(1)含氟高分子材料特性
含氟高分子材料是含氟原子的单体通过均聚或共聚反应而得,由于 C-F 键极短、键能极高,含氟高分子材料相较于一般聚合物产品(如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯)具有优异的物理和化学性能,具体如下:
1)耐高温性能
含氟高分子材料具有难燃性和优异的耐热性。例如,PTFE 和 PFA 的连续使用温度可达 260℃,短期可在 300℃下使用,FEP的使用温度可达 200℃。
2)耐酸碱性和耐溶剂性
含氟高分子材料具有卓越的耐酸碱性和耐溶剂性,尤其是 PTFE、PFA、FEP等,酸、碱溶剂对它们均无浸蚀。
3)电性能
含氟高分子材料的电性能各有特色,全氟化的高分子材料介电性能尤其是高频介电性能远超其他材料。其分子的极性很低,在很宽的温度、频率区间变化都很小、相对介电常数稳定、介电损耗很低,电绝缘性优异。另外 PVDF 具有特异的压电性和焦电性,可用来制造压电材料。
4)机械性能
含氟高分子材料在高低温环境中有比较好的机械性能,通过增加其分子结构中的氢原子可以进一步提升其机械性能。PTFE 和 PCTFE 的脆化温度极低,显示出极好的低温性能,PTFE 具有较低的摩擦系数和特异的自润滑性。
5)不粘性
含氟高分子材料具有特异的不粘性。尤其像 PTFE、FEP、PFA、PVDF 等分子中氟含量高,表面接触角非常大,使相关制品表面上的液体成球状,不易与树脂粘接,故常用它制造炊具表面的不粘涂层、具有自清洁功能的建筑物外墙。
6)耐候性
各品种的含氟高分子材料都有优异的耐候性,即使在苛刻的温度下长期曝晒,其各种性能都不易变化。
7)憎水性
含氟高分子材料的吸水率低,尤以 PTFE 为甚。可利用它的憎水性制造透气不透水的复合织物和其他装备。
由于在上述方面的表现优良,含氟高分子材料被广泛应用于通信、新能源、电子电器、航空航天、机械、纺织、建筑、医药、汽车等领域。
含氟高分子材料结构复杂、种类繁多、用途广泛,目前使用中的含氟高分子材料主要品种有:聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟橡胶(FKM)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚氟乙烯(PVF)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯-六氟乙烯-偏氟乙烯共聚物(THV)和四氟乙烯-六氟丙烯-三氟乙烯共聚物(TFB)等。其中,PTFE、PVDF、FEP是含氟高分子材料最主要的产品,占据全球约 90%的含氟高分子材料市场。
(2)主要含氟高分子材料产品介绍
1)聚四氟乙烯(PTFE)
PTFE是应用最广泛的氟材料,占据超过 50%的含氟高分子材料市场,主要产品包括悬浮树脂、分散树脂和浓缩分散液。PTFE 是由四氟乙烯单体聚合而成的聚合物,具有优异的化学稳定性、耐高低温性、不粘性、润滑性、电绝缘性、耐老化性、抗辐射性等特点。
PTFE 最早为国防和尖端技术需要而开发,而后逐渐推广到民用,目前该材料的应用已从最初的核工业、核能工程、航空、航天、舰艇、军工等领域扩大到石油、化工、机械、电子电器、建筑、纺织、医学、印刷、防腐、涂覆等各个领域。
2)聚全氟乙丙烯(FEP)
FEP 是四氟乙烯和六氟丙烯的结晶聚合物,其中 HFP 含量约 18%左右,是PTFE 的改性材料。FEP 具有优良的耐候性,摩擦系数较低,适用于氟塑料所能应用的各个领域,可制成用于挤塑和模塑的粒状品,用作滚塑和喷涂的粉末,也可制成用于浸渍和涂覆的水分散液。
FEP 既具有与 PTFE 相似的特性,又具有热塑性塑料的良好加工性能,因而它弥补了 PTFE 加工困难的不足,使其成为在部分领域代替 PTFE 的材料,在电线电缆生产中广泛应用于高温高频下使用的电子设备传输电线、电子计算机内部的连接线、航空航天用电线及其特种用途安装线、油泵电缆和潜油电机绕组线的绝缘层。
起初我国 FEP 主要依靠进口,随着我国 FEP 生产技术日益成熟,国产 FEP产品市场份额不断提高。目前,在发达国家建筑物的信息传输电线电缆中,FEP 电缆的使用率已占多数。随着 FEP 在中国及其他发展中国家的快速普及,市场容量将快速增长。根据前瞻产业研究院数据,我国 FEP 产量由 2013 年的0.56万吨增长至 2020年的 2.3 万吨,复合增速为 22.36%。
3)聚偏氟乙烯(PVDF)
聚偏氟乙烯树脂(PVDF)是一种半结晶性含氟聚合物,具有良好的机械强度、化学稳定性、电化学稳定性、热稳定性和对电解液良好的亲和性,广泛应用于锂电池、光伏、涂料、注塑、水处理膜等领域,其中涂料和注塑是传统应用领域,而锂电池和光伏是其新兴领域需求。
锂电应用方面,PVDF 主要用于锂电池的正极粘结剂、隔膜涂层等,其中粘结剂对纯度、柔韧性、粘结力等性质都有着极为严格的要求,只有电池级高端的 PVDF 才能满足需求。根据开源证券预测,到 2025年,电池级 PVDF 的市场需求规模将达 5.77 万吨,PVDF 总需求规模将达 11.88 万吨。
根据产业在线的统计数据,2018–2020 年,PVDF(锂电池粘结剂)市场价格走势平缓。2021 年由于锂电需求旺盛,电池级高端的 PVDF 供应紧张,导致PVDF(锂电池粘结剂)价格持续上涨,产品价格持续创造新高。
(3)含氟高分子材料的供给、需求情况
1)含氟高分子材料的供给情况
①含氟高分子材料技术壁垒较高,国内高端产品产能不足,高性能产品对外依赖度高
考虑到上游原料需求、高精度设备要求、技术壁垒等多方面因素,导致国内生产含氟高分子材料的企业均为氟化工一体化程度较高的行业龙头,中高端市场也处于供给较为紧张状态,具体原因如下:
含氟高分子材料均由氟单体聚合而来,但市场上氟单体的供应商很少,大部分氟单体由制冷剂作为原料生产自给。氟单体四氟乙烯(TFE)为合成聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)的原料,由于其在常温下为气态,且有毒性,运输非常困难,提供该生产原料供应的产商较少,均为厂商自给。因此,国内大多数相关生产企业均需从制冷剂 HCFC-22 开始生产四氟乙烯(TFE),再进一步生产得到六氟丙烯(HFP),最终聚合产生含氟高分子材料,生产流程较长。
同时,由于国内企业对于含氟高分子材料研究起点比较低,很多技术还不成熟,所以对于我国氟化工产业来说中高端含氟高分子材料产品的生产并非易事。因为氟化物的腐蚀性强,存在一定的安全隐患,对加工设备的金属材质要
求较高,也需要经验丰富、技术过硬的人员来操作。尤其是中高端含氟高分子材料产品,不仅需要企业具备相当长时间的技术积累,还需要配置高精度设备,历经较长时间尝试多条技术路线后才能形成成熟理想的制造工艺。
②受益于需求拉动,含氟高分子材料产量维持高速增长
近年来,受益于通讯电缆、局域网电缆、5G 网络基站、智能手机用导线等方面需求增长以及风电、环保、桥梁、建筑、半导体、新能源等行业的发展,我国含氟高分子材料主要产品产量总体实现了稳定较快增长。根据百川盈孚数据,2021 年中国主要含氟高分子材料及单体(FEP、PTFE、PVDF、HFP)产量为 20.98 万吨,同比增长 11%;其中 PTFE 产品总产能达 16.9 万吨/年,年产量 8.9 万吨,同比增长 5.9%;FEP 产品总产能达 2.63 万吨/年,年产量 1.8 万吨,同比增长 12.5%;PVDF 产品总产能达 7.85 万吨/年,年产量 5.68 万吨,同比增长 19.33%。
根据《中国氟化工产业发展白皮书(2022)》,2016 年以来,我国主要含氟高分子材料(PTFE、PVDF、FEP、FKM)的产量由 2016 年的 14.60 万吨增长至 2020 年的 27.60 万吨,年复合增长率为 13.58%。
2)含氟高分子材料的需求情况
由于含氟高分子材料具有很高的耐高低温性、耐化学腐蚀性、耐久性和耐候性,在新能源、半导体、通信、装备制造、电子电器、建筑纺织、汽车工业、航天航空工业和军工行业等国民经济的各个领域有广泛的应用,具体如下:
①通信行业
含氟高分子材料电绝缘性突出,在较宽的使用温度区间及频率范围内,具有低介电常数并有特别低的损耗因子,且在高温高压和强腐蚀的环境下也能保持它们的优异性能,特别适用于需要低衰减的数据传输电缆。随着 5G 的逐步推广,5G 基站的建设及 5G 通讯设备的普及将快速拉动相关含氟高分子材料的市场需求。
②新能源行业
随着全球对低碳环保的日益重视,光伏、风电等可持续新能源发展迅速,目前部分地区光伏已可实现平价上网。含氟高分子材料在光伏发电用封装膜及风电叶片涂料方面已成为主流应用材料,未来应用领域仍在持续拓展。
③航空航天等高端制造领域
随着航空航天工业的日益发展和对飞机性能要求的提高以及机载设备的更新,飞机等相关航空航天设备传送的信息量逐渐增加,在整个系统中起着“神经”、“血管”作用的传输线的性能要求也越来越高,其中电线电缆的应用除了考虑其电气性能、机械性能和化学性能外,还应综合考虑电网络匹配关系、抗干扰能力、载流量大小、使用环境、机械强度、电缆保护等因素,含氟高分子材料电缆具有轻量化、抗干扰以及优异的物理化学性能,在航天航空等高端制造产业中正在发挥越来越重要的作用。
④民用电线电缆
由于含氟高分子材料的耐高温及燃烧时无烟的特性,随着社会对消防及安全等因素的重视程度逐步提升,使用含氟高分子材料生产的电线电缆将在如高层建筑、历史建筑等领域替代传统 PVC、PE制成的电线电缆。
此外,目前家庭中信息传输用途的电线电缆也主要由 PVC、PE 制成,为增加其阻燃性,需要将其放在套管中。若使用耐高温的含氟高分子材料作为电信电缆的绝缘材料,则无需使用金属管。在局域网络的应用中,FEP 作为一种绝缘材料和电线护套材料已经得到广泛的应用,在发达国家建筑物的信息传输电线电缆中,FEP 电缆的使用率已经超过 70%。随着其在发展中国家的快速普及,该部分市场容量将快速增长。
⑤化工及环保行业
含氟高分子材料由于其耐高低温、耐化学腐蚀性、耐久性和耐候性等优异性能,在化工及环保领域的内衬、垫圈、密封材料、阻燃材料等方面有广泛的应用。
⑥汽车行业
含氟高分子材料在汽车领域的连接线和涂覆膜等方面已经有了一定的应用。随着电动汽车的推广和普及,具有优良电化学性能的含氟高分子材料将在动力电池领域得到更广泛的应用。
近年来国家正在推进加快新型基础设施建设的建设进度,具体包括 5G 基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域,相关领域与含氟高分子材料下游应用息息相关。该等政策将进一步拉动下游行业对含氟高分子材料的需求。
在上述因素的持续驱动下,预计未来含氟高分子材料市场需求将保持较快增长速度,其中技术含量高、生产工艺复杂的相关产品市场需求将实现更快的增速。
综上所述,在上述因素的持续驱动下,预计未来含氟高分子材料市场需求将保持较快增长速度,其中技术含量高、生产工艺复杂的相关产品市场需求将实现更快的增长。此外,我国高端含氟高分子材料也具备广阔的进口替代空间。