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1、NMP产品简介:N-甲基吡咯烷酮(简称NMP)属于氮杂环化合物,分子式为C5H9NO,沸点204°C,为稍有氨味的液体,与水以任何比例混溶,几乎与所有溶剂(乙醇、乙醛、酮、芳香烃等)完全混合。NMP是一种极性的非质子传递溶剂,沸点高、极性强、粘度低、溶解能力强、无腐蚀、毒性小、生物降解能力强、挥发度低、化学稳定性、热稳定性优良。
NMP最早于1907年在实验室制成,上世纪30年代德国巴斯夫(BASF)等公司陆续实现了工业化生产。目前NMP在国外市场属于一种大宗化工品,主要生产企业包括德国巴斯夫(BASF)、日本三菱化学株式会社、美国利安德公司、美国ISP公司等。
我国NMP生产起步较晚,1994年前国内总产能不足2000吨,主要依靠进口满足国内需求。2000年后,随着NMP技术引进,一些生产装置陆续建成投产,NMP产量逐年提高。2008年后,行业内产能规模提升速度加快,多家大型NMP生产企业具备了万吨级产能,但当时我国NMP行业发展存在结构性矛盾:客户为保证锂电池性能,对NMP纯度要求很高,而生产企业技术水平无法满足客户的要求,下游厂商依然需要依靠大量进口。近年来,随着行业技术进步,实现了对不同用途NMP纯度的突破性提升,行业内主要企业产销量增长迅速,目前国内NMP的产销量位于世界首位,并且产品广泛出口至北美、日韩、欧洲、中东等地区。
目前,NMP被广泛用于锂电池制造,芳烃萃取,乙炔、烯烃、二烯烃的纯化,也用于聚合物的溶剂及聚合反应的介质,如聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯硫醚等工程塑料及芳纶纤维,另外还用于绝缘材料、农药、颜料、电子产品生产及清洁剂等方面,锂电池行业对NMP的市场需求规模最大,约占NMP总需求的80%左右。
2、NMP在锂电池行业的应用和发展情况:锂电池是通过锂离子在正极和负极之间来回嵌入、脱嵌,将化学能转化为电能的装置,主要由正极、负极、隔膜、电解液、电池外壳五个部分组成,其中正极是锂离子电池的核心部分,是决定电池性能的关键因素,对产品最终的能量密度、电压、使用寿命以及安全性等方面具有直接影响,也是锂电池中成本最高的部分,约占锂电池成本的40%以上。正极材料一般使用聚偏氟乙烯(PVDF)作为粘结剂,NMP作为溶解正极材料粘结剂PVDF的溶剂、碳纳米管导电浆料(CNT)的扩散液,NMP对锂电池生产工段的涂布质量、效果及改善锂电池能量密度均有影响。NMP作为锂离电池生产的必备辅材,随着锂电池出货量的快速增长,在锂电池行业内的市场需求将快速提升。
NMP作为锂离子电池正极材料常用的溶剂和新型导电剂碳纳米管必备的溶剂,用量较大,根据中金企信国际咨询研究报告数据显示:每GWh锂电池生产需要1700吨NMP。得到2025年NMP需求量预计为215.15万吨,未来NMP市场发展前景广阔。
数据统计:中金企信国际咨询
在锂电池涂布完成后的烘干环节,NMP通过烘烤蒸发冷凝后形成含有水分和杂质的NMP回收液,而NMP回收液可以提纯加工后再利用获得NMP再生液,根据NMP回收液的质量不同,提纯加工后得到的NMP再生液可再次用于锂电池生产,或者降级使用于其他工业领域。因此,随着市场上NMP存量的增加,锂电行业内部分NMP需求将由再生液来满足。
据估计,NMP在提纯加工过程中的成分损耗平均约10%左右,因此未来锂电池行业对NMP的需求主要分为两个部分:第一,NMP新液,主要用来满足锂电池产能扩充带来的NMP需求以及补充10%的循环损耗,这部分NMP新液由NMP生产厂商通过原材料BDO、一甲胺合成;第二,NMP回收液的提纯加工后形成NMP再生液。随着市场存量的增加,市场上流通的NMP再生液数量将逐渐增加,可满足锂电行业的部分需求,同时随着锂电行业的扩产和循环损耗量的增加,NMP新液的市场需求也将快速增长。
锂电池有使用寿命限制,随着锂电池出货量的提升,废旧锂电池的回收问题将逐渐凸显。锂电池材料中的Li、Co,Cu等具有较高的回收价值,为了更好地回收电极的活性材料,利用NMP对组分进行选择性分离是一个很好的回收方法。随着锂电池回收市场的扩大,也将带动对NMP的市场需求的增加。
中金企信国际咨询公布的《全球与中国市场NMP前景预测及投资可行性分析报告(2023版)》
3、NMP在高分子新材料领域的应用:
(1)生产聚酰亚胺:NMP因为自身稳定性强、毒性小等优点,在二酐、二胺低温缩聚反应生成聚酰亚胺(PI)过程中,起到反应稀释溶剂的作用。PI具有最高阻燃等级(UL-94)以及优良的机械性能和极高的热稳定性,用途非常广泛,被誉为高分子材料金字塔的顶端材料,应用领域和具体用途如下:
PI薄膜、纤维是其主要应用形态,国内相关产能及技术水平与国际巨头之间存在较大差距,多数企业的技术实力难以达到制备高性能PI材料的要求,且规模普遍较小,市场占有率较低,在这种市场背景下,国家多次出台政策鼓励PI行业的发展:《关于化纤工业高质量发展的指导意见》明确要求:“提升高性能纤维生产应用水平。提高碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚纤维……的生产与应用水平,提升高性能纤维质量一致性和批次稳定性。”《重点新材料首批次应用示范指导目录(2021年版)》也明确将聚酰亚胺纤维归属于“关键战略材料”,将I-线光敏型聚酰亚胺绝缘材料、液晶显示用聚酰亚胺取向剂归为“电子化工新材料”,低介电常数低损耗聚酰亚胺归为“其他先进化工材料”。在国家政策的指引下,国内PI市场规模会不断扩大,未来进口替代空间较大。
②生产对位芳纶:对位芳纶(PPTA)具有高强度、耐高温、抗冲击、耐腐蚀等突出优点,其强度是钢丝的5~6倍,但重量仅为钢丝的1/5左右,是军民两用的重要战略材料,可用于航空航天结构件增强、国防军工的导弹、防弹防护等领域,同时还可应用于交通运输工具摩擦材料、体育休闲用品、过滤材料等诸多产业领域。
工业生产中,对位芳纶的制备必须在无水溶剂中进行,通常在NMP-氯化钙溶剂体系中进行低温缩聚反应制取。随着《防护服装阻燃服》和《个体防护装备配备规范》等强制性国家标准的发布和实施,产业工装对芳纶的需求将大幅增加;航空航天、轨道交通产业规模不断扩大,以及汽车高端化趋势将带动对位芳纶需求不断增长,未来3-5年内,芳纶行业的飞速发展将为NMP市场需求的增加注入更多力量。
③生产聚苯硫醚:聚苯硫醚(PPS)被誉为“世界第六大工程塑料”,也是“八大宇航材料之一”,拥有较高的耐腐蚀性和阻燃性,应用前景广泛。在硫化氢法合成PPS工艺中,为了提供更好的反应环境,通常选择强极性溶剂NMP在加压环境下缩聚合成PPS。
由于世界材料科学发展和塑料改性技术水平的提高,以及聚苯硫醚本身的性能和成本优势,形成了对有色金属、其它工程塑料的替代,使得聚苯硫醚的可应用领域和市场需求不断扩大,近年来新能源及5G通讯领域的崛起为PPS及其改性材料提供了新的发展机遇。以PPS为基材进行增强增韧、导热、低介电及隔膜材料的复合改性材料在新能源及5G通讯领域有着广泛需求。PPS材料的高强度、高绝缘性等特点使其成为新能源汽车轻质化的理想用材。
4、NMP在其他领域的应用和行业发展:
①润滑油精制:润滑油基础油中含有大量影响其粘度及氧化性的多环芳香烃、烷烃、强极性物质组分,为保证使用过程中的稳定,需要对润滑油进行精制提纯后使用。
NMP因为自身极性高、溶解能力强、抽提温度低等优势,逐步替代苯酚和糠醛成为润滑油精制的主要溶剂。
②电子产品清洗剂:超净高纯级NMP在电子化学品领域可做半导体与显示面板的清洗剂,用于去除表面上残余的光刻胶和过滤其他的有机成分,同时因为NMP自身沸点高,在去除时使用低压加热的方法,不会在半导体与显示面板上留下压力条纹,有利于精细电子元件的使用。
NMP行业进入门槛不高,受下游锂电池行业持续景气的影响,行业内从事NMP生产、回收的企业数量不断增多,行业规模不断扩大。但同时这也造成了我国NMP行业发展结构不均衡的问题,中小型企业数量众多且以回收为主,技术水平低导致行业内低端产能过剩,高端产能不足。以超净高纯NMP为例,市场对其纯度要求≥99.9%,水分含量要求≤0.01%,我国多数企业无法大规模生产这种级别的产品。未来随着锂电池、微电子市场扩张,对高纯度的NMP需求会越来越高,如何快速高效地生产出高纯度NMP是未来行业发展的主要方向,行业结构会向高端产能集中,龙头企业的市场占有率将进一步提升。