE、日本三菱瓦斯化学、旭化成)纷纷扩大其生产规模,从规模、产量与市场来看,GE公司一直占主导地位,约占全世界的80%。
PPO及MPPO工程塑料在国外虽已进入成熟而稳定的发展阶段,但今后几年内,全球MPPO的需求量将仍然会以7%~10%的年平均增加速度发展。未来十年,中国MPPO将进入市场需求高速增加阶段,企业将会获得重大发展机遇。首先,中国稳定的政治与良好的投资环境将进一步吸引开发国家与地区电子电气等零件制造向中国大陆继续大量转移与采购,国内家用与商用电器规模的扩大,以及电子信息终端产品的快速增长,必将带动MPPO新材料的大量消费。其次,随着中国汽车工业的发展,必将全面启动MPPO新材料的应用市场;此外在其它机械、纺织、建材、国防军事等领域也将有较大的增长空间。预计MPPO将以20%以上的速度继续增长,到2015年将达到12万吨,从而达到开发国家目前的消费水平。
4.热塑性聚酯
聚对苯二甲酸二丁酯(Polybutyleneterephathalate简称PBT),系以对苯二甲酸二甲酯与1,4-丁二醇(1,4-Butanediol)聚合而成的一种结晶性热可塑性工程塑料。由于PBT树脂的—CH2—链增长,使得分子链易于挠曲,所以玻璃转移温度比PET低,而结晶速度增快。
由于PBT具有耐热性、耐候性、耐药品性、电气特性佳、吸水性小、光泽良好,广泛应用于电子电器、汽车零件、机械、家用品等,而PBT产品又与PPE、PC、POM、PA等共称为五大泛用工程塑料。
PBT作为一种综合性能优良的新型工程塑料,目前全球共有40多家生产企业,由于其具有综合性能优良,原料来源丰富,设备投资少,生产工艺成熟,能耗低等有点,近20年来总的生产增长率一直保持较高的水平,中国已经成为全球需求量最大的国家。这主要是受中国电子电气行业和汽车行业的蓬勃发展。
全球主要的PBT生产企业主要集中在美国、西欧、日本和韩国,代表性企业有:沙伯基础塑料、杜邦化学、Ticona、台湾长春塑料、德国巴斯夫、德固赛、荷兰帝斯曼和日本东丽等。另外改性PBT生产供应商还包括日本的宝理、三菱、东丽和德国拜耳等。2012年中国PBT表观消费量为35万吨。需求量在逐年上升。我国于20世纪80年代初开始生产PBT树脂,这是所开发的5大工程塑料中最成功的一个,但国产PBT只满足中低档产品需求,在实际应用中,进口树脂和进口粒料占了很大比例。我国PBT消费量约以每年10%的速度增长,预计到2015年消费总量将达到54万t,平均年增长率将达到12.1%。国内生产PBT的企业主要有,仪化集团公司工程塑料厂投产于1997年9月,是国内第一家采用吉玛技术连续生产PBT的厂家,产能为2万吨高、中、低粘度的PBT树脂及1200吨四氢呋喃。南通星辰合成材料有限公司为星新材料控股69%的子公司,其产能结构为1.5万吨/年PTA直接酯化法和0.6万吨DMT酯交换法。江阴和时利工程塑胶科技发展有限公司PBT装置投产于2007年9月,公司是江阴化工机械有限公司和新西兰人共同投资兴建的一家中外合资公司,主要从事工程塑料的研究,开发,制造和加工。一期工程设计产能为2万吨/年。长春化工有限公司为台湾知名的PBT生产企业长春化工全资子公司,生产基地位于江苏常熟经济开发区沿江工业园内,产能为年产6万吨的PBT树脂,投产于2007年8月。公司在国内有独立的配混改性塑料工厂。另外在台湾也有几家知名企业,如台湾新光合纤、长春人造树脂、南亚塑料,新疆伅河等公司。
随着汽车电器产业的快速发展,PBT的应用会有一个较大幅度的增长,预计今后几年的消费增长率为18%。
市场主流使用PBT改性技术是合金技术,如PBT/ABS合金,可用于汽车内饰件、家用电器外壳等;PBT/PET合金,用于汽车方向盘连接件,电器接插件等,PBT/聚丁二烯合金,用于汽车保险杠等,PBT/SMA合金,用于汽车底部,盖,内部装饰件等。另外还有PBT/PPO弹性体、PBT/EPDM合金等。
目前汽车内饰件已基本实现塑料化,“以塑代钢”的汽车发展正在带动着改性PBT塑料在汽车应用中向着更广阔的领域不断开拓创新。在汽车制造领域,PBT与增强PA、PC、POM在汽车制造业中的竞争十分激烈,PA易吸水,PC的耐热性耐药性不及PBT;在汽车用途接管方面,由于PBT的抗吸水性优于PA,将会逐渐取代PA。在相对湿度较高、十分潮湿的情况下,由于潮湿易引起塑性降低,电器节点处容易引起腐蚀,常可使用改性PBT。在80℃、90%相对湿度下,PBT仍能正常使用,并且效果很好。
PBT/PC合金,在高级轿车中应用最为广泛;它的耐热性好,耐应力开裂,具有优良的耐磨,耐化学腐蚀性,低温冲击强度高,易加工和涂饰性好,主要应用于高档轿车保险杠,车底板,面板和摩托车护板等。
另外,PBT还用于生产保险杠、化油器组件、挡泥板、扰流板、火花塞端子板、供油系统零件、仪表盘、汽车点火器、加速器及离合器踏板等部件。以及刹车系统组件,轴承等。改性PBT用于制作电子电器,如灯头,插头,开关及空调,冰箱,电脑,烫斗等电子电器配件领域。该领域为当前PBT改性塑料主流应用领域,但市场需求已经很成熟。增长空间相对较小。
5.聚甲醛
聚甲醛又名聚氧化次甲基,英文名polyoxymethylene。分子结构规整和结晶性使其物理机械性能十分优异,有金属塑料之称。POM为乳白色不透明结晶性线性热塑性树脂,具有良好的综合性能和着色性,具有较高的弹性模量,很高的刚性和硬度,比强度和比刚性接近于金属;拉伸强度,弯曲强度,耐蠕变性和耐疲劳性优异,耐反复冲击,去载回复性优;摩擦系数小,耐磨耗,尺寸稳定性好,表面光泽好,有较高的粘弹性,电绝缘性优,且不受温度影响;耐绝缘性好且不受湿度影响;耐化学药品性优:除了强酸、酚类和有机卤化物外,对其他化学品稳定,耐油;机械性能受温度影响小,具有较高的热变形温度。缺点是阻燃性较差,遇火徐徐燃烧,氧指数小,即使添加阻燃剂也得不到满意的要求,另外耐候性不理想,室外应用要添加稳定剂。POM强度高,质轻,常用来代替铜、锌、锡、铅等有色金属,广泛用于工业机械、汽车、电子电器、日用品、管道及配件、精密仪器和建材等部门。
近年来,中国聚甲醛消费量一直保持着2位数的增长率。2012年中国聚甲醛需求约43万t,同比增长15.8%。但国内聚甲醛产能仍然不能满足全部需求,仍需大量进口。目前国内的聚甲醛产能中,内资企业占到了72%,主要集中在云天化集团、蓝星集团、河南煤化集团、中海石油天野化工股份有限公司、宝泰菱工程塑料有限公司、开封龙宇化工有限公司及杜邦-旭化成聚甲醛有限公司等公司。
6.ABS树脂
ABS树脂是一种共混物,是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,英文名Acrylonitrile-butadiene-styrene,这三者的一般比例为20:30:50。只要改变其三者的比例、聚合方法、颗粒的尺寸,便可以生产出一系列具有不同冲击强度、流动特性的品种,如增加丁二烯的组份,则其冲击强度会得到提高,但是硬度和流动性就会降低,强度和耐热性亦变差。
ABS是一种综合性能十分良好的树脂,无毒,微黄色,在比较宽广的温度范围内具有较高的冲击强度,热变形温度比PA、PVC高,尺寸稳定性好,收缩率在0.4%-0.8%范围内,若经玻纤增强后可以减少到0.2%-0.4%,而且绝少出现塑化后收缩。ABS具有良好的成型加工性,制品表面光洁度高,且具有良好的涂装性和染色性,可电镀成多种色泽。
ABS尚具有良好的配混性,可与多种树脂配混成合金,如PC/ABS、ABS/PC、ABS/PVC、PA/ABS、PBT/ABS等,使之具有新的性能和新的应用领域,ABS若与PMMA掺混可制成透明ABS,透光率可达80%。
ABS虽未列入五大通用工程塑料(因其HDT=80℃左右,未大于100℃),但是它的使用量远远超过五大类通用工程塑料中任何一种。ABS综合性能优于一般通用塑料,所以一般把ABS称作亚工程塑料。2012年全球ABS需求量达到了1000万吨,中国市场需求量最大,在320万吨,欧、美各占200万吨,日本35万吨,其他地区245万吨。由于ABS具有综合的良好性能以及良好的成型加工性,所以在广泛的应用领域中都有它的足迹,如汽车工业/家电产品等。
7.其他特种工程塑料
特种工程塑料也叫高性能工程塑料是指综合性能更高,长期使用温度在150℃以上的工程塑料,主要用于高科技、军事和宇航、航空等工业。
特种工程塑料主要包括聚苯硫醚,聚砜,聚芳酯,液晶聚合物,聚醚醚酮,含氟聚合物等,特种工程塑料种类多,性能优异价格昂贵。
目前特种工程塑料全世界用量在40万吨/年左右,如聚苯硫醚10万吨,聚砜6万吨,聚醚醚酮1万吨,聚酰亚胺8万吨,液晶树脂6万吨,其他9万吨。
二、工程塑料改性的现状
工程塑料上游原材料聚合物单体的合成原料来源于石化行业,包括石油、焦炭、天然气等,因此工程塑料行业对能源及石化原材料依赖度很高,这也就意味着油价上涨和原材料价格上涨等因素会对其下游的工程塑料行业产生很大的影响。
当前,我国石化行业同样面临产能总和位居世界前列但企业平均规模却远低于世界先进水平的问题。短期来看,石化产业的激烈竞争有利于下游工程塑料降低成本。但长远来看,石化产业将来必然面临产业结构重组,产业集中将使得石化产业整体竞争力和要价能力同步增长,进而对下游产业形成成本压力。因此,在短期内实施一体化战略可能会成为一些工程塑料生产企业的选择,即加快上游产业的拓展、满足下游产业对工程塑料行业领域的技术要求、加快产业结构调整、提高竞争力相结合。
在产业链下游,工程塑料应用领域广泛,如汽车制造、机械设备生产、电子电器行业、化工设备生产、普通消费品等。工程塑料在汽车零部件领域的应用增长明显,随着新能源汽车产业成为我国重点产业之一,节能与环保成为汽车工业的2大课题,汽车塑料化的进程得以加速,将促使汽车在轻量化、安全性和制造成本等方面获得更多突破。工程塑料尽管性能优异,但由于成本和性能的限制,仍可能被特殊钢、新型合金甚至碳纤维复合材料等取代。就目前来看,在一些要求轻量化、工作温度特殊、要求自润滑性高的领域,工程塑料很难被取代。限于成本,碳纤维复合材料要达到大规模应用的程度还需要时间。因此,工程塑料目前仍然是取代特殊钢和传统合金等结构材料的最佳选择。
工程塑料行业属高附加值行业,行业吸引力高,并且目前工程塑料行业集中度较低,一些产业已经比较成熟,技术上的限制也不是很多,因此比较利于行业进入。中国行业研究院预计在短期内就将有一批企业进入该产业,其中,国内有实力的大型石化企业可能成为进入该产业的重要力量甚至主导力量;国际化工巨头也将在我国大规模布局,依托自身强大的研发实力和先进工艺取得竞争优势。上述2股力量对现有工程塑料企业的冲击将是巨大。同时,预计国家也将对工程塑料行业进行规范和整合,通过兼并整合,未来的工程塑料市场可能演变为大型国有石化企业和国外巨头分庭抗礼的局面,一些有实力的民营企业通过把握自身优势和市场准确定位也能占有稳定的市场份额。三、工程塑料改性的发展趋势
近10年来,中国改性塑料行业随着国民经济的稳定健康发展而实现了跨越式发展,连续十年经济技术指标稳步大幅递增,全行业不断发展壮大,已成为中国国民经济持续繁荣的重要产业之一。中国改性塑料行业技术创新能力得到进一步增强,企业技术研发中心数量不断增多,已构建成若干个区域性高新技术产业群。产业结构、企业结构和产品结构不断调整,产业集约度逐步升级,改性塑料行业的整体优势得到进一步提升和加强,与国际上发达国家的差距正在逐渐缩小,某些方面已达到世界先进水平。
在加工设备、改性技术不断发展成熟的今天,我国改性塑料工业体系也得到了逐步的完善。我国改性塑料产业发展呈现六大显著特点。
一是通用塑料工程化。尽管工程塑料新品种不断增加,应用领域也在不断拓展,并且由于生产装置的扩大,使得成本逐渐降低,但目前工程塑料的市场价格仍然远远高于通用塑料的价格,在产量上也远低于通用塑料。随着改性设备的发展、改性技术的进步,通用塑料通过改性提升了强度,耐热性等性能指标,具备了某些工程塑料的特性,但价格却具有显著的优势,因此能够抢占部分传统工程塑料的应用市场。
二是工程塑料高性能化。随着国内汽车、电气、电子、通讯和机械工业的蓬勃发展,对现有的工程塑料提出了更高的性能要求,如要求耐高温、耐黄变,用做芯片托盘的塑料要求耐挠曲、抗静电,用做电子接插件的塑料要求高阻燃、高耐热、高流动,用做机械齿轮的塑料要求耐磨、高刚性、高尺寸稳定性等。
三是特种工程塑料低成本化。在150℃以上条件下能长期使用的塑料称为特种工程塑料。像聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜等特种工程塑料,由于具有电性能好、耐高温和尺寸稳定等特性,有的还具有很好的阻燃性、耐放射性、耐化学性和机械性能,因此在电子电器、汽车、仪表、家电、航空、涂料行业、石油化工以及火箭、宇航等尖端科技领域具有越来越重要的应用。但特种工程塑料的市场价格往往是普通工程塑料价格的好几倍,在军工产品上尚能接受,用于民用产品,则需要既保持其高性能,又要有相对较低的价格。
四是纳米复合材料技术给改性塑料带来新机遇。纳米技术是20世纪90年代发展起来的新技术,利用纳米技术改性后的塑料具有很多独特性能。
五是改性塑料的环保意识越加凸显。随着全球环保意识的日益加强,人们对塑料制品的阻燃要求越来越高,无卤、低烟、低毒的环保型阻燃剂已成为人们追求的目标。六是开发新型高效助剂成为改性塑料的重要发展方向。改性塑料涉及的助剂除了塑料加工常用的助剂如热稳定剂、抗氧剂、紫外吸收剂、成核剂、抗静电剂、分散剂和阻燃剂等外,增韧剂、阻燃增效剂、合金相容剂等对改性塑料也是非常关键的。通常一些助剂的种类和质量对改性塑料的某些性能和成本起着决定性作用。高效助剂是通用塑料工程化、通用工程塑料高性能化和特种工程塑料低成本化的重要手段。
四、中国改性塑料行业的市场状况
目前国内改性塑料市场容量约占塑料树脂消费总量的10%,预计在未来的5~10年内,市场总需求量仍将保持10%以上的年增长率,2013年达到1000万吨,三大通用改性塑料PP、PS、ABS和五大通用改性工程塑料的总产值将超过800亿元。“以塑代钢”、“以塑代木”正在成为人类社会生产和消费的一种趋势。而我国的塑钢比(塑料消费量:钢铁消费量,体积比)只有30:70,还远远低于发达国家和世界平均水平(美国70:30,德国63:37,世界平均50:50)。
我国改性塑料行业的分布具有明显的地域性,其主要生产地区基本上都集中在我国东南沿海地区。广东、浙江、江苏、山东产量位居全国前列,四省改性塑料产量约占全国改性塑料产量总量的80%,广东省改性塑料产量约占全国改性塑料产量总量的40%以上,在市场环境、科技力量、物流条件、政府支持等方面较其它省份有更大的优势。
改性塑料应用领域非常广泛,其中用量最大的是在家用电器行业,约占37%;其次是汽车行业约占15%;电子电气行业约占8%,办公设备行业约占7%,电动工具约占3%,其它行业总共约占30%。从细分市场的利润率来讲,电线电缆行业的特种电线电缆专用料和低烟无卤阻燃材料的利润率最高,毛利率可达100~300%;节能灯具专用料、出口家用电器专用料和电子电气专用料的利润率居中,毛利率大概在10~30%;玩具专用料、电动工具专用料、汽车专用料和办公设备专用料毛利率相对偏低,大约在10%左右。
五、结语
我国工程塑料领域面临的主要问题是产能过度集中于低端产品,而高端产品的产能受制于技术等因素而导致对进口的依赖严重,未来整个行业将不可避免地向行业整合的方向发展。在中国随着塑料工业的发展,对工程塑料的要求也会越来越高,迫切要求工程塑料的高性能化与国产化的技术要求,从而使得工程塑料的合成和加工改性变得尤为重要。

工程塑料性能优良,可替代金属作结构材料,因而被广泛用于电子电气、交通运输、机械设备及日常生活用品等领域,在国民经济中的地位日益显著。

就经营规模而言,我国工程塑料企业多为千吨级生产装置或工业化试验装置,而国外企业的年生产能力多是万吨级以上。规模和工艺水平上的巨大差异,使得国产工程塑料难以满足国内市场的需求,产品性能和价格都无法与进口产品竞争。

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