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1、环氧树脂行业基本情况:
(1)环氧树脂简介:环氧树脂是泛指含有两个或两个以上环氧基团的高分子化合物,其分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为特征,主要由环氧氯丙烷和双酚A等缩聚而成,这种特殊结构使它们可与多种类型的固化剂发生化学反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物,并由此成为先进复合材料中应用最广泛的树脂体系。
环氧树脂具有力学性能高、电性能强、分子结构致密、粘接性能优异、固化收缩率小(产品尺寸稳定、抗开裂性强)、绝缘性能好、防腐性能高、稳定性能优异、耐热性强等特点,因而被广泛应用于风电叶片、电子封装、粉末涂料等各个领域。
从产业链来看,应用型环氧树脂的上游产品主要是基础环氧树脂。中游是应用型环氧树脂产品生产商。环氧树脂下游产品(应用领域)主要是风电叶片、电子封装、LED封装、汽车轻量化、工程运动器械等。
风电叶片是环氧树脂的重要应用领域,从产业链上看,风电叶片专用环氧树脂的上游为基础环氧树脂及相应辅料,中游为风电叶片专用环氧树脂生产商,下游为风电整机厂商以及风电叶片厂商,其中风电叶片厂商向上游采购风电叶片用环氧树脂生产风电叶片提供给风电整机厂商。风电叶片专用环氧树脂生产商的产品在风电整机厂商和风电叶片厂商之间得到进一步流通,所以对风电厂商的渗透率较高。
中金企信国际咨询公布的《2021-2027年中国环氧树脂行业市场研究及投资战略预测报告》
(2)环氧树脂深加工:
①环氧树脂深加工定义:环氧树脂在加入固化剂及其他辅助材料进行深加工后,能成为更具实用价值的固化物。环氧树脂深加工指的是为适应不同产品的要求,采用各种基础环氧树脂与固化剂进行配方设计,在一定的固化温度、固化时间和工艺条件下,由预聚体转变为空间三维网状立体结构,形成不溶、不熔的高聚合物(通常称之为固化物)的过程。不同配方、不同工艺条件下形成的应用型环氧树脂具有不同的性能指标。
②固化剂对环氧树脂固化物性能的影响:从化学反应角度上来说,固化反应是将环氧树脂和固化剂所具有的化学结构连接起来,因而固化物的性能不仅仅取决于环氧树脂本身,固化剂的种类和结构对最终固化物的性能也起着重要作用。固化剂种类繁多,按其结构主要分为胺类固化剂、有机酸酐类固化剂、咪唑类固化剂三大类:
A、胺类固化剂:按照胺类固化剂中胺的类别,可以分为①单一多元胺;其中又可以细分为脂肪族多元胺、聚酰胺多元胺、脂环族多元胺、芳香族多元胺等其他品种。②改性多元胺;包括环氧化合物加成多胺、曼尼斯加成多胺和酮类封闭型多胺等。
B、酸酐类固化剂:相对于胺类固化剂,用酸酐固化的环氧树脂具有色淡、耐热性好、电气性能优良、固化时释放的热量小、挥发性小、固化后收缩率较低等特点。由于上述优点,酸酐类固化剂的品种和用量都仅次于胺类固化剂。
C、咪唑类固化剂:咪唑类固化剂和胺类固化剂一样,都属于碱性固化剂,咪唑类固化剂可以在中温下固化环氧树脂而得到机械性能优异的固化物。环氧树脂可用于多个领域,各个领域对环氧树脂的性能要求也不一样:
③环氧树脂的改性:随着科学技术的不断进步,环氧树脂的应用领域不断被扩大,很多场合都对环氧树脂的性能提出了更加苛刻的要求。为了满足市场的需求,就必须对环氧树脂进行改性。对环氧树脂的改性目前主要集中在阻燃和增韧等方面。改性的原理主要有物理法和化学法。物理法主要是采用加入新的物质和环氧树脂共混,从而改善固化物的性能。而化学法主要是通过化学反应向固化物中引入新的结构,从而改善固化物的性能。
A、环氧树脂的阻燃改性:通用型环氧树脂的阻燃性能较差,它的极限氧指数很低(只有19.8),通常条件下易燃。由此可见,必须对其进行阻燃改性,才能拓宽环氧树脂的应用范围。通常用物理阻燃法和化学阻燃法两种方法来对环氧树脂进行阻燃改性。
B、环氧树脂增韧改性:环氧树脂己经成为了最重要的热固性树脂,其之所以被广泛应用于许多领域,是因为它拥有优良的耐热性、电绝缘性、粘接性、耐水性、机械性能和耐化学药品性。然而环氧树脂自身也存在着很多的性能缺陷,例如其固化物内应力大、质脆、耐冲击性和耐湿性差等。环氧树脂在某些特定的高技术领域的应用范围在不同程度上被这些不良特性所限制。因此,目前增韧改性通用型环氧树脂是环氧树脂研究的热点问题之一。
目前,对环氧树脂的增韧改性主要有以下三种途径增韧:(a)向环氧树脂基体中加入橡胶弹性体、热塑性树脂或液晶聚合物等作为分散相增韧;(b)形成半互穿或互穿的网络结构于环氧树脂网络中,从而达到增韧的目的;(c)用化学合成的方法来制备含有柔性链段的环氧树脂或者含有柔性链段的固化剂来固化环氧树脂。
(3)环氧树脂发展现状:由于环氧树脂的粘接强度高、功能多样、无溶剂环保、电绝缘性能及耐老化性能优异,因此在风电、汽车、化工、轻工、电子电器、航空航天和粉末涂装等领域得到广泛的应用。这些下游行业对环氧树脂的市场需求量保持稳步的增长。环氧树脂的研发与生产由德国始于20世纪30年代,发展至今已有80多年,产品品种、质量及其应用都已进入成熟阶段。根据中国石油和化工大数据中心推出的《中国石油和化工大宗产品报告》(2021版)之环氧树脂篇,2020年世界环氧树脂生产能力约为470万吨/年,产能在全球分布主要集中在中、日、欧三个地区,另有部分还分布在韩国、美国、台湾地区、泰国、南非等地区,截至2020年底,中国环氧树脂产能超过200万吨/年,产能占世界总产能的比重超40%。
在环氧树脂消费结构中,美国和西欧在涂料领域用量最大;日本电子电气消费占首位,涂料则占第二位;中国粉末涂料占首位。环氧树脂需求的增长主要受下游电子电器、涂料和风电叶片消费增长的驱动,这些下游需求变化直接影响环氧树脂的消费情况。我国自1958年工业化生产以来,环氧树脂产量逐年递增。改革开放以后,有两大标志性工程,首先是1985年,中石化岳阳石化总厂环氧树脂厂从日本引进了年产3,000吨高纯环氧树脂装置生产技术,并于1988年建成投产,这是中国引进的第一套先进环氧树脂生产装置。其次是1990年,江苏省无锡市树脂厂从德国引进年产3,000吨电子级环氧树脂装置建成投产,促使中国环氧树脂产业实现飞跃式发展。
改革开放40多年,中国环氧树脂行业通过“走出去”、“引进来”,使得中国环氧树脂行业获得长足发展。一方面是全球产业转移使得电子、船舶、风电叶片等下游行业都转移到中国生产,拉动了对环氧树脂的需求;另一方面,国内企业生产产品的质量在不断提高,与国外企业相比逐渐具备比较优势。2020年,我国环氧树脂表观消费量接近170万吨。
2017-2020年中国环氧树脂表观消费量现状分析
数据统计:中金企信国际咨询
受新冠疫情影响,2020年我国环氧树脂的总产量为133.3万吨,相比2019年稍有回调,预计随着疫情影响逐渐衰减,环氧树脂总产量将会延续上行趋势。
2014-2020年中国环氧树脂产量现状分析
数据统计:中金企信国际咨询
(4)环氧树脂市场竞争格局:我国虽然已经成为世界最大的基础环氧树脂生产与消费国,但我国基础环氧树脂生产厂商发展较先进国家晚了几十年,因此目前中国大陆基础环氧树脂生产厂商的产能与全球行业龙头相比仍然有差距。与发达国家相比,我国环氧树脂行业分散偏多,行业集中度相对较低,行业内尚没有具有绝对规模优势的生产厂商,而发达国家各国的环氧树脂生产厂家一般为几家或十几家,行业集中度较高。
另外,随着环氧树脂应用技术的发展,对环氧树脂的性能、物理指标等提出了更高的要求,环氧树脂的生产技术、产品质量及技术服务也在不断地提高。但国内环氧树脂生产企业大多研发能力较低,投入产品开发的资金很少,导致环氧树脂品种单一,绝大部分为常规环氧树脂,其他功能性环氧树脂很少,总体质量距国际水平有一定差距。
目前,普通通用型环氧树脂占国内环氧树脂总产量的绝大部分,高端应用型环氧树脂的比例较小,这造成国内市场上一方面普通通用型环氧树脂供大于求,竞争激烈,产能利用率不高;另一方面电子元件封装专用、覆铜板专用、功能性粉末涂料、电工浇铸和汽车底漆等对适用性、稳定性要求较高的高端应用型环氧树脂供不应求,大量依赖进口,国内企业需要面对来自国际环氧树脂企业的强烈冲击。环氧树脂的发展,生产将趋向集中、规范、环保,产品将趋向系列化、功能化、多样化发展,要能迅速、及时地满足客户应用场景特定的需求,能根据客户新的应用领域、新的技术路线持续性地进行配方、材料的开发和研发,强化特种树脂和配套助剂的开发。
对于风电叶片用基体树脂和胶粘剂,由于产品具有较高的客户壁垒和认证要求,能够进入该领域的企业较少,风电叶片用基体树脂和胶粘剂领域一度被国外企业长期垄断。经过多年的发展和技术追赶,国内企业基本上已能提供符合风电叶片性能要求的产品。与国外产品相比,国产树脂和胶粘剂在拉伸、抗冲击和剪
切等关键性能上与国外产品相当,在工艺操作性能和服务响应上有一定的优势,国产产品可以替代国外产品,具有竞争优势,能有效降低风电叶片的成本。
在电子封装用环氧树脂领域,环氧树脂由于其良好的耐热性、耐化学腐蚀、优良的电性能、机械性能及较好的加工性能而被应用于电子封装材料领域。电子用环氧树脂领域由于进入门槛较低,因此行业内企业数量比风电环氧树脂领域企业数量更多,市场集中度更低,行业内尚没有具有绝对规模优势的生产厂商。但由于电子封装应用场景、应用部位非常广泛,不同场景、不同部位对产品的性能要求也略有不同,因而形成在不同应用场景、不同部位往往有数家企业具有较为明显的竞争优势。随着行业的整合,电子用环氧树脂领域的集中度将随之提高。
今后应用型环氧树脂企业的发展会出现“专、精、新”的特点。“专”就是专业生产某个系列的产品,企业虽整体规模不大但在某个领域或某个系列产品的生产规模大、在该领域或该系列方面具有优势;“精”就是在某个领域的技术或管理上具有领先优势,企业虽规模不大但有很强的竞争力;“新”就是在新领域、新产品上有研发优势,以新领域、新产品带领企业成长。
中金企信国际咨询公布的《2021-2027年中国风电叶片用环氧树脂行业市场调查研究及投资潜力预测报告》
2、应用型环氧树脂基本情况:
(1)风电叶片用环氧树脂:风电叶片用环氧树脂是用于风电叶片制造的应用型环氧树脂,由基础环氧树脂与固化剂、助剂、稀释剂等深加工制成,其特点是与玻璃纤维、碳纤维具有良好的浸润性,同时具备低粘度、机械性能好等特性,工艺操作性与耐热性优异,与增强材料复合后具有优异的力学性能和耐疲劳性能。
风力发电机组包含电机、叶片、变速箱、控制系统、支柱、塔架等六个板块,其中风电叶片是风力发电机组最基础和最关键的部件,风电叶片的好坏直接影响风力发电机组的效率、寿命和性能。风电叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,从结构上可分为四个部分:A、叶根-材料--般为金属结构;B、蒙皮-般为玻璃钢;C、主梁--般为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料;D、腹板。
风电叶片用环氧树脂是风电叶片的重要组成部分,每台发电机一般有三支叶片,叶片长度越长,使用的树脂越多,对树脂在力学性能上的要求也越高。风电叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电装置的性能和功率,也决定着其电力成本及价格。风电叶片占风力发电整个装置成本的20%左右,制造叶片的材料工艺对其成本有决定性影响。因此材料的选择、制备工艺的优化对风电叶片十分重要。
真空灌注树脂系列,常温下具有较低的混合粘度、较长的可操作时间、良好的低温操作性,对于玻璃纤维和碳纤维及其织物具有优秀的浸润性,其固化物具有优异的力学性能和尺寸稳定性,适用于真空灌注工艺生产制作大型复合材料零部件及产品,特别适用于兆瓦级风电叶片的灌注生产。
手糊树脂系列,常温下具有较低的混合粘度、较快的反应速度、适当的可操作时间、良好的抗流挂效果,同时低温或常温下对玻璃纤维和碳纤维及其织物具有良好的浸润性,固化物具有较高的硬度和耐热性能等特性,适用于风电叶片的包边与修补。
模具树脂系列,常温下具有较低的混合粘度、较长的可操作时间,对玻璃纤维和碳纤维及其织物具有良好的浸润性,同时其固化物具有Tg值较高、固化收缩率低、力学性能优异等特性,适用于风电叶片模具的生产。
(2)电子封装用环氧树脂:
①电子器件封装领域:封装是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求合理布置、组装、键合、连接、与环境隔离和保护等的操作工艺,以防止水分、尘埃及有害气体对电子器件或集成电路的侵入,减缓震动,防止外力损伤和稳定元件,同时将电子元器件运行时产生的热量及时散发出去。
电子元器件是电子工业的基础,随着电子技术的发展,其运行速度越来越快,执行的任务也越来越多,电路的集成化程度不断提高,如果运行时产生的热量不能及时散发,会影响电器的性能稳定性和使用寿命,而封装技术对于保证电子元器件的正常工作是至关重要的。而且无论是分立器件,还是大规模集成电路、超大规模集成电路等半导体元器件,为了免受灰尘、水分、冲击、振动和化学物质等外界因素的干扰,保证元器件的正常工作,通常都要进行封装绝缘保护。
最早用于封装的材料是陶瓷和金属材料,电路密度和功能的不断提高对封技术提出了更多更高的要求,封装技术的发展促进了封装材料的发展,如今封装材料已从过去的金属和陶瓷封装为主转向以塑料封装为主。塑料封装材料主要以环氧树脂为主,环氧树脂封装材料由环氧树脂、固化剂、固化促进剂、无机填料、脱模机、着色剂等十几种组份配置而成,其中环氧树脂是主要组份。
环氧树脂之所以被用作电子器件和集成电路的封装材料,是因为具备以下特性:
A、环氧树脂与固化剂反应属于加成聚合,一般来讲收缩率较小,没有副产物;
B、环氧树脂固化后的产物具有优良的耐热性、电绝缘性、密着性和介电性,能满足电子、电气的要求。
C、配方中选择不同的固化剂和固化促进剂,可以制备各种性能的封装材料,以满足器件和集成电路的不同要求。
②蓄电池领域:蓄电池专用环氧树脂密封胶主要应用于铅酸免维护蓄电池的槽盖粘接与极柱密封,分为中盖胶和极柱胶。中盖胶又称槽盖胶、密封胶、封盖胶,用于蓄电池槽盖与电池壳之间的粘接密封;极柱胶又称红黑胶、红蓝胶、端子胶、标示胶、标识胶,用于蓄电池端子正负极的密封标示。蓄电池壳盖之间的密封是整个电池密封的关键,这主要是由于电池壳盖之间接触面积大,形状复杂,胶层直接与酸气、酸液接触,同时又常常受到外力碰撞,因此壳盖间很容易出现漏气、漏液现象,为了保证在使用过程中槽盖与蓄电池壳体之间粘接牢固,中盖胶应具有良好的粘接性、耐酸性。
提高蓄电池的粘接密封性能与使用蓄电池密封胶是分不开的,因此在使用过程中应该严格按照密封胶的使用说明进行,在具体的操作过程中,蓄电池粘接表面的状况及环氧树脂胶水的配比、固化温度、灌胶工艺等方面是否正确处理对于胶水最终达到的粘接性能有直接的影响。
③LED封装:LED是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器材,作为重要的电子
元器件,广泛应用于照明、广告灯、指引灯、屏幕等众多领域。LED器件的封装是LED应用的关键技术之一,是采用填充、灌封或模压的方式将液体胶料灌入装有电子元件和线路的器件内,在常温或加压条件下固化成具有高透光率、高折光率、高耐候性、抗紫外辐射的物理性能优异的高分子绝缘材料。目前普遍使用的封装材料为环氧树脂和有机硅材料。
出于对电子产品显示度、对比度以及轻薄的更高要求,MiniLED应用而生。MiniLED是指芯片尺寸介于50~200μm之间的LED器件,相较于传统的LED,MiniLED背光能够实现更加均匀的混光,并且也不必借助透镜进行二次光学设计,加上MiniLED芯片结构更小,有利于将调光分区数(LocalDimmingZones)设计得更加精细化,因此,显示设备可轻松实现更高的动态范围(HDR),达到更高的对比度。同样是得益于MiniLED的体积更小,能降低显示设备的整体厚度,从而达到超薄化的目的。未来,MiniLED可以为更多品牌提供更加优质的面板选择,具有节能、轻薄化、宽色域、超高对比度、精细动态分区等优点,MiniLED的大市场已经有了初步的雏形,未来拥有无限空间。而MiniLED需要配套新的封装材料,与MiniLED适配的封装材料在快速固化成型、低应力、低膨胀等性能上有更高要求。
中金企信国际咨询公布的《2021-2027年中国粉末涂料行业市场发展深度调查及投资战略可行性报告》
(3)粉末涂料:
①粉末涂料概述:粉末涂料是由固体树脂和颜料、填料及助剂等组成的固体粉末状合成树脂涂料。与一般传统涂料相比较,粉末涂料具有完全不含有溶剂、100%为固体粉末状的特点,该涂料的存在状态主要是以微细粉末为主,不使用有机溶剂,因此被称为粉末涂料。粉末涂料具有无溶剂、无污染、可回收、环保、节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械强度高等特点,生产工艺和施工工艺都十分简单,是传统溶剂型涂料的替代品。
粉末涂料主要由热塑性粉末涂料和热固性粉末涂料两大类组成,其中热塑类粉末涂料是指在施工过程中不起交联反应的粉末涂料,由热塑性树脂、颜料、填料、增塑剂和稳定剂等成分组成,应用较为广泛的有聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚氯乙烯、氯化聚醚、聚酰胺系、纤维素系、聚酯系;相对于热塑性粉末涂料,热固性粉末涂料是由分子量小的粉末涂料树脂,在加热条件下,与固化剂发生交联反应,才能得到性能良好的涂膜,热固性粉末涂料由热固性树脂、固化剂、颜料、填料和助剂等组成,目前市场上主要集中热固性粉末品种有环氧树脂系、聚酯系、丙烯酸树脂系。
环氧粉末涂料是一种具有耐腐蚀性和坚韧性的热固性粉末涂料,除具有一般粉末涂料的优点外,还具有固化时无副产物生成,涂膜外观平整,与金属底材附着力好,耐划伤,有极好的电绝缘性和较好的“三防”性能,粉末涂料本身也易于保管等诸多优点,在使用过程中效果良好。
②粉末涂料的优势:
A、降低环境污染:随着环保法令对在大气层中有机挥发物(VOC)含量的规定越来越严格,粉末涂料的环保优势逐渐凸显。粉末涂料不使用有机溶剂、水等挥发性溶剂,因此粉末涂料为无机溶剂型涂料,大大减少了因溶剂而产生的安全隐患。粉末涂料是100%的固体粉末状的涂料,完全可采用全自动喷涂,过量或超喷的粉末涂料,可经由回收系统装置而达到回收再利用的目的,因此粉末涂料几乎可达百分之百的使用率,没有废弃物处理问题。
B、节约能源:粉末涂料不会造成挥发物挥发至大气层中,大大降低了能源的使用;一次喷涂即可得厚膜,不必重复喷涂,也不必打底漆;涂装设备中不需要静止时间,可节省设备空间;烘烤时间较短,可降低燃料能源,缩短涂装作业线,提高产能,促进整体生产的效率化。
C、经济可观:粉末涂料可满足多个领域的防腐、装饰等需求,并且喷粉利用率高;另外,同厚度的漆膜,粉末涂装的面积比传统溶剂多出一倍以上,粉末涂料价格与传统涂料相比也具有明显的优势;静电原理喷涂,涂装设备可达到全自动化,节省人力资源。这无疑能给粉末涂料行业带来可观的经济效益。
(4)有机硅树脂:
①电子工业硅胶:电子工业硅胶是一种新型的材料,其拥有良好的介电绝缘性能、卓越的耐候性、抗臭氧及抗紫外线性、良好的化学稳定性、环保,大范围的使用温度、优异的润湿性能,消除应力和良好的抗震性能。电子工业硅胶市场的发展十分明朗,近年来被广泛应用于电器、照明灯具、电子元器件、汽车等领域。
②纺织品硅胶:有机硅树脂除具有优异的耐温性能、耐气候性、良好的拒水性能和耐腐蚀性能外,还具有非常好的电绝缘性、压缩弹性及振动吸收能力,这些优良的性能使有机硅树脂在纺织品领域中被广泛应用。在纺织领域,有机硅树脂在三大类纺织产品中均可被应用,有机硅树脂已经成为纺织行业重要的生产原料。目前,纺织品硅胶主要用于织物的涂层、印花、装饰。