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1、EPTFE膜行业发展阶段、基本特点:ePTFE膜是一种新型高分子材料,具有微米或亚微米级的多孔立体网状微观结构,由PTFE树脂经拉伸、车削等特殊加工方法制成,在保持了PTFE优良化学性能的同时,通过改变材料的结构、形态、厚度、表面几何形状,然后搭配不同特性的辅助材料,从而实现不同的功能和用途。E PTFE膜具有高度化学稳定性、耐高低温、耐腐蚀、耐气候、高润滑、良好的不粘附性、电绝缘性、生物相容性佳等优良特性,是一种非常优秀的防水、防尘、透气材料。由于其在声、电、磁、热等方面拥有特殊性能,e PTFE膜及其组件已广泛应用在了汽车、消费电子、新能源、医疗、服装、工业过滤、航空航天等领域。
PTFE材料最早由化学家罗伊·普朗克特(Roy J.Plunkett)博士于1938年在杜邦位于美国新泽西州的Jackson实验室中意外发现,由于拥有抗酸抗碱、耐高温、摩擦系数低、电绝缘性良好等优良的特性,PTFE被广泛地应用于阀门、密封件、厨具等多个领域,曾经风靡一时的“特氟龙”(Teflon)不粘锅所使用的核心材料就是PTFE。
20世纪50年代末,就职于杜邦公司的Bill Gore敏锐的察觉到了计算机行业正在兴起,而PTFE作为计算机电缆绝缘材料具有很好的商机,成立了美国戈尔公司(W.L.Gore & Associate)。凭借着PTFE绝缘电缆,戈尔公司实现了飞速发展。1967年7月21日,戈尔电缆还在NASA阿波罗11号任务中登上月球。
1969年Bob Gore(Bill Gore的儿子)开始研究PTFE,试图进一步挖掘这种优秀高分子材料的潜能。Bob Gore尝试将PTFE进行拉伸,增加其中的空气含量,让材料更轻盈、更柔韧、更具成本效益。他对棒状PTFE加热,然后慢慢从两端拉伸,但棒条每次都会断开。一次偶然的实验中,Bob Gore对棒状PTFE做了一次加速拉伸,让他惊讶的是PTFE拉伸到了原始体积的十倍,并且膨体材料含有70%的空气并具有多孔结构,可以在其中填充辅助材料使其拥有更多神奇的特性,进而广泛地运用在各行各业。由此,美国戈尔公司发明了e PTFE材料,并在接下来的50年里将其应用到了9大门类上千种产品中,覆盖了汽车、电子、医疗、服装等众多行业。以下将从10个行业说明e PTFE膜在各个领域的具体应用情况:
(1)汽车行业:e PTFE膜具有极其紧密的网状微孔结构,孔径约为水滴的两万分之一,可阻隔大小低至1.0μm的微小水滴和污物颗粒,保证车灯、ECU、电机等不会受到异物的影响。与此同时,这些微孔比空气分子大700倍,可以让空气自由通过,从而实现调节车灯内和汽车电子设备壳体内空气湿度及气压的功能,使汽车电气设备不受外部恶劣环境影响,保持正常工作。
(2)新能源:在新能源发展中,e PTFE膜及其组件同样具有很大的发展前景,它可以作为驻极体材料,也可以作为质子交换膜燃料电池中的质子交换膜材料等使用。新能源动力锂电池方面,e PTFE膜可以作为电池包泄压阀的核心材料,装置在电池包上以避免电池发热导致气体膨胀使电池鼓包发生爆炸,在保障电池包内外部气体对流交换的前提下,又可以将粉尘、液体等污染物隔离在外。金属空气电池是一种新兴绿色能源,是传统电池的理想更新换代产品。金属空气电极属于气体扩散电极,由e PTFE膜、催化膜和集流体组成。E PTFE膜的主要作用是使空气中的氧气能够连
续扩散到发生电极反应的气液固三相界面上,并且防止电解质向外渗漏。使用优化后工艺制备的e PTFE膜,孔径分布更加均匀,可以显著降低空气电极极化现象。
(3)消费电子:2016年,苹果新款手机iPhone7和iPhone7Plus支持IP67防水,三星S7edge通过应用美国戈尔的e PTFE膜实现了最高等级IP68防水功能,手机防水功能由此开始受到行业的青睐。随后OPPO、vivo以及华为等国产手机厂商开始跟进,在其旗舰机型上推广防水功能,未来智能手机、智能可穿戴设备等产品防水功能将成为标准配置,e PTFE膜在该领域有很大的市场空间。
(4)电缆及其组件:电缆的应用环境十分多样、复杂。无论是在地面、地下、海洋、空中甚至太空,电缆都必须保证经久耐用,否则会对电力系统造成重大的影响。复杂多样的应用环境对电缆的机械性能、电性能以及环境耐受性能提出了极高的要求。E PTFE膜具有较低的介电常数,是电缆的理想绝缘材料。其独特的多孔结构可以使损耗和失真降至很低的水平,从而使信号可以以近光速的速度进行传输。不仅如此,e PTFE膜还具有良好的热稳定性、机械柔韧性和化学稳定性,可以保证电缆在严苛复杂的环境中稳定工作。
(5)医疗:e PTFE膜无毒、无致敏、无致癌等副作用可以广泛应用于医疗设备、器械及组织填充材料等领域。e PTFE膜具有特殊的微孔结构,人体组织细胞、血管可在其微孔中生长并形成组织连接,连接后的组织接近人体组织。这种组织生长愈合方式,从医学角度看优于传统的硅橡胶纤维包裹的组织愈合方式。随着技术的发展,e PTFE膜在整形手术填充、心脏瓣膜手术、小口径人工血管、创面覆盖材料方面已成功应用。e PTFE膜已成为医疗上重要的填充物,是目前生物组织替代品最为理想的材料之一。
(6)航空航天:e PTFE良好的防水透气性能,使得其在航天等高科技领域也逐渐受到关注和应用。神舟五号、神舟六号飞船为控制飞船湿度,使用的高效吸湿材料将空气中的水蒸气吸收转变为液体,储存在多孔材料中。为防止液体外泄,同时保证良好的水蒸气透过性,飞船采用e PTFE膜制成防护包装袋,对飞船湿度控制起到了重要作用。另外,在长期空间站的运行中,需要对废水等进行回收,采用e PTFE膜可以对回收的液体进行气液分离,通过水蒸气冷凝来得到净化水。
(7)水净化:e PTFE材料结构高度对称,不含活性基团,洁净度高,表面能低,表面不易润湿,疏水性强,只有进行特殊处理才能扩大其应用范围。随着国内外e PTFE表面改性研究的不断深入,通过等离子体处理、功能单体聚合、化学处理等处理方法,都能有效提高其湿润性和黏结性,以提高e PTFE膜的表面能,改善其亲水性。改性后的e PTFE膜可使水通过,而水中的微粒子悬浮物被分离,从而实现了在水净化领域的应用。2019年11月,工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019版)》,将高强度PTFE中空膜作为工业废水处理、海水淡化应用示范的重点新材料。
(8)除尘滤料: e PTFE结构高度对称,属于非极性高分子,表面能低。粉尘吸附是由分子间的作用力实现,包括取向力、诱导力和色散力。对于非极性的PTFE表面,不具备形成分子间取向力和诱导力的条件,只能形成较弱的色散力,粉尘不易吸附在PTFE材料上。因此,PTFE是除尘滤膜的理想材料。
(9)包装:e PTFE膜及其组件产品具有化学惰性佳、抗紫外线、不易燃、和耐高低温等优异性能,能适应各种环境气候变化而不影响其性能发挥。e PTFE膜及其组件产品可应用于工业化学品、农药、药品和液体包装上,保持压力平衡,避免在长途运输过程中因温度或气压变化使包装膨胀或凹陷而导致产品包装破损问题,同时避免灰尘、水和其他物质进入而影响产品品质。
(10)服装:随着科技的快速发展,功能性纺织品尤其是e PTFE纤维织物日益受到企业重视。e PTFE膜经过裂膜、纺纱、织造,与普通织物通过层压工艺复合后,可制成防水透湿层压织物,具有强度高、耐久性好、防水透湿、阻燃、抗紫外线、自洁性好等诸多优点。最初的e PTFE层压面料是由美国戈尔公司于1976年试制成功的,该面料突破一般防水面料不能透气的缺点,所以被誉为“世纪之布”。发展至今,美国戈尔出产的面料不仅用于登山、远足、滑雪等各项户外运动,还被广泛地应用于城市休闲服装,深受广大使用者的喜爱。
中金企信国际咨询公布的《2022-2028年中国EPTFE膜行业市场专项调研及投资前景可行性预测报告》
2、e PTFE技术现状分析:
(1)生产多种不同特性的 e PTFE 膜存在较高的工艺壁垒:由于 PTFE 材料具有耐高温、高润滑等特性,对其进行拉伸延展和加工具有较高的技术难度,最终产成品的良品率、质量水平难以控制。同时,加工形成特定微观孔隙结构的工艺技术难以掌握,部分特定的微观孔隙结构在改性、复合等加工环节容易被破坏而无法达到预期性能,因此生产过程中涉及到大量的实践技巧与理论知识,例如:加热的温度、拉伸的速度与倍率、模具的外观形状、改性复合的工艺细节等,都需要具备大量的试错、改进经验与丰富的理论知识才能掌握,公司通过技术储备与时间成本在工艺流程上建立起了较高的壁垒。
(2)自主生产工装设备的能力是 e PTFE 膜产业化的壁垒:在实验室环境下试制成功的具备某一特性的 e PTFE 膜还需要经过批量生产才能获得大规模产业化的能力,但 e PTFE 膜生产设备无法通过外购方式直接获得,膜的制造、改性、复合以及应用组件的主要产线与工艺设备需要自行设计开发,这使得具备独立自主设计、制造生产设备的能力成为进入行业强有力的壁垒。
(3)定制化、组件化并配合客户长期验证是 e PTFE 膜的应用壁垒:e PTFE 膜作为一种关键的基础性材料,本身难以在下游直接使用,需要根据客户的个性化需求或亟待解决的问题,有针对性地设计出相应的零部件组件或全套解决方案。这要求公司在获得实际订单前就参与客户的产品设计,并通过客户对公司产品的技术验证。定制化设计与生产能力、长期技术验证的持续投入以及客户对具有品牌的供应商的信任,也构筑起了较高的进入壁垒。
3、产业发展前景:材料是科学技术发展的基础,复合材料最为最新发展起来的一大类新型材料,对科学技术的发展产生极大的推动作用。行业发展情况及未来发展趋势如下:
(1)下游应用场景不断丰富,市场容量逐步扩大,技术领先型材料企业有望步入快速发展期。随着技术不断发展,消费电子、新能源交通、航空航天等新兴领域的需求不断扩大,行业将迎来较快发展期。一方面,随着消费者需求的不断变化和升级,高端消费类电子和乘用汽车产品升级换代也将进一步提速。而高端消费品领域客户对新型功能防水、透声、透气的防护性和功能性等多维度系统化解决方案需求将随之增多,服务要求亦将不断提高。另一方面,不断拓宽的应用场景将催生更多新型高端消费品种类,根据客户对产品性能要求量身定做个性化功能性材料将成为未来的发展趋势,这将对复合材料生产企业的研发能力提出更高的要求。
(2)国家政策扶持,国产化进口替代进度加快:目前我国的高端 e PTFE 材料主要依赖于进口,大部分市场被美国戈尔、日东电工、唐纳森、美国杜邦等外国巨头垄断。以氢燃料电池为例,在多种氢燃料电池技术方案中,目前最适合车用的就是质子交换膜燃料电池。在质子交换膜燃料电池中膜电极是核心部件,在燃料电池电堆中承担了核心的电化学反应功能,被誉为燃料电池的芯片,而膜电极主要由质子交换膜、催化剂、气体扩散层构成。随着膜电极国产化的深入,氢燃料电池产业链已基本实现国产化,但产业链中氢质子交换膜、气体扩散层等核心材料仍依靠进口,质子交换膜基本被国外少数厂家所垄断,自主研发制造质子交换膜,解决关键性原材料“卡脖子”难题,实现国产化配套具有重要意义。科技部发布的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》中将高性能膜材料列为材料领域国家发展的重要方向。得益于国家对相关领域的政策与财政支持,新型材料的国产化进度已加快。