【行业】超高分子量聚乙烯行业分析框架(34页)

超高分子量聚乙烯是一种线性结构的具有优良综合性能的工程塑料。UHMWPE分子链很长,沿同一方向排列,相互缠绕,通过强化分子之间的相互作用,较长的分子链能够更有效地将载荷传递给主链,所以UHMWPE具有很高的比模量和比强度。UHMWPE耐磨性位居塑料之首比碳钢、黄铜还耐磨数倍,其耐磨性能是普通聚乙烯的数十倍以上,而且随着分子量的增加,其耐磨性能也会进一步提高。摩擦系数也比其它工程塑料小,可以与聚四氟乙烯相媲美,是理想的润滑材料,由于其良好的耐磨性能和润滑性能,UHMWPE在人工关节方面得到了广泛应用。UHMWPE具有优良的抗水性能,几乎不吸水,其吸水率在工程塑料中是最小的。UHMWPE耐冲击性能也是目前工程塑料中最高的,比以耐冲击性能著称的聚碳酸酯还要高3~5倍。由于UHMWPE分子结构以直链为主,具有超拉伸取向必备的结构特征,其拉伸强度高达3~3.5GPa,拉伸弹性模量高达100~125GPa。UHMWPE还具有优良耐化学药品性,在一定温度、浓度范围内能耐各种腐蚀性介质及有机溶剂。优良的耐低温性能,在冰点以下也具有良好的冲击强度,最低使用温度可以达到-269℃。另外,UHMWPE还具有良好的不粘性、无毒、优良的电气绝缘性能、比HDPE更好的耐疲劳性及耐γ-射线能力等。

超高分子量聚乙烯技术壁垒——催化剂。催化剂是UHMWPE生产工艺的核心。乙烯的聚合主要受聚合温度、压力、催化剂组成及用量、外给电子体和氢气的影响,催化剂是聚合技术的核心,对聚合产物平均分子量、分子量分布、堆密度、结晶度以及颗粒的大小和形态都有着重要影响。经过半个多世纪的发展,催化剂的性能和制备技术都得到了迅速地发展,目前主要的UHMWPE催化剂有Ziegler-Natta(Z-N)催化剂、茂金属催化剂和非茂过渡金属催化剂。Ø Z-N催化剂是目前唯一工业化应用的催化剂。Z-N催化剂具有制备简单、成本低、对杂质敏感性低等优点,是目前国内外工业化制备UHMWPE应用最多的催化剂,细分产品品种很多,但也存在共聚能力欠佳、所得聚合物分子量分布较宽,影响树脂的力学性能提升等问题。茂金属催化剂的催化活性更高,能够制备窄分子量分布的聚合物,从而赋予产品更高的力学性能,但受限于所制备的聚乙烯分子量偏低、成本高等缺陷目前还未有茂金属催化剂用于工业化生产UHMWPE的报道。非茂过渡金属催化剂目前已在实验室规模取得一定突破,但核心的负载化过程还未解决,距离批量应用还有一段距离。目前,美国Celanese、日本三井油化、巴西Braskem、荷兰DSM、韩国油化等国际公司以及包括上海化工研究院有限公司在内的国内树脂生产企业均采用Z-N催化剂为主生产UHMWPE树脂。

超高分子量聚乙烯下游概况——纤维和电池隔膜是需求主力。现阶段纤维是超高分子量聚乙烯最大消费领域。据中国化信-咨询,2021年我国超高分子量聚乙烯总消费量为18.8万吨,同比增长19%,主要增长来源为纤维和电池隔膜产品。超高分子量聚乙烯纤维是2021年最大的下游应用领域,占比31%;电池隔膜、板材和工业管材分别占比28%、22%和15%。同年,我国电池隔膜出货量同比增长超110%,且未来五年,预计储能电池与动力电池仍将保持迅猛增势,将进一步推动电池隔膜成为超高分子量聚乙烯最重要的增长领域。电池隔膜有望成为超高分子量聚乙烯最大消费领域。据中国化信-咨询预测,预计到2026年,超高分子量聚乙烯树脂总消费量将达41.2万吨,CAGR为17%,其中纤维和电池隔膜总消费量占比将达四分之三。

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