
新材料产业
材料是人类一切生产和生活的物质基础,历来是生产力的标志,对材料的认识和利用的能力,决定社会形态和人们的生活质量。新材料则是战略新兴产业发展的基石。
图:新材料种类
一、我国新材料产业现状
(一)我国新材料生产情况

几乎所有的新材料我国都能够生产并且正在生产,包括:
(二)强大的应用支撑我国新材料的发展

我国拥有庞大的工业用户;是庞大的造船大国、强国;世界最大的手机生产国;汽车产销量第一的国家;地铁、动车和高铁质量和数量第一的国家;冰箱、洗衣机等白电全球产量第一的国家。因此,严格意义上来说,强大的下游应用产业给我国新材料产业的发展提供了巨大的推动力。
(三)政策推动我国新材料的发展

1. 国家发展改革委、商务部发布《鼓励外商投资产业目录(2019年版)》,重点提及的化学原料和化学制品制造业包括:差别化、功能性聚酯(PET);聚甲醛;聚苯硫醚;聚醚醚酮;聚酰亚胺;聚砜;聚醚砜;聚芳酯(PAR);聚苯醚;聚对 苯二甲酸丁二醇酯(PBT);聚酰胺(PA)及其改性材料;液晶聚合物等。
2. 国家发改委《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》重点化工新材料关键技术产业化项目包括:聚苯硫醚;聚苯醚;芳族酮聚合物(聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚酮酮)、聚芳醚醚腈;聚苯并咪唑;聚芳酰胺;聚芳醚;热致液晶聚合物;新型可降解塑料等。
3. 中国石化联合会《石油和化学工业“十三五”发展规划指南》将高分子材料作为战略新兴产业列为优先发展的领域,明确高分子材料“十三五”发展的目的是:以提高自主创新能力为核心,以树脂专用料、工程塑料、新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料为发展重点,开发工程塑料、改性树脂、高端热固性树脂及其树脂基复合材料,以及可降解塑料等新材料制备技术。
4. 中国石油和化学工业联合会关于““十四五”化工新材料产业发展的战略和任务”的重点工作指导:开发5G通信基站用核心覆铜板用树脂材料(LCP、PI、环氧树脂等);聚砜、聚苯砜、聚醚醚酮、液晶聚合物等高性能工程塑料。
此外,我国新材料产业相关政策规划,还包括:
(四)应用研发体系成为新材料发展利器

我国几十年来建立的应用研发体系功力深厚,例如中科院,包括北化所、过程所、宁波院、上海有机所、大化所、兰化所、应化所、煤化所…等,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。
按照材料划分,包括以下成熟的研发机构体系:

此外,还有大量大企业的研发中心,对产品应用的研究及配套的检測仪器设备很多达世界领先水平。
(五)与国外新材料的差距

我国新材料产业与国外差距主要在高品质的新材料。我国缺乏超前的研发优势和研发成果的实用化开发力度,目前主要还是以仿制为主。虽然很多新材料已有能力生产,可是相关专利绕不开。
二、我国新材料产业发展趋势
发达国家均全力发展新材料产业,例如美国将新材料称之为“科技发展的骨肉”,我国新材料发展也将由原材料、基础化工材料逐步过渡至新兴材料、半导体材料、新能源材料、节能(轻量化)材料。
(一)资本眼中的新材料产业风口
1. 千亿级风口
千亿级风口主要是高性价比、高性能电子化学品,包括芯片、传感器,以及半导体电子(电子胶粘剂、光刻胶、导电材料、高纯气体、溶剂等)。
2. 万亿级风口
万亿级风口主要是新能源相关材料,包括固态电池、燃料电池、氢燃料电池、锂电池、太阳能光伏、可再生能源、储能、风能等。
3. 其他风口
其他风口包括:处于加速发展期的生物可降解材料(有利于垃圾分类等)、3D打印新材料、结构化材料、以及轻量化、节能材料。
(二)未来新材料的超级印钞机?
新材料产业3大热点
热点一:芳纶、PI和PA
1. 芳纶——关键的战略材料

芳纶下游应用高端,是关键的战略材料。芳纶产品的特点是门槛高,国内企业少,国产化替代趋势明显,目前行业上升趋势明显。芳纶产品的门槛主要是技术和客户准入门槛,要进入市场需要做安全认证,需要几年的成功案例,下游应用领域对安全性的要求都很高。
目前全球的对位芳纶处于近平衡状态,国内对位芳纶80%依赖进口。从全球来看,随着应用领域的增加,对位芳纶需求将逐渐增加,预计未来5年全球对位芳纶的需求量将达到15万吨左右。按照每年增速10%计算,2020年我国对位芳纶的需求量将达到13000吨,2025年对位芳纶的需求量将达到25000吨。
全球间位芳纶行业主要被美国杜邦、泰和新材、日本帝人等公司占据。其中杜邦产能以67%位居第一,帝人占比为7%。
2. 聚酰亚胺—— “解决问题的能手”
聚酰亚胺,是综合性能最佳的有机高分子材料之一。其耐高温达400℃以上 ,长期使用温度范围-200~300℃,部分无明显熔点,高绝缘性能,103 赫下介电常数4.0,介电损耗仅0.004~0.007,属F至H。

3. 尼龙
热点二:电子化学品
电子化学品是专为电子信息产品制造中的显影、蚀刻、清洗和电镀等工艺配套的细化工材料,是集成电路、平板显示制造等信息产业的重要支撑材料。
2017年,世界电子化学品产值>1500亿美元,中国产值约2600亿元,预计2018-2022年,年均增长率约为11%。包括陶氏、霍尼韦尔、三菱化学和巴斯夫等公司,正竞相将电子化学品业务重点放在包括中国在内的亚太地区。中国丰富的原材料以及靠近下游需求等方面优势明显,电子化学品产能向国内转移已成为大势所趋。
热点三:轻量化、节能材料
新材料产业4大产业
产业一:薄膜
我国材料薄膜产业增速平稳,2010-2017年我国材料薄膜产量由799万吨增加至1570万吨,年均复合增速达10%。2017年全球液晶聚合物薄膜和层压板销售量约9050吨,复合年增长率为6.7%。快递包装薄膜将呈现减量化、绿色化、可循环发展趋势。背光模组光学膜将趋于高亮度化、薄型化、轻量化、高色域化发展。
产业二:3D打印材料
目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。虽然3D打印最常见的市场材料是ABS、PLA,实际上尼龙才是应用规模最大的材料。预计到2022年,尼龙将占据3D打印材料市场30%的市场份额。
影响材料材料应用于3D打印的因素主要有:打印温度高、材料流动性差,导致工作环境出现挥发成分,打印嘴易堵,影响制品精密度;普通的材料强度较低,适应的范围太窄,需要对材料做增强处理;冷却均匀性差,定型慢,易造成制品收缩和变形;缺少功能化和智能化的应用。
全球3D打印市场(亿美元)
1. 应用领域分析
工业领域未来大规模工业应用在全球3D打印市场有望迎来爆发式增长。在工业级领域,3D打印经过30年的发展,已经形成了一条完整的产业链。目前3D打印技术已经在军事、航空航天、医疗、汽车、机械设备制造及消费领域得到了一定的应用。3D打印应用于建筑,建筑承重件,汽车零部件,工业零件。产业链的每个环节都聚集了一批领先企业。

2. 我国3D打印用材料发展方向
随着3D打印技术的发展,传统材料的性能被大幅提升,依靠材料强大的快速熔融沉积和低温粘接特性将被广泛应用到3D打印制造领域。除了材料自身可以通过3D打印制品外,在玻璃、陶瓷、无机粉体、金属等的3D打印都需要依靠材料的粘接性来完成。
通过改性材料的强度被用来直接替换金属用于各类复杂构件,既便宜又质轻。甚至可以替代玻璃、陶瓷等制品,从而使材料在3D制造中被广泛应用。
材料可避开低强度的缺陷,向复合化、功能化发展,特别是实现多元材料复合、从而赋予材料特定功能。通过3D打印技术制造工艺复杂的智能材料、光电高分子材料、光热高分子材料、光伏高分子材料、储能高分子材料等新材料。
3D打印因具有不需要模具、零部件的快速修复等优点,能将中国制造业前进5-10年,3D打印堪称是工业界的一场革命。
产业三:可降解材料
“十三五”规划、国际碳总量法律以及生物降解材料性能提升、价格下降将为中国生物可降解材料行业带来前所未有的发展契机。
完全生物降解材料主要包括PLA、PHA、PBS/PBSA、PCL、PVA、PPE/PPC/PPB和小部分PSM等。生物破坏性材料主要指生物分解树脂对传统聚烯烃的改性材料,PSM中大部分属于这类。
生物可降解材料的开发越来越符合社会的环保理念,目前全球研发的生物降解材料品种达几十种,但实现批量和工业化生产的仅有PSM、PLA、PBS/PBSA、PHA、PCL等。
产业四:新型弹性体
1. 丙烯基弹性体
丙烯基弹性体是用茂金属催化技术和溶液聚合工艺组合生产所得,是独特的丙烯-乙烯半结晶共聚物,具有独特的高弹性、柔韧性和低温耐冲击性,特别是和PP的相容性非常优异。目前全球只有三家公司有商品化的丙烯基弹性体,牌号分别是陶氏的versify、埃克森美孚的vistamaxx和三井的tafmer。
1)丙烯基弹性体有着手感好、高填充、止滑性佳等特点,比如埃克森美孚vistamaxx的发泡优势;
2)VM发泡产品有手感好,密度好,而且又有胶感;
3)具有高填充,填充量可达100phr,而EVA填充量一般在30phr,在降低成本以及做某些功能性材料具有很大的优势,比如做阻燃材料,就是靠填充来发挥性能的;
4)可100%回收,且发泡出来的产品不会出现产品表面气孔的分布性不好,而EVA发泡如果加入回收料太多(一般加入量30phr),就会出现密度分布不好的现象;
5)用VM做一些比较低硬度发泡的工艺,比EVA要容易操作很多。EVA如果硬度做到10°C,相当困难,而且一般要加入SEBS来增加软度,而VM就很容易做到;
6)抗冲击强度的改善带来了减薄机会,能够减少材料使用并降低成本;
7)丙烯基弹性体具有较低的熔融温度,从而降低了加工温度,其较高的流动速率会提升加工速度。这可以减少能源消耗并提高加工效率。其柔韧性有助于提高拉伸比,减少流痕,从而实现更好的产品质量和更低的废品率。由于这种弹性体的收缩率比聚丙烯低,使得生产工艺更易于控制,模切更准确,从而改善杯子与盖子的相配程度,有助于降低废品率。
1)食品保鲜盒领域无规共聚丙烯(RCP)应用十分广泛,但普遍存在低温抗冲不足的问题。丙烯基弹性体应用于聚丙烯改性,可以提高聚丙烯的韧性。在RCP中作为增韧剂,可以在提高韧性的同时保持RCP的透明度,有助于减少铰链结构的应力发白;
2)丙烯基弹性体与聚丙烯 (PP) 共混,可以实现更好的抗冲击性、透明性和刚度平衡,同时还可以提高加工效率;
3)可以用在无纺布、弹性膜、聚合物改性等方面,其中聚合物改性方面表现优异,具体应用案例有洗衣机座盘、食品容器盖、加湿器水箱、塑料文具、运动水壶、拖鞋等等。
2. 乙烯基弹性体
1)聚乙烯链结晶区(树脂相)起物理交联点的作用,具有典型的塑料性能,加入一定量的α-烯烃(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)后,削弱了聚乙烯链的结晶区,形成了呈现橡胶弹性的无定型区(橡胶相),使产品又具有弹性体的性质;POE具有塑料和橡胶的双重特性综合性能优异,因此POE可以看作是塑料与橡胶的桥梁产品。
2)POE弹性体与EPDM相比,它具有熔接线强度卓越、分散性好、等量添加抗冲击强度高、成型能力杰出的优点;与SBR相比,它具有耐候性好、透明性高、价格低、密度小的优点;与EVA、EMA和EEA相比,它具有密度小、透明度高、韧性好、屈挠性好等优点;与软PVC相比,它具有无需特殊设备、对设备腐蚀低、热成型良好、塑性好、密度小、低温脆性佳和经济性良好等特点。
3)POE弹性体作为塑料增韧剂,不仅可以增韧改性与它相容的聚烯烃塑料,而且可通过过氧化物引发,有效地与马来酸酐、丙烯酸缩水甘油酯等单体发生接枝反应,所得到的接枝物广泛用来增韧尼龙、聚酯等工程塑料。
4)聚烯烃弹性体POE分子结构中没有不饱和双键,具有很窄的分子量分布和短支链结构(短支链分布均匀),因而具有高弹性、高强度、高伸长率等优异的物理机械性能和的优异的耐低温性能。
5)窄的分子量分布使材料在注射和挤出加工过程中不宜产生挠曲,因而POE材料的加工性能优异。由于POE大分子链的饱和结构,分子结构中所含叔碳原子相对较少,因而具有优异的耐热老化和抗紫外线性能。此外有效的控制在聚合物线形短支链支化结构中引入长支链,使材料的透明度提高,同时有效的改善了聚合物的加工流变性。
1)POE可以威胁到橡胶、柔性PVC、EPDM、EPR、EMA、EVA、TPV、SBC和LDPE等材质;
2)应用于不同产品,如汽车挡板,柔性导管,输送带,印刷滚筒,运动鞋,电线电缆、汽车部件、耐用品、挤出件、压模件、密封材料、管件和织物涂层等;
3)也可以作为低温抗冲改良剂来改善PP的低温抗冲性能,同时可以作为热塑性弹性体运用于汽车领域。
3. 氟/硅弹性体
氟硅橡胶是以氟硅聚合物为主体的配方组成,氟硅聚合物主链中含多个硅氧基团(-Si-O-),其无毒、耐高低温!可做成热塑性弹性体。
氟橡胶有“橡胶之王”之称,它具有高度的化学稳定性,是目前所有弹性体中最好的;耐高温性能极佳、具有极好的耐天候老化性能和耐臭氧性能、真空性能和机械性能优良等——弹性体中综合性能极佳的品种。几个小缺点:比如低温性能不好、耐辐射性能也差等。
新材料产业5大聚焦
聚焦一:结构化材料
具有量身定制的材料特性和响应,使用结构化材料进行轻量化,可以提高能效、有效负载能力和生命周期性能以及生活质量。未来的研究方向包括开发用于解耦和独立优化特性的稳健方法,创建结构化多材料系统等。不希望新材料被理解在化学层面,而应该在物理性能层面最大化用好它。
聚焦二:能源材料
1. 研究发展方向
持续研发非晶硅、有机光伏、钙钛矿材料等太阳能转换为电能的材料,开发新的发光材料,研发低功耗电子器件,开发用于电阻切换的新材料以促进神经形态计算发展。
日本冈山大学的研究人员最近开发出一种利用氧化铁化合物制成的新型太阳能电池。该太阳能电池的吸光率是以往硅酮制太阳能电池的100多倍。
2. 催化材料研究方向
改良催化材料的理论预测,高催化性能无机核/壳纳米颗粒的合成,高效催化剂适合工业生产及应用的可扩展合成方案,催化反应中助催化剂在活性位场上的选择性沉积,二维材料催化剂的研究。
聚焦三:极端环境材料
极端环境材料是指在各种极端操作环境下能符合条件地运行的高性能材料。研究方向包括:
聚焦四:碳捕集和储存的材料
碳捕集和储存的材料包括:基于溶剂、吸附剂和膜材料的碳捕集,金属有机框架等新型碳捕集材料,电化学捕集,通过地质材料进行碳封存。
洁净水的材料问题涉及膜、吸附剂、催化剂和地下地质构造中的界面材料科学现象,需要开发新材料、新表征方法和新界面化学品。
可再生能源储存方面的材料研究基于:研发多价离子导体和新的电池材料以提高锂离子电池能量密度,研发高能量密度储氢的新材料以实现水分解/燃料电池能量系统。
聚焦五:纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。
三、我国新材料产业发展建议

欧美及我国化工企业类型占比
1=精细化工和新材料型多元化工企业
2=传统石化油气和基础化工类企业
3=其他类企业
目前我国传统石化油气和基础化工类企业,巨额投资正热火朝天,千亿级投资项目集群有好几个,百亿级投资项目己“数不过来”。但是收益正急剧下滑,越来越多基础化工类产品市场价暴跌,例如TDI、乙二醇、甲醇、MMA;连仍依赖进口的PC、PMMA、PA66都不例外。因此,必须对新材料产业发展具有足够的重视,否则,实体经济不会有强大的竞争力!
(一)工业消费级企业应推动中国化工新材料发展,他们的参与和支持是关键
(二)通过对应用的理解——推动化工新材料发展
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