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        我國POE 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應用前景展望

        2023-08-10 00:44:20袁學玲曹中琦
        當代石油石化 2023年7期
        關鍵詞:辛烯膠膜電線電纜

        袁學玲,曹中琦

        (1.中國石化集團經濟技術研究院有限公司,北京 100029;2.中石化(大連)石油化工研究院有限公司,遼寧大連 116045)

        高端化工材料作為高端制造業(yè)和國防產業(yè)的重要保障,是國際戰(zhàn)略競爭的焦點,也是未來化學工業(yè)利益的爭奪點。在“十四五”高質量發(fā)展的主旋律下,我國高端化工材料產業(yè)正處于重要的窗口期,迎來新的發(fā)展機遇。推動高端化工材料產業(yè)發(fā)展對于提升產業(yè)鏈供應鏈的韌性和安全性、加快實現(xiàn)我國由制造大國向制造強國轉變具有重要戰(zhàn)略意義。高性能樹脂是高端化工材料消費最大的種類,占比50%以上[1]。其中,由于光伏等新興市場的快速拉動,聚烯烴彈性體(POE)憑借優(yōu)異的綜合性能,在市場容量、需求增速、盈利等方面都表現(xiàn)出了突出的吸引力和競爭力,極具發(fā)展前景。目前,POE的下游應用領域還未能夠完全體現(xiàn)出其性能優(yōu)勢,但隨著下游應用需求的不斷提升,高端化、差異化、多元化發(fā)展是其未來市場應用的主要方向。20%[2]。與茂金屬聚乙烯相比,二者都是乙烯–丁烯或乙烯–辛烯共聚物,但是α–烯烴含量不同,密度不同,特性及應用領域也不同。

        微觀結構決定了聚合物的宏觀性能。α–烯烴的存在破壞了POE分子結構中聚乙烯鏈段的規(guī)整排列,產生了柔軟的卷曲結構;但是由于α–烯烴的共聚單體含量在20%~30%,也保留了部分可以結晶的聚乙烯鏈段,導致POE分子結構中既存在乙烯和α–烯烴聚合形成的無定形區(qū),又存在聚乙烯結晶鏈段,這種特殊的結構使得POE同時具備塑料般良好的熱塑性和橡膠般的高彈性。此外,POE 分子結構中沒有不飽和雙鍵,使其具備優(yōu)異的耐候性和耐化學腐蝕性能[3-4];較窄的分子量分布使其具備較高的抗沖擊性和良好的流動性;非極性分子的結構決定了其不易與水分子結合形成氫鍵,因而具有優(yōu)異的水汽阻隔能力。同時,由

        1 POE 的結構及特點

        POE是由乙烯、丙烯與α–烯烴(1–丁烯、1–己烯、1–辛烯等)在茂金屬催化劑作用下生成的無規(guī)共聚物,一般POE 中的α–烯烴含量不低于于α–烯烴的支化作用,聚合物的熱敏性大幅提升,極大地提高了聚合物的可加工性。

        2 中國POE 下游消費結構及市場分析

        2.1 中國POE 下游消費結構

        POE 因同時具有塑料和橡膠的雙重優(yōu)勢,廣泛應用于光伏膠膜、汽車零部件、電線電纜、包裝、家用電器等多個領域[5-6],是聚烯烴高端化發(fā)展的重要產品類型之一,目前我國POE 下游消費主要集中在汽車、光伏領域。2018—2021年,POE 下游消費結構占比發(fā)生了明顯變化(見圖1)。汽車是我國POE 用量最大的下游應用領域,2018 年占比高達47.5%,但是隨著光伏裝機旺盛的需求以及高效光伏組件的快速滲透,光伏用POE膠膜需求顯著提升,汽車市場占比逐漸被動壓縮,2021 年下降至38.4%。預計至2023 年,我國光伏領域POE膜消費將反超汽車市場,成為POE最大的下游應用領域。

        圖1 2018 年和2021 年我國POE 下游消費結構

        1)汽車領域應用

        POE 在汽車領域的應用主要為生產汽車內外飾材料,包括保險杠、車身外板、擋泥板、方向盤、墊板等。據相關數(shù)據顯示,POE能夠使車重減輕20%以上,因此被認為是汽車輕量化的理想材料。目前大部分國外汽車保險杠領域的共混改性已采用POE,但是我國僅有約20%的保險杠材料采用POE,用量較低。

        2)光伏領域應用

        POE 在太陽能領域主要用作光伏組件封裝膠膜材料。隨著雙玻組件的使用及逐步滲透,其耐候性和長期可靠性的關鍵落到了封裝膠膜上。POE 膠膜水汽阻隔性能優(yōu)異、體積電阻率高、耐候性強,可以顯著降低光伏組件封裝材料黃變、透光率降低導致的功率衰減,是目前雙面組件及N 型電池(TOPCon、HJT、IBC)以及鈣鈦礦電池的主要封裝膠膜。光伏級POE膠膜可以分為純POE 膠膜以及與乙烯–乙酸乙烯共聚物(EVA)結合的多層共擠型POE 膠膜(又稱EPE,結構為EVA–POE–EVA)。

        3)鞋材領域應用

        在制鞋領域,POE主要用來改善EVA鞋底性能,使其性能更持久。EVA 底跑鞋在一定里程后會無法變回原來狀態(tài),緩沖能力降低,在EVA發(fā)泡中底添加一定比例的POE,可以制造出高品質的EVA中底,在維持沙灘鞋、拖鞋、運動鞋舒適輕便的同時,使得鞋底彈性穩(wěn)定性更強、性能更加持久。

        4)電線電纜領域應用

        無鹵料在研發(fā)中大多存在強度、斷裂伸長率和阻燃性三者之間不能達到最佳平衡的問題,利用POE 替代線型低密度聚乙烯(LLDPE),可以很好地解決這一難題。

        5)家用電器領域應用

        POE 可以增加家電外殼的抗撞擊性、耐老化性、耐候性等,在家電行業(yè)中被應用廣泛。

        6)包裝領域應用

        POE具有優(yōu)異的熱封性能,起始熱封溫度低、熱封強度高;具有優(yōu)異的抗穿刺性、防污染密封性、耐撕裂特性;可用來生產單層膜或復合包裝膜的密封層。POE 薄膜具有優(yōu)異的保鮮功能,可以作為食品、化妝品包裝;POE還可以用作生產拉伸膜、纏繞膜、超韌膜或作為聚烯烴薄膜的增韌改性劑。

        2.2 中國POE 市場分析及預測

        2021 年全球POE 消費總量136 萬噸,其中,中國消費約64 萬噸,占比47%[7]。近年來,隨著光伏等行業(yè)的快速發(fā)展,我國對POE材料的需求快速攀升,未來在光伏雙玻組件、汽車輕量化、電線電纜的驅動下,我國POE需求量仍將保持較高增速。預計至2025年,我國POE需求將達到125萬噸,2021—2025年需求的年均復合增速約18%。

        在汽車領域,未來隨著新能源汽車滲透率的逐步提升,對輕量化要求更加迫切,POE產品在該領域將有廣闊的發(fā)展前景。預計至2025 年前,我國汽車領域POE需求量年均復合增長率將保持在8%以上。在光伏領域,2021 年雙玻璃組件市占有率為40%,受益于具有比單玻組件發(fā)電量更高、生命周期更長、耐候耐磨和耐腐蝕性更強等優(yōu)勢,市場占比正在快速提升,預計2025年將達到60%以上。此外,新技術電池(N 型電池以及鈣鈦礦電池)更傾向于采用性能更好的POE膠膜。2021年POE膠膜市場占比約22%,其中純POE 膠膜約為12%。未來隨著雙玻璃組件、N 型等高效電池市場滲透率的快速提升以及光伏裝機需求旺盛,光伏用POE膠膜需求將顯著提升,預計2021—2025年需求增速將有望超過39%。由于POE價格較高,相較于純POE膠膜,多層共擠型POE 膠膜可能是拉動市場的關鍵。在發(fā)泡鞋材領域,中國鞋材市場正逐漸向東南亞等地區(qū)分流,導致制鞋用POE消費占比逐漸下降。在電線電纜行業(yè),我國是世界第一大電線電纜制造國,也是全球電線電纜消費增長最快的國家,人均電線電纜消費水平約是發(fā)達國家的20%,未來仍有很大增長空間。隨著我國智能電網、鐵路、機場、建筑、家電等產業(yè)的蓬勃發(fā)展,電線電纜產品的需求量也將快速增長。預計該領域對POE的需求將保持10%以上的增速。在家電領域,近年來我國房地產行業(yè)低迷,POE 在家電領域的需求也將大幅下滑。在包裝領域,未來隨著茂金屬聚乙烯在包裝尤其是食品、化妝品、醫(yī)藥等高端包裝領域應用越來越廣泛,POE 在包裝領域的需求增速將漸趨有限。此外,POE 在建筑裝潢、航空航天等領域也有一定應用。

        總體而言,未來光伏封裝膠膜和汽車輕量化是拉動POE需求快速增長的主要動因,尤其是光伏用POE膜,預計2025年我國光伏用POE消費將占POE下游消費的49.6%,汽車占比約27.2%(見圖2)。此外,我國電線電纜行業(yè)對POE需求量也將保持較高增速,而在鞋材、家用電器及包裝等領域,POE需求上漲空間有限。

        圖2 2025 年我國POE 下游消費結構預測

        3 POE 供應及生產技術分析

        3.1 POE 供應現(xiàn)狀

        盡管POE市場需求旺盛,但目前全球POE產能仍然集中于陶氏化學、??松梨凇⑷瘜W、SK–SABIC、LG 化學和北歐化工等少數(shù)國外企業(yè)[8-9]。

        1991年,埃克森美孚最先采用Exxpol技術生產出POE產品,牌號為EXACT;1993年,陶氏化學利用Insite金屬催化工藝生產出牌號為ENGAGE的POE;此后,三井化學、LG 化學以及SK–SABIC 分別在2003 年、2009 年和2014 年生產出各自的POE產品;2013年,北歐化工收購了??松梨谖挥诤商m的工廠,也具備了生產POE的能力。目前,全球廣義上的POE產能(包含丙烯基彈性體等)合計約200 萬噸/年,乙烯基彈性體的狹義POE產能約158萬噸/年[7,9]。考慮到POE生產裝置會與茂金屬LLDPE 等溶液聚乙烯生產裝置共線,并裝置可生產POE、POP(聚烯烴塑性體,α–烯烴含量低于20%)、烯烴嵌段共聚物(OBC)、LLDPE 等產品,實際POE 產能要低于上述產能。其中,陶氏化學POE產能位居全球第一,占比高達48%,且生產品種類最多,包含POE、POP及OBC等(見表1)。

        表1 全球POE 生產企業(yè)及產能情況

        3.2 我國POE 生產技術壁壘

        POE 產品生產壁壘較高,目前我國尚未實現(xiàn)POE工業(yè)化生產,POE產品完全依賴進口。2021年我國消費POE約64萬噸,進口主要來源于美國(陶氏化學、??松梨?,占比53%)、韓國(LG化學、SK–SABIC,占比37%)、日本(三井化學,占比8%)以及荷蘭(北歐化工,占比2%)。目前看來,我國POE產業(yè)三大生產壁壘按難度大小進行排序,分別是茂金屬催化劑、高碳α–烯烴以及溶液聚合工藝。我國在后兩者上已基本實現(xiàn)了工藝突破,但茂金屬催化劑方面仍然存在技術難點。

        1)原材料高碳α–烯烴(尤其是1–辛烯)供應不足

        目前市場主流POE 產品以1–辛烯為原料。從應用方面來看,采用1–辛烯生產的POE 產品比采用1–丁烯生產的性能更優(yōu),但前者成本更高,價格更昂貴。因此從成本導向出發(fā),2022年越來越多的客戶開始從辛烯級POE轉而使用丁烯級POE。對于特定高端產品,如光伏級POE可采用辛烯級POE,對通用級別的產品需求,丁烯級POE性能基本可以滿足。陶氏化學生產的POE以1–辛烯為主,而LG 化學則以1–丁烯為主。2022年,中國對辛烯級POE產品的需求占POE總需求的50%。

        從國內α–烯烴的供應情況來看,1–丁烯供應能力最強,2021 年1–丁烯的產能為88 萬噸/年,約占我國α–烯烴總產能的90%。1–己烯產能不足,2007年,中國石化利用北化院研發(fā)的乙烯三聚法實現(xiàn)了1–己烯的工業(yè)化生產,該方法在純度及產率方面較高,但產能依然較小。目前,我國1–辛烯技術未實現(xiàn)突破。中國α–烯烴工業(yè)化進展情況見表2。2021年,全球POE對α–烯烴的需求量約40萬噸,主要種類是1–辛烯。POE/POP消耗了全球約36%的1–辛烯。1–辛烯的主要生產方法包括乙烯齊聚、乙烯四聚和費托合成法。其中,乙烯四聚法是較為先進的方法,其產品含量在66%以上。在工業(yè)上,由于國外對線型α–烯烴技術的封鎖以及高昂的技術轉讓費,使得我國每年需要從國外進口大量的高碳α–烯烴。

        表2 中國α–烯烴工業(yè)化進展情況

        2)茂金屬催化劑與國際先進水平存在差距

        國外在茂金屬催化劑、聚合工藝等領域擁有大量專利,相關核心技術基本不對外轉讓。目前,生產POE用的茂金屬催化劑主要是橋聯(lián)半茂金屬類型,其中,陶氏化學、埃克森美孚以及LG化學都采用該類型催化劑[6,10,11]。目前,我國茂金屬催化劑的研發(fā)主要依靠中國石化、中國石油、中國科學院化學所等單位,部分民營企業(yè)也在進行不斷改進和摸索。盡管研究機構開發(fā)出了具有高共聚性能的茂金屬催化劑,但是與國外先進水平相比,還存在差距,離實現(xiàn)工業(yè)化也尚存一段距離。

        3)缺少高溫溶液聚合工藝的生產經驗

        POE 需要在聚合物熔點以上的溫度(高溫)下進行的均相溶液聚合,因此高溫溶液聚合是POE無法繞開的工藝路線。目前POE的主要聚合工藝路線有陶化化學的連續(xù)環(huán)管溶液聚合工藝、??松梨诘慕^熱連續(xù)溶液聚合工藝以及NOVA的Sclairtech 中壓溶液聚合工藝。此外,巴斯夫、北歐化工、住友化學、利安德巴塞爾、LG化學以及三井化學等公司均有烯烴高溫溶液聚合的催化劑專利。其中用于POE生產的主流工藝是陶氏化學的Insite TM工藝和??松梨诘腅xxpol TM工藝。

        3.3 我國POE 產能規(guī)劃

        目前我國多家企業(yè)正在積極布局POE 項目,總規(guī)劃產能240萬噸/年,且大部分企業(yè)配套了相關α–烯烴生產裝置,但基本均處于中試或更早期階段,預計最早2024年可實現(xiàn)POE國產化(見表3)。值得一提的是,中國石化茂名石化是我國首家具有POE 成套自主知識產權的技術專利商,其中包括國產茂金屬催化劑和溶液聚合技術;此外,盛虹石化的全資子公司斯爾邦石化投資建設的800噸/年POE中試裝置成功實現(xiàn)了POE催化劑及全套生產技術完全自主化。

        表3 我國POE 產能規(guī)劃及進展 萬噸/年

        4 POE 產品價格分析及預測

        2018年以來,隨著光伏旺盛的裝機需求以及原材料漲價潮,我國POE價格經歷了一輪大幅上漲,從1.5 萬元/噸漲到2021 年的2.0 萬元/噸以上,當前POE 價格在2.4 萬~2.5 萬元/噸,處于2018年以來的較高位(見圖3);但預期隨著我國大宗產品市場的調整和后期國內大量POE產能的釋放,POE 價格有望在2024 年前后回調。預計2025年將會降到2019年的1.7萬元/噸水平。隨著我國POE 產能量產,預計2026 年后POE 價格進一步降低,在1.3萬~1.5萬元/噸波動。

        圖3 我國POE 價格及預測

        目前在高分子材料領域,POE 的銷售和生產都屬于較高的利潤水平。按照行業(yè)主流的POE生產利潤粗略來看,行業(yè)主流的貿易商銷售利潤率超過25%,銷售利潤超過4 000元/噸;行業(yè)主流的生產利潤率超過40%,生產利潤超過7 000 元/噸。市面上POE 以乙烯與1–辛烯的共聚物為主。自產1–辛烯的POE生產成本約1.1萬元/噸,因此產業(yè)鏈一體化是POE降本的關鍵,也是本土企業(yè)相對海外形成成本優(yōu)勢的關鍵。

        5 未來展望與建議

        從市場層面分析,目前我國POE的應用領域還未能完全體現(xiàn)其性能優(yōu)勢,建議關注POE在建筑、新能源甚至是航空航天等領域的應用和拓展,充分發(fā)揮其優(yōu)勢,為其挖掘更大的市場空間。

        從供應層面分析,對于企業(yè)而言,近幾年產能加速布局導致競爭格局愈來愈激烈,建議以市場需求為導向,讓消費者成為研發(fā)的指南針,盡量將產品向著高端化、差異化、多元化方向發(fā)展,規(guī)避產品出現(xiàn)產能過?;蛘弑惶娲娘L險。

        茂金屬聚烯烴聚合工藝具有更高的靈活性和可控性,被廣泛應用于通用塑料、彈性體和工程塑料等市場。從生產技術層面分析,茂金屬催化劑的制備技術,不僅是POE的生產壁壘,同時更是實現(xiàn)高端產品國產化的重要突破口。建議在茂金屬催化劑方面,加大研發(fā)及投資力度,盡快攻破國外長期對橋聯(lián)半茂金屬等催化劑的技術封鎖,實現(xiàn)全產業(yè)鏈的自主可控;在此基礎之上,與國外產品對標,保證產品質量的穩(wěn)定性,提高產品競爭力,進而助力我國化工板塊快速步入高質量發(fā)展軌道。

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