韓 琪
(中國石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司,北京 100029)
丁基橡膠(IIR)是世界第四大合成橡膠膠種,是異丁烯(IB)和少量異戊二烯(IP)通過陽離子聚合得到的彈性體。IIR的氣密性能和水密性能突出,其最大的用途是制造輪胎內(nèi)襯及內(nèi)胎,也是優(yōu)質(zhì)子午線輪胎必備的材料。在發(fā)達(dá)國家,輪胎內(nèi)胎幾乎已全部由IIR制成,但由于其硫化速度慢、自黏性差,與其他膠種(如天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠等)的互黏性差,限制了IIR的進一步發(fā)展。鹵化丁基橡膠(HIIR)是鹵素與普通IIR發(fā)生取代反應(yīng),產(chǎn)生了額外的交聯(lián)位置,增加了雙鍵的反應(yīng)性。HIIR除具有普通IIR的特性外,還具有硫化速度快、互黏性改善、與其他橡膠相容性好、可單獨用氧化鋅硫化、耐熱性更好等特點[1]。因此,HIIR成為無內(nèi)胎輪胎和醫(yī)藥制品不可替代的原材料[2]。加之輪胎工業(yè)的迅速發(fā)展與輪胎子午化率的不斷提高[3],HIIR的消費量及占比逐漸增大,成為未來的發(fā)展重點。
HIIR可分為氯化丁基橡膠(CIIR)和溴化丁基橡膠(BIIR)[4]。相比CIIR,BIIR有更多的活性硫化點,硫化速度快,與不飽和型橡膠能更好黏合,有更高的耐老化、較低的焦燒安全性[5]。在輪胎和藥品瓶塞制造方面,BIIR的應(yīng)用更加廣泛。
近幾年,全球IIR/HIIR產(chǎn)能增速超過需求增速,整體產(chǎn)能嚴(yán)重過剩。2020年全球IIR產(chǎn)能約213.2萬噸/年,產(chǎn)量132.0萬噸,平均開工率降為61.9%。受疫情影響,全球IIR產(chǎn)能擴張預(yù)計延續(xù)至2023年完成,達(dá)225萬噸/年。預(yù)計2025年和2030年全球需求量分別為164萬噸和181萬噸,未來需求量以約2.3%的增速增長。世界IIR/HIIR供需情況如圖1所示。
圖1 世界IIR/HIIR供需情況
全球IIR產(chǎn)能不斷擴張主要是因為全球各地區(qū)IIR/HIIR行業(yè)發(fā)展不均衡,主要生產(chǎn)商跟隨需求中心的轉(zhuǎn)移,布局建設(shè)新產(chǎn)能。2016年前全球IIR/HIIR產(chǎn)能集中在北美地區(qū),目前北美和西歐地區(qū)已處于供大于求的狀況,且需求量連年降低。歐美地區(qū)5年未新增產(chǎn)能,2020年總產(chǎn)能73.9萬噸/年,占全球總產(chǎn)能的34.7%;產(chǎn)量為46.7萬噸,占全球總產(chǎn)量35.4%;消費量為38.9萬噸,占全球總消費量29.5%。
近幾年,亞太地區(qū)拉動全球IIR/HIIR需求增長,成為主要的IIR/HIIR生產(chǎn)和消費地區(qū),歐美的IIR/HIIR產(chǎn)品也主要出口到亞太地區(qū)。2020年亞太地區(qū)總產(chǎn)能達(dá)到81.3萬噸/年,占全球總產(chǎn)能38.1%;產(chǎn)量為52.6萬噸,占全球總產(chǎn)量39.8%;消費量為76.1萬噸,占全球總消費量57.7%。相比2019年,亞太地區(qū)的IIR/HIIR產(chǎn)量和消費量占比分別提高了10.7個和2.6個百分點。未來IIR/HIIR消費中心繼續(xù)向亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移。
我國自2012年以來,IIR/HIIR產(chǎn)能和消費量迅速增長,2016年成為世界最大的IIR生產(chǎn)國。由于生產(chǎn)技術(shù)落后,裝置開工率極低。2020年產(chǎn)能44.5萬噸/年,產(chǎn)量21.9萬噸,平均開工率雖有提升,但僅為49.2%;消費量46.0萬噸,進口量28.4萬噸,創(chuàng)歷史新高,自給率僅47.8%,其中HIIR進口量16.7萬噸,HIIR高端產(chǎn)品仍然依賴進口。
近幾年,我國普通IIR需求基本穩(wěn)定在10萬噸/年左右[5],HIIR占比超過60%。隨著我國輪胎正向子午化、扁平化、無內(nèi)胎化的方向發(fā)展,我國下游子午輪胎產(chǎn)量增速已高于國內(nèi)輪胎總產(chǎn)量增速[2],預(yù)計未來國內(nèi)普通IIR需求穩(wěn)定,HIIR需求穩(wěn)步增長,HIIR占比將提高至70%~80%,到2025年和2030年我國HIIR的需求分別增至約38萬噸和48萬噸。根據(jù)公開的新增產(chǎn)能計劃,2025年我國IIR/HIIR產(chǎn)能達(dá)58.5萬噸/年,其中,HIIR產(chǎn)能將達(dá)49萬噸/年。
我國IIR/HIIR行業(yè)起步較晚,1999年建成第一套IIR裝置,2010年建成第一條HIIR生產(chǎn)線[6]。2012年以后,IIR/HIIR產(chǎn)能和消費量迅速增長,2016年成為世界最大的IIR生產(chǎn)國。為扼制中國企業(yè)的發(fā)展并繼續(xù)占有市場,ExxonMobil和ARLANXEO向中國低價傾銷HIIR產(chǎn)品,燕山石化、盤錦和運被迫減產(chǎn)甚至停產(chǎn),浙江信匯雖然銷售收入和市場占有率上升,但利潤、投資收益率等財務(wù)狀況持續(xù)惡化,國內(nèi)IIR/HIIR產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)危機。
2018年對HIIR實施反傾銷為國內(nèi)HIIR發(fā)展帶來了機遇[8]。HIIR價格逐步回歸到正常水平,停產(chǎn)多年的企業(yè)也陸續(xù)恢復(fù)生產(chǎn)和經(jīng)營。IIR的自給率從2013年的28.6%提升至2020年的48.9%,但HIIR產(chǎn)能仍然不足。目前在運營的只有浙江信匯7.2萬噸/年HIIR裝置、山東京博5萬噸/年BIIR裝置和燕山石化的3萬噸/年BIIR裝置。
根據(jù)公開報道的消息,浙江信匯和山東京博已開始建設(shè)HIIR新產(chǎn)能,浙江信匯HIIR裝置擴能至20萬噸/年,山東京博新建7萬噸/年、8萬噸/年兩條BIIR生產(chǎn)線,均原計劃2021年投產(chǎn)運行。燕山石化停產(chǎn)的9萬噸/年IIR裝置也將改造升級為BIIR裝置。未來國內(nèi)HIIR產(chǎn)能將達(dá)到49萬噸/年。
2.2.1 國外生產(chǎn)商針對中國市場增加新產(chǎn)能,國內(nèi)企業(yè)競爭壓力大
HIIR行業(yè)聚集度高,技術(shù)壟斷性強。ExxonMobil、ARLANXEO和NKNK三個公司控制了全球主要的HIIR產(chǎn)能,占比曾一度超過85%,如今依然超過60%,ExxonMobil和ARLANXEO在中國的市場占有率一度超過75%。為進一步鞏固中國市場,ExxonMobil在新加坡布置了14萬噸/年的高性能HIIR裝置,并已于2018年投產(chǎn);ARLANXEO于2016年4月成立后,積極布局亞太市場,在新加坡建設(shè)了10萬噸/年IIR/HIIR產(chǎn)能;俄羅斯Sibur公司與信誠工業(yè)公司在印度Jamnagar基地已建設(shè)了12萬噸/年IIR/HIIR工廠,6萬噸/年HIIR生產(chǎn)裝置預(yù)計2021年投產(chǎn)[9]。由圖2看出,雖然我國HIIR產(chǎn)能逐漸釋放,進口產(chǎn)品比例逐年遞減,但進口產(chǎn)品在國內(nèi)的市場占有率仍接近50%,國內(nèi)IIR/HIIR企業(yè)面臨的競爭壓力依然很大。
圖2 國內(nèi)HIIR市場情況
2.2.2 國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)水平和關(guān)鍵裝備落后,產(chǎn)能規(guī)模小,成本高
ExxonMobil、ARLANXEO的IIR/HIIR生產(chǎn)技術(shù)和新產(chǎn)品開發(fā)能力一直處于領(lǐng)先地位,因不轉(zhuǎn)讓技術(shù)而處于壟斷地位。我國IIR/HIIR裝置技術(shù)主要是在引進中試技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)和提升,引進的并非成熟的工業(yè)化技術(shù)[10],總體水平一致,裝置規(guī)模較小,產(chǎn)品差異性較低,導(dǎo)致國內(nèi)IIR/HIIR產(chǎn)品只能在中低端應(yīng)用領(lǐng)域參與競爭。
為突破技術(shù)瓶頸,經(jīng)過不斷努力,國內(nèi)HIIR生產(chǎn)技術(shù)取得了突破性進展,但與國外相比仍存在差距。燕山石化開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無水溶膠新工藝,目前尚未工業(yè)應(yīng)用。浙江信匯與蘭州化工研究中心聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)和新產(chǎn)品研發(fā),在星型支化IIR產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)上取得了新進展,近期剛剛建成工業(yè)側(cè)線裝置[11]。
國內(nèi)外裝置的關(guān)鍵工藝參數(shù)對比如表1所示。與先進技術(shù)相比,國內(nèi)HIIR生產(chǎn)工藝的聚合反應(yīng)溫度低,這是裝置能耗較高的主要原因;聚合過程的IP濃度是影響HIIR與其他橡膠黏合的關(guān)鍵因素,國內(nèi)HIIR工藝的聚合過程中僅約2%的異戊二烯成分參與反應(yīng),而ARLANXEO已經(jīng)成功地將該比例提高至8%;3家企業(yè)裝置的運行單體濃度和溴化膠液濃度均低于國外水平,導(dǎo)致國內(nèi)HIIR生產(chǎn)工藝的物耗能耗大,生產(chǎn)成本高;聚合反應(yīng)器的分散和撤熱能力也不及先進水平。
表1 關(guān)鍵工藝參數(shù)對比
表2展示了國內(nèi)外IIR/HIIR裝置產(chǎn)能情況。從產(chǎn)能規(guī)模來看,ExxonMobil和ARLANXEO的IIR裝置產(chǎn)能普遍在10萬噸/年以上,而國內(nèi)HIIR單裝置規(guī)模多在5萬噸/年左右[12],規(guī)模效應(yīng)明顯落后,這也是導(dǎo)致國內(nèi)HIIR生產(chǎn)成本難以與國外企業(yè)競爭的主要原因。
表2 國內(nèi)外IIR/HIIR產(chǎn)能 萬噸/年
2.2.3 產(chǎn)品性能不足,應(yīng)用研究不充分
高分子量、寬分子量分布的IIR/HIIR產(chǎn)品具有足夠的生膠強度、在混煉機上不易碎裂、易與添加劑共混、加工成型之后不易變形等優(yōu)點,而備受用戶歡迎。ExxonMobil的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定且分子量分布特點鮮明,基本可以歸納為[13]:低門尼黏度HIIR的分子量分布指數(shù)為(4.3±0.3),高門尼黏度HIIR和IIR為(3.5±0.3)。NKNK公司產(chǎn)品的分子量分布較窄,但質(zhì)量穩(wěn)定性好,其IIR/HIIR產(chǎn)品的分子量分布指數(shù)為2.5~2.7。國內(nèi)某BIIR產(chǎn)品的分子量分布指數(shù)為(3.0±0.3),產(chǎn)品的混煉加工性能較差。ExxonMobil、ARLANXEO的產(chǎn)品雖然市場價格最高,但憑借質(zhì)量和性能優(yōu)勢壟斷著我國HIIR高端應(yīng)用領(lǐng)域。
另外,國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用研究薄弱,下游客戶反映產(chǎn)品存在“合格但不好用”的問題。與此相比,國外公司在產(chǎn)品研發(fā)上充分注意與客戶和市場的需求緊密配合。ARLANXEO通過8個研發(fā)中心和4個應(yīng)用實驗室與各生產(chǎn)基地進行密切的交流合作。在常州建立工廠和橡膠技術(shù)中心[14],聯(lián)合維鼎化工深入挖掘下游汽車市場客戶需求,為客戶進行需求產(chǎn)品的測試,提供強有力的技術(shù)支持,可為客戶量身定制所需配方。
我國HIIR需求潛力巨大,市場還有很大發(fā)展空間。我國擁有較堅實的發(fā)展HIIR的基礎(chǔ)和實力,擁有基礎(chǔ)雄厚的研發(fā)機構(gòu),為持續(xù)技術(shù)進步提供有力的保障和支撐。北京化工研究院和蘭州化工研究中心攻關(guān)IIR技術(shù)多年,生產(chǎn)和研發(fā)經(jīng)驗豐富,先后完成了催化劑體系升級、聚合反應(yīng)工藝改進、溴化丁基生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)、星型支化丁基橡膠專業(yè)化新牌號開發(fā)等工作,努力趕超國外先進水平,擬在高端應(yīng)用領(lǐng)域替代進口產(chǎn)品。
國內(nèi)HIIR市場的機遇與挑戰(zhàn)并行,結(jié)合HIIR行業(yè)發(fā)展趨勢和國內(nèi)HIIR的生產(chǎn)現(xiàn)狀,對我國發(fā)展鹵化丁基橡膠提出以下建議:
國內(nèi)HIIR需求量穩(wěn)定增長,目前還存在供應(yīng)缺口,生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對市場進行深入調(diào)查研究,從原料、技術(shù)、市場、研發(fā)、售后服務(wù)等多角度充分論證項目的可行性。密切關(guān)注國外其他HIIR生產(chǎn)商的生產(chǎn)情況,尤其是印度、新加坡及沙特等裝置的生產(chǎn)情況,避免國外大公司產(chǎn)品對國內(nèi)市場造成的巨大沖擊。同時還應(yīng)避免盲目生產(chǎn),杜絕低水平重復(fù)建設(shè),適時適度新建或者擴建生產(chǎn)裝置。
HIIR生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的主要發(fā)展方向是聚合物反應(yīng)裝置及運行條件的改進、鹵化工藝的優(yōu)化、節(jié)能環(huán)保水平的提高。
在催化劑體系相同的條件下,聚合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式和運行的工藝條件成為HIIR產(chǎn)品的分子量分布的決定性因素,因此,加強聚合反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行工藝的研究是各生產(chǎn)企業(yè)和研究院所未來的研究方向之一。
針對鹵化過程溴利用率低、產(chǎn)品門尼黏度高、產(chǎn)品顏色深等問題影響裝置的長周期穩(wěn)定運行的問題,應(yīng)開發(fā)更高效、安全、穩(wěn)定的IIR鹵化工藝技術(shù)[8]。
在新技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域,高性能化、環(huán)?;偷吞际嵌』鹉z工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢。開發(fā)HIIR后處理技術(shù),解決好中和反應(yīng)與產(chǎn)品洗滌問題,提升廢水的處理技術(shù),實現(xiàn)生產(chǎn)過程的清潔化;積極開發(fā)新型溶液法技術(shù)、茂金屬等新型催化劑、接枝和離子化化學(xué)改性等新技術(shù),并盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,提升我國HIIR的生產(chǎn)技術(shù)水平。
針對產(chǎn)品“合格不好用”的問題,各生產(chǎn)企業(yè)可聯(lián)合相關(guān)技術(shù)團隊及銷售團隊,定期組織實地走訪。針對客戶的個性化需求和產(chǎn)品應(yīng)用存在的問題,定制化生產(chǎn),改進生產(chǎn)工藝。同時爭取下游客戶的信任,形成戰(zhàn)略伙伴,提升整體競爭力,對維護現(xiàn)有客戶,并拓展市場份額具有重要的戰(zhàn)略意義。
各生產(chǎn)企業(yè)充分重視產(chǎn)品的應(yīng)用加工性能,依托高校和研究院所,開發(fā)具有全新結(jié)構(gòu)和性能的合成橡膠新產(chǎn)品;瞄準(zhǔn)醫(yī)用瓶塞等應(yīng)用領(lǐng)域,開發(fā)有競爭力的高端新產(chǎn)品;圍繞生產(chǎn)綠色輪胎的合成橡膠新牌號進行創(chuàng)新開發(fā),以期全面改善輪胎的抗?jié)窕浴L動阻力和燃油經(jīng)濟性;圍繞原料綠色化,開發(fā)以生物質(zhì)為原料的HIIR產(chǎn)品。