全球芳纶纤维行业前景展望

2025/01/14 责任编辑:Hanson 访问:1057

1 三大超强纤维之一,产品多元化发展

芳纶是高性能化学合成纤维。芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)并称为世界三大高性能纤维材料。

芳纶全称是“芳香族聚酰胺纤维”,英文名为“AramidFiber”,是指至少有85%的酰胺键直接与芳香环相连的长链合成聚酰胺纤维。

芳纶纤维具有低密度、高模量、高强度、耐切割、耐腐蚀、耐高温、绝缘和阻燃等优异性能,其强度是钢丝的5~6倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560度的温度下,不分解,不融化,综合性能突出。

商业化的芳纶产品主要有间位及对位两种。按照芳香环的种类,芳纶可分为全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两大类;按照酰胺键与苯环连接的位置,可分为间位、对位和邻位三种。

目前已进行商业化生产和应用的芳纶主要是两大类:间位芳纶(PMIA,1313)和对位芳纶(PPTA,1414),其中对位芳纶生产技术难度更大,产品性能更好。

间位芳纶及对位芳纶产品多样化,可满足多领域的需求。芳纶产品是由酰胺及酰氯发生聚合后,将聚合物通过纺丝再加工成型。按照是否染色,芳纶分为色丝和白丝;按照纺丝形态,分为长丝及短纤。间位芳纶中还有导电纤维、纱线等产品形态,对位芳纶捻线、机织布、浆粕等差别化产品,可满足不同领域的使用需求。

2 性能全面领先,应用多点开花

芳纶延展性、耐高温、阻燃性能优异。在三种材料中,芳纶的延展性能最佳,间位芳纶的断裂伸长率可达25~40%,超过碳纤维和UHMWPE十倍以上。

对位芳纶的弹性模量较高,可达120GPa,说明其材料刚度大、弹性形变小;碳纤维在三种材料中最耐高温,使用温度可以高达2000℃,分解温度高达3700℃,芳纶使用温度为-196~250℃,可满足日常使用。

芳纶及碳纤维的氧指数都高达28%以上,阻燃性能好,UHMWPE密度最低,但是其氧指数最低为17.3%,无法达到耐高温及阻燃效果。

间位芳纶具有优异的阻燃性、耐高温、绝缘性、化学稳定性和抗辐射性能。间位芳纶分子链中的酰胺基团和间位的苯基相连,没有共轭效应、内旋转位能较低、链段柔性相对较好、结晶度较低,所以其模量低、伸长率高,作为织物的手感和舒适性更好。

间位芳纶具有优异的阻燃性、耐高温、绝缘性和化学稳定性,广泛用于防火材料、高温传送带、高温过滤材料、高温防护织物、电气绝缘隔热等领域。

对位芳纶具有高强度、高模量、耐高温、强韧性、阻燃性、耐化学药品性、耐腐蚀性及尺寸稳定性。

对位芳纶具有很高的强度,比拉伸强度为钢纤维的5~6倍,比模量为钢纤维的2倍;热分解温度达到570℃,可以在±200℃下长期使用;与碳纤维相比,芳纶柔软无脆性,可以抗强冲击;尺寸稳定性好,在热空气中不会收缩,形变小;耐化学腐蚀性好。

对位芳纶的高结晶度和强的分子间相互作用可以防止化学物质侵入到聚合物结构中,在2~12的pH范围内性能稳定。芳纶作为增强材料应用广泛。随着现今工业生产和高新产业的迅猛发展,汽车、工程机械、微电子、通讯、船舶等行业对高性能材料的需求越来越强,要求也越来越高,一般的材料很难满足需要。

芳纶聚合物及其纤维制品在不同领域中发挥着愈加重要的作用,例如建材、电子电器、防弹制品、交通、军事、航空等领域。2011年在“东方时空”节目中,芳纶就被誉为“牵一丝动二十个工业领域”,可见其在工业中的重要价值。

3 发展历程: 国产化势在必行,高质量全面替代

性能全面提升和国产化替代是新材料的发展历程。随着科技进步和生活质量的全面提高,新材料以其优越的性能逐渐替代传统材料。

一方面,新材料能够通过优化的性能更好地满足不同领域的材料需求;另一方面,许多新材料具有低碳、清洁、可再生等属性,这一类材料逐渐实现对传统高能耗材料的替代,契合能源革命与“双碳”的时代主题。

全面替代决定了新材料的下游领域众多,发展空间巨大。国外的巨头企业在新材料的应用中走在前列,国内的企业在逐渐研发的过程中突破壁垒、高速发展,带来了市场的双重空间。

军用市场引领发展,国内技术不断突破。从发展历程看,芳纶和碳纤维以其特殊的性能优势最初都用于军工行业,后以杜邦、帝人、东丽等为代表的美国和日本企业不断研发并实现产业化,引领技术及市场。

中国企业在二十世界后开始发力,追赶世界领先的技术并逐步取得突破。目前在芳纶、碳纤维和UHMWPE中均出现了优秀的代表企业,为国内填补了技术上的空白。

高性能纤维行业呈现技术密集、投资巨大的特点。目前,高性能纤维正进入蓬勃发展的新阶段,各品种性能、规格的不断完善和系列化以及新品种的陆续出现,使高性能纤维迈入了“量体裁衣”的时代。

航空航天、新能源、海洋、生物医学、通讯信息、军工等高科技产业的迅速发展,对纤维材料性能的要求越来越高,也促进了对新型纤维的研究与开发。未来高性能纤维将朝着低成本、高质量的方向发展。

4 下游需求百花齐放,新能源催生更大市场

2023年年报统计,全球名义产能约15-16万吨,同比增长约10%;全球需求约12-13万吨,同比增长约11%,未来将持续受益于下游光纤光缆、个体防护等领域的需求增长。初步统计2023年全球规模达47亿美元,预计到2029年将达到83亿美元,2023年至2029年的复合年增长率为9.7%。

2023年中国对位芳纶行业需求量为2.38万吨。芳纶行业技术壁垒高,产能集中在国外。中国芳纶行业起步较晚,目前全球产能集中在海外企业。

芳纶行业毛利率30-40%,根据不同性能及应用价格稳定在10-30万之间。芳纶作为高性能纤维,国内生产企业较少,产品价格较为稳定。间位芳纶价格通常在10-20万/吨,对位芳纶均价在20-30万/吨之间。芳纶企业利润率较为稳定,通常毛利率在30-40%之间,属于高毛利行业。

5 防护服打开间位芳纶市场 芳纶纸力克海外壁垒放量

全球间位芳纶需求以绝缘纸与蜂窝芯材为主,我国需求结构仍有较大改善空间。

从全球范围内来看,由于突出的耐高温、阻燃和绝缘性,间位芳纶主要用于电气绝缘与安全防护织物,分别占比34%和29%,技术含量和产品附加值相对较高。我国间位芳纶应用仍以防护服及相对低端的工业高温过滤材料为主,占比总计80%。

芳纶纸需求占比为10%,通讯、新能源汽车等领域的新兴需求占比10%。国内厂家在低端领域产能充足、竞争激烈,需求结构特别是高端领域的应用仍有较大的改善空间。

间位芳纶是耐高温防护织物面料的绝佳选择。间位芳纶阻燃性、隔热性好,纺织性能和柔软性好,属于本质阻燃面料,与传统的将织物在防火剂里浸泡的后处理阻燃织物相比,阻燃时间更长、可洗涤且遇火没有熔滴、不会产生毒害物质。

目前,消防员灭火防护服通常由多层面料结构组成,由外至里分别为外层、防水透气层、隔热层和内衬。外层面料主要由高性能纤维材料制成,包括芳纶1414纤维、芳纶1313纤维、PBI纤维、PBO纤维等;防水透气层可排出穿着者内环境中水汽,同时挡风、挡外部液态水,一般采用非织造布和阻燃PTFE的复合材料复合而成;隔热层面料主要由立体网眼针织物或非织造材料制作;内衬也称作舒适层,具备穿着舒适性和阻燃性能,一般为芳纶纤维和阻燃粘胶纤维的混纺机织物。

2018-2023年国内消防市场规模年均复合增速为6.13%,我们预计未来消防行业对间位芳纶的需求有望保持6%左右的增速。国家规定了多项防护服阻燃服的标准。阻燃服、隔热服是为消防、冶金、焊接、电力、化工、石油等任何有可能产生火苗、高温等领域的作业人员提供隔(防)热保护的服装。2020年,《防护服装阻燃服》、《个体防护装备配备规范》等国家强制标准先后发布。国标GB8965.1-2020《防护服装阻燃服》于2021年8月1日起实施,对阻燃防护服的阻燃性能、物理性能等提出了更为明确、严格的要求,要求所有面料均要达到规定的热防护性能值。工业防护和消防领域是间位芳纶的下游第一大应用领域,新标准施行有望提高芳纶需求空间。

国家应急管理部出台的《个体防护装备配备规范》于2022年1月1日起全面实施。安全事故关系到刑事责任;安全生产责任险会看是否配防护服。新规范要求石油石化、有色冶金、非煤矿山这三个行业率先执行。根据市场售卖的阻燃服重量及芳纶含量,我们预计单套服装对应的间位芳纶用量为1-1.5千克。根据国家统计局及环球网显示的各行业人数,我们按照40%的配备比例及年均数量3套的标准,测算间位芳纶年需求约1.2万吨。

考虑到存量替换及各企业配备的进度可能不及预期,我们保守预计2023-2025防护服每年对间位芳纶的需求增速为15%。间位芳纶可用于火电、水泥、钢铁等领域排放的高温烟气的环保过滤。工业生产中火电厂、水泥厂、钢铁厂排放的高温烟气中含有大量的氮氧化物、硫氧化物和细小颗粒粉尘,对大气环境造成极大污染。过滤布和过滤袋是工业除尘或液体过滤设备的关键部件,直接决定过滤设备性能的发挥和过滤效果的好坏,被称为过滤设备的“心脏”,甚至关系到企业是否能够达标生产,是企业生产运营不可或缺的配件。同时过滤布和袋又属于耗材,需要定期更换以保证过滤效果的稳定性,其需求具有持续性。

间位芳纶阻燃性、耐高温性、绝缘性、耐腐蚀性好,可以在高温烟气的环境中起到过滤作用。环保要求日趋严苛,间位芳纶需求旺盛。

当前我国工业快速发展的同时,也给空气质量造成了很大压力,其中工业烟粉尘中大量微细粒子是导致我国大气质量恶化的重要因素之一。根据全国环境统计公报,钢铁冶金、燃煤电厂、水泥建材、石油化工等重工业均是烟气粉尘的主要排放源。2013年9月10日,国务院颁布《大气污染防治行动计划》,提出经过五年努力,全国空气质量总体改善,新建火电、钢铁、石化、水泥、有色、化工等企业以及燃煤锅炉项目需要执行大气污染物特别排放限值。随着国家对环境污染问题重视程度的提高,各地区、各行业排放控制标准日趋严格,特殊排放和超低排放已趋于常态化。

近年来,我国制造业企业固定资产投资总体呈持续增长趋势,在当前我国节约环保政策趋严的大背景下,钢铁、化工、火电、冶金、矿山和食品等众多用水量和烟尘排放量均相对较大的行业将面临严格监管。存量更换及增量需求将带动过滤材料市场增长。间位芳纶作为环保过滤袋的主要材料之一,有较为广阔的增长空间。

全球及国内间位芳纶消费量有望持续增长。目前,国外间位芳纶产业发展更为成熟,产品系列化和差别化程度高,应用技术研究深入,高端市场份额占比高,总产能3.25万吨/年左右,其中杜邦是全球生产规模最大的间位芳纶生产企业,也是最早开始大规模工业化生产的公司,产能占全球总产能的53.1%;泰和新材目前是国内市场占比第一的企业,市场占有率达到近50%。

全球间位芳纶整体呈现供过于求状态,其中杜邦、帝人等外企产品质量较高,在国际市场占据主导地位,下游主要应用于安全防护、芳纶纸等高端消费领域;2027年全球间位芳纶供需预计分别达8.5万吨、7万吨。

从终端消费领域来看,全球间位芳纶需求主要集中在安全防护、芳纶纸等高端消费领域,其中安全防护和芳纶纸需求合计占比约66%。芳纶纸是芳纶下游主要产品之一,应用以电气绝缘和蜂窝芯材(结构减重材料)为主。芳纶纸是以芳纶短切、沉析或者浆粕纤维通过湿法造纸工艺制备而成的片状、轻质复合材料。

长期以来芳纶纸市场主要由杜邦公司占据。全球的芳纶纸主要用于电气绝缘和蜂窝芯材领域,分别占64%和34%。相比于国际市场,国内芳纶纸中91%应用于电气绝缘领域,技术相对复杂的蜂窝芯材的应用仍然有待提高。

芳纶纸蜂窝芯材可作为夹层结构复合材料用芯材。芳纶纸蜂窝芯材是芳纶纸经涂胶、叠合、热压、切边、拉伸、定型、浸胶、固化等一系列复杂工艺而制作成特殊结构的。具有天然蜂巢的六边形结构的特殊材料,轻质、高强、高模、结构稳定性强,且具有隔音、隔热、阻燃等优点,被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。已成为飞机复合材料蜂窝夹层结构的首选芯材,可降低飞机结构质量、实现功能部件透波、降噪、隔热性能。芳纶纸蜂窝夹层芯材已在高铁车辆的车厢侧板、顶板、座椅、隔板、行李架以及天窗板等部位上得到应用,可以减轻车辆质量,提高列车的速度。

芳纶纸蜂窝芯材也可用于锂电池隔膜、风机叶片、船舶游艇、赛艇、滑雪板、房车等产品的制造。目前芳纶纸在国内的高铁、波音飞机等领域中已经有全面且成熟的应用。芳纶纸是高性能纸基绝缘材料,可应用于高端和复杂工况的绝缘系统。

间位芳纶纸具有优异的电绝缘性能、良好的热稳定性、尺寸稳定性、阻燃性和耐腐蚀性,是具有高附加价值的特种绝缘纸。相较于传统的纸基(植物纤维素基)绝缘材料,间位芳纶纸的耐温性、耐候性更好,更能保障电力设备稳定、安全运行,更能满足大功率、高电压设备的极端要求,从而推动现代电器电工行业的进步和发展。

国家高度重视芳纶纸技术突破,为行业发展提供了良好的政策和市场环境。芳纶纸最初由美国杜邦公司在20世纪60年代成功研发并率先产业化,经过60年的发展,杜邦芳纶纸无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟,占据技术和市场上的垄断地位。我国对芳纶纤维及芳纶纸相关行业的发展高度重视,但由于国外在技术上的封锁,直到二十世纪末也没有取得实质性进展。

进入二十一世纪,民士达成功研制出间位芳纶纸,打破了美国杜邦公司的全球独家垄断,使我国成为世界上第二个能够生产芳纶纸的国家,民士达也因此奠定了我国芳纶纸行业的龙头地位。2021年,芳纶纸被列入重点关键新材料发展名单。近年来,国务院、发改委、工信部等政府机关或部门多次出台相关政策和措施继续支持芳纶纸行业的发展,为做大做强芳纶纸行业提供了良好的政策和市场环境。

近几年我国高速列车、国产飞机制造及航空母舰等装备制造业的快速发展更是带动了芳纶绝缘纸和芳纶纸蜂窝芯材的发展。

根据数据,由于下游行业的强劲需求,中国芳纶纸消费量预计到2028年,我国将消耗12290吨芳纶纸,2023-2028年CAGR为16.27%;预计2028年中国芳纶纸市场规模将达到4.39亿美元,2023-2028年复合年均增长率为14.92%。全球芳纶纸制造商主要有五家,分别是美国杜邦公司、民士达、超美斯、赣州龙邦、时代华先。美国杜邦公司于二十世纪六十年代率先完成芳纶纤维及其下游芳纶纸的研发并实现产业化,引领了芳纶纸基材料的发展方向。长期以来,美国杜邦公司凭借先发优势在全球市场处于垄断地位,其芳纶纸产品性能指标高、品种丰富,占据全球芳纶纸市场的主要市场份额。民士达突破了纤维分散、湿法成形、高温整饰等芳纶纸制备过程中的“卡脖子”关键技术,打破国外技术垄断,成为国内第一家芳纶纸制造商,实现了芳纶纸的国产规模化制备,有效弥补了我国芳纶纸产业链的短板。

6 对位芳纶性能突出,军民两用打开空间

对位芳纶是军民两用产品,应用潜力巨大,主要有防弹防护、电子通信、汽车工业、工业增强四大领域。除了具有耐高温、阻燃和绝缘等性能,对位芳纶还具有高强度、高模量的特性,耐磨性和耐切割性能也十分优异,在许多特殊的应用场景大有用武之地。

全球范围内来看,对位芳纶主要用于防弹防护和车用摩擦材料(如胶管、刹车片、离合器片等),各占总需求的30%。国内对位芳纶50%应用于光缆。对位芳纶还可用于制造高档汽车的轮胎帘线,用于子午线轮胎的带束层,在全球需求中占比10%左右。

对位芳纶帘线具有强度高、变形小、热收缩低、耐热和蠕变性小等优点,能够减小轮胎质量和降低滚动阻力,并有利于提高轮胎的抗刺扎和抗切割性能。芳纶应用范围逐步拓展,下游需求逐年增长。

随着我国交通运输、光纤通信、高速铁路、航空补强、轻量汽车子午胎用帘子布及刹车片等领域和防弹防护等领域应用的快速发展。对位芳纶的需求将呈现更加旺盛的局面。目前,国产芳纶Ⅱ已实现了基本型号以及部分高端产品的规模化供应,总年产能约1.50万吨。但与国外相比,我国芳纶II产业化总体水平仍然较低,生产厂家多但产能偏小,集成化程度低,呈现明显的“散而小”特点,目前仍处于向规模化转型升级的关键阶段。

随着国产芳纶实现进口替代,芳纶应用技术稳步提升,对位芳纶需求增长高于预估值,下游需求百花齐放,新能源催生更大市场。到2027年,中国需求将达3万吨/年。信息通信快速发展带动光缆铺设,对位芳纶是优异的光纤增强材料。自2019年我国正式发放5G商用牌照以来,国内5G建设快速推进,5G基站密集部署。传输数据量的迅速增长,对信息传播介质信息容量的要求不断增大,将使光纤需求量较4G时代大幅增长。光缆是光纤和包覆护套组成的通信线缆。

截至2024年6月末,全国光缆线路总长度达到6712万公里,比上年末净增279.9万公里。2023年我国光纤光缆产量达到3.5亿芯公里,占全球产量的62.5%。对位芳纶具有高模量等优异特性,可作为光缆中的张力构件,使细小且脆弱的光纤在受到拉力时得到保护而不致伸长,从而不损害光的传输性能。

中国是最大光纤光缆生产国,在5G建设推动的信息通信快速发展的背景下,光纤增强用芳纶需求空间将十分可观。在国防军工领域,芳纶与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)存在部分替代关系。UHMWPE的密度较小,满足防弹衣轻量化的需求,目前防弹衣市场已基本以高强PE为主,辅以PE/芳纶复合材料。

由于芳纶的阻燃和耐高温性能突出,仍有不可替代性及市场空间。防弹头盔方面,UHMWPE抗蠕变差、易变形,目前市场仍以芳纶为主。高温场景(工业防护、工业过滤等),对材料厚度极为敏感的场景(绝缘纸),对耐火性有较高要求的场景(消防)等对芳纶需求较大。UHMWPE主要应用于海洋渔业、纺织用品、安全防护、军事装备等领域。

7 国内芳纶涂覆走向产业化 开启行业二次成长曲线

隔膜涂覆提升电池性能,湿法涂覆是目前主流的技术。

随着新能源汽车、3C电池技术的不断提升,对隔膜的性能要求也越来越高。原有的干法和湿法基膜受限于PE的低熔点,热稳定性较差,逐渐满足不了现有的安全保障等要求,涂覆隔膜逐渐成为隔膜发展主流。

通过在表面涂覆无机材料、耐热高分子材料或两者混合物的方法,形成涂覆隔膜,能极大地优化隔膜性能。但不同涂覆隔膜成本、性能和技术要求差别较大,市场上隔膜产品逐渐分化,产品种类不断增加。

常见的涂覆材料包括氧化铝、勃姆石等无机涂覆材料;PVDF、芳纶等有机涂覆材料;以及各类复合涂覆材料。芳纶涂覆优势显著,有望逐步替代传统无机涂覆方式。芳纶耐温性强,400°C以下不发生熔融,温度超过400°C才碳化分解;限氧指数LOI为29-32%,在空气中不会发生自燃。具有良好的阻燃性,离开火焰会自动熄灭,介电常数低,能保持优良的电绝缘性,化学稳定性强,耐酸耐碱,只能在部分有机溶剂中溶胀但不溶解,机械强度高。

基于间位芳纶优异的安全特性,芳纶涂覆隔膜逐渐在锂电池领域应用。国内外多项研究表明,芳纶涂覆的隔膜耐温性、韧性、抗穿刺性、抗氧化性、综合寿命和性能都得到了大幅提升,是实现未来高能量密度电池的重要条件。

国外芳纶涂覆技术成熟,国内处于起步阶段。芳纶涂覆的技术及专利长期被国外企业垄断。帝人2019年开发芳纶涂覆隔膜,提高了电池的容量、耐热性与放电效率。日本住友化学于2015年扩大了芳纶涂覆隔膜的生产,该耐高温电池隔膜已应用于特斯拉ModelS电动车。

国内恩捷等企业也尝试生产芳纶涂覆隔膜,但由于专利限制、成本高昂、技术不达标等问题目前仍未实现大批量生产。成本高昂限制了芳纶涂覆隔膜在国内的产业化发展,芳纶企业布局隔膜涂覆有望改变行业发展格局。

目前传统的PVDF、勃姆石涂覆的成本大约为0.5元/平,涂覆基膜的售价约为2.5元/平,而芳纶涂覆隔膜由于长期被国外垄断,售价远高于此。泰和新材近期公告了芳纶涂覆隔膜的布局,中试产品在2023年得到验证,已经完成产业化。泰和新材作为芳纶生产企业,原料端成本具备优势,废液回收无需再添成本。

芳纶涂覆隔膜有望实现与传统的PVDF或陶瓷涂覆成本相差无多的整体成本,进而推动整个涂覆行业进步。我们预计2025年芳纶涂覆隔膜将拉动芳纶需求2.5万吨,迎来374亿元的市场空间及125亿元的利润空间。

我们预测2025-2028年锂电隔膜出货量分别为228、342、462亿平,按照70%、80%、90%的湿法涂覆渗透率和10%、20%、30%的芳纶涂覆渗透率计算,2023-2025年分别对应16、55、125亿平的芳纶涂覆隔膜产能。按照单面涂覆2g/平,预计未来三年分别有3192、10944、24948吨芳纶增量。按照芳纶隔膜涂覆单价3元/平的售价及1元/平的利润,2025-2028年对应48、164、374亿元的市场空间及16、55、125亿元的利润空间。

8 工艺技术铸就高壁垒,锐意进取成就好格局

供应端全球主导,国产化替代加速。间位芳纶供给集中于美中日韩,杜邦占据全球半壁江山。全球间位芳纶产能主要集中于美国、中国、日本、韩国四国手中。

目前,全球间位芳纶年产能为55500吨,主要生产企业包括美国杜邦、泰和新材、日本帝人等。国内间位芳纶的产能主要由泰和新材和超美斯两大供应商提供,泰和新材的产能全球排名第二。

到2023年底,泰和新材的间位芳纶产能已达16000吨,全球市场份额超过30%,仅次于美国杜邦。国产化进展较快,但仍有较大的增长空间,2023年我国间位芳纶产量约为13000吨,同比增长18.2%。美日占据全球对位芳纶供给绝对优势地位。

目前国内对位芳纶装置名义产能超过2万吨,但由于大部分企业仍处于小规模生产或者中试阶段,实际有效产能和产量远小于名义产能。我国实际对位芳纶产量约为18000吨,同比增长约50%;对位芳纶需求量约为21500吨,同比增长约20.8%。

全球对位芳纶年产能为11万吨,主要生产企业包括日本帝人、美国杜邦、泰和新材、韩国科隆等。其中泰和新材6000吨产能是国内最大的生产商。部分供应仍来自杜邦、帝人等公司进口产品。杜邦公司垄断芳纶纸主要产能,国内公司发力打破技术壁垒。2023年全球芳纶纸产能约8.9万吨/年,美国杜邦公司产能最高。

国内厂商通过技术攻关,实现了间位芳纶纸国产化,目前中国产量居全球第二位。数据显示,中国的芳纶纸年产量已经达到3.46万吨,占全球总产量的39%,成为世界第一大生产国,占据全球80%的市场份额,芳纶纸中低端领域产品已全面铺开,高端领域正逐步替代进口产品。

9 芳纶行业高筑壁垒 战略价值及政策支持加速产业成长

芳纶行业格局较好,关键是生产工艺和工程集成导致的高壁垒。芳纶加工过程中,主要有聚合、纺丝、回收三个环节。

苯二胺和苯二甲酰氯首先通过缩聚反应生成芳纶聚合物,聚合物的性能决定了整个芳纶纤维的稳定性。随后聚合物溶解在有机溶剂中,再经纺丝过程制得芳纶纤维。纺丝过程决定了芳纶的性能,也是成本端的关键所在。

芳纶加工过程中使用的有机溶剂等废液回收也是整个工艺流程中的关键所在,可以节约成本实现零排放。芳纶的聚合工艺主要有低温溶液缩聚法和界面缩聚法。

其中低温溶液缩聚法由于生产效率高、工艺相对简单、溶剂消耗少、成本更低而成为国内外间位芳纶和对位芳纶最主要的产业化生产工艺。

由于技术难度大、工艺复杂、投资成本高,只有少数国外企业如杜邦采取界面缩聚法生产间位芳纶Nomex。间位芳纶的纺丝工艺可分为干法纺丝、湿法纺丝和干喷湿法纺丝等方法。间位芳纶的主要生产厂商三种方法都有涉及,其中国内厂家多以湿法纺丝为主。

对位芳纶具有溶致性向列型液晶结构。芳纶因其刚性棒状的分子结构以及分子间较强的氢键作用在溶液中能够完全伸展开来。当对位芳纶纺丝液通过纺丝孔时,大分子会在高剪切应力作用下取向。若选用合适的凝固浴条件,可以很好地对位芳纶溶液中的取向和结晶结构保存下来,再经过适当的热处理和拉伸,进一步增大结晶度和取向度,从而使得到的纤维具有极高的强度和模量,成为高性能纤维。

对位芳纶纺丝工艺以干喷湿纺法为主,技术是制约对位芳纶产业化的技术难点。由于对位芳纶只能溶解于浓硫酸中,而硫酸的挥发性低,采用干法纺丝不能除去溶剂,因此对位芳纶纺丝不能采用干法纺丝。湿法纺丝不能实现纤维的高倍拉伸,影响芳纶的力学性能,因此对位芳纶也不适合采用湿法纺丝工艺。

以杜邦公司的Kevlar纤维为例,其生产步骤包括:将聚合物混合于冷冻浓硫酸并溶解;将纺丝溶液加热到85℃形成液晶溶液;纺丝液经过滤后用齿轮泵从喷丝口挤出;挤出液在约为8mm气隙的空气层中进行约6倍的拉伸;液态丝条在温度为5~20℃,含5%~20%的硫酸的凝固浴中凝固成形;丝条从凝固浴出来后水洗,在160~210℃加热干燥经卷绕得到成品。芳纶纺丝过程复杂,且由于浓硫酸有腐蚀性,对设备的要求很高,加之工艺控制较为复杂,生产成本较高,使得对位芳纶产业化相对较慢,杜邦、帝人等国外先发企业构筑了极高的技术壁垒。

芳纶在国防军工、航天航空等重要领域的应用决定了其战略意义和价值。芳纶作为应用最广的高性能纤维之一,是国家安全不可或缺的战略物资,在军事防护装备、航空航天领域等国防领域具有不可替代的作用。为了适应现代战争的需要,美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质,芳纶防弹衣、头盔的轻量化,有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。在航空、航天方面,芳纶由于质量轻而强度高,节省了大量的动力燃料。

由于芳纶投资成本高,技术难度大,长期以来只有美日等极少数发达国家能够商业化生产。西方国家把中国视为竞争对手并对我国实施技术封锁和有限禁运。

国内芳纶起步较晚,产业化一度十分艰难。国家高度重视芳纶自主产业化,出台系列政策促进产业发展。未来高性能纤维是低碳化、轻量化、抗腐蚀等领域的共性核心技术,是国家制造业和低碳经济核心竞争力的关键。轻质高强材料是“中国制造2025”的需要突破的十大重点领域,芳纶及相关复合材料产品是其中关键材料之一。

我国一直对芳纶有较高的重视程度,国务院、地方政府、行业协会等纷纷制定相关政策,积极鼓励和支持国产对位芳纶产业的发展。未来,以芳纶为代表的高性能纤维及复合材料产业将重点推动协同创新服务平台建设,重点产品系列化、产业化和产需对接,开拓应用领域和引导集聚发展。国内企业自主研发,多年进步力克高壁垒实现国产化替代。

国内企业以龙头泰和新材为例,公司建立支撑创新、引领创新、激励创新的制度体系,屡屡突破“卡脖子”技术,荣获3次国家科技进步奖。

过去十年,国内企业持续投入大量研发经费,在设备制造、原料聚合、纺丝工艺等过程不断取得进步,成功突破间位、对位生产技术及芳纶纸壁垒。2019年中化国际投资12.5亿生产5000吨/年对位芳纶,投资额仍较高,为25万/吨。投资密度的降低体现了芳纶加工的工艺进步,盈利空间进一步加大,行业壁垒进一步提高。

根据对需求及供应的分析,我们预测了2025-2028年芳纶行业的供需格局:

国内间位芳纶:防护服:按照上文中测算,预计防护服未来3年成为间位芳纶下游第一大需求领域。我们按照40%的配备比例及年均数量3套的标准,测算间位芳纶每年的需求约1.2万吨;考虑到存量替换及各企业配备的进度可能不及预期,我们保守预计2025-2028防护服每年对间位芳纶的需求增速为15%。

工业过滤:根据数据,我国高温滤料行业市场规模2020-2023年的需求增速为8%,考虑到国内经济逐步修复,我们保守估计工业过滤领域用的间位芳纶增速为3%。

芳纶纸:根据数据,2020-2023芳纶纸市场规模增速为10%,预计未来三年芳纶纸价格增速约5%,剔除价格增长,我们保守预计2025-2028年芳纶纸需求增速为5%。

锂电隔膜涂覆:根据上文测算,我们预计2025-2028年隔膜涂覆新增芳纶需求分别为0.5/1.3/2.6万吨。预计2025-2028其他领域为5%的需求增速。

国内对位芳纶:国防军工:需求随国际政治等形势变化,偶然性较大,可能会带来短期内的新增需求。根据财政部数据,2020年至2023年我国国防支出平均增速为8%,考虑到对位芳纶的国产化替代空间及新增需求,我们预计2025-2028年国防军工领域对位芳纶需求增速为10%。

光纤光缆:根据工信部数据,2020-2023年我国光缆线路长度增速为11%,考虑到光纤光缆行业逐步成熟,我们预计2025-2028年需求增速为10%。

增强材料:对位芳纶作为增强材料,在高速铁路、航空补强、轻量汽车子午胎用帘子布及刹车片等领域的应用快速发展,预计2025-2028年增速为10%。考虑到国产化替代空间及需求增长,预计其他领域需求增速为10%全球(除中国外)需求:由于海外的需求处于较为平稳发展的阶段,我们保守预计全球(除中国外)的防护服、工业过滤、芳纶纸等行业对间位芳纶的需求增速为5%;保守预计全球(除中国外)的军工、光纤光缆、增强材料等行业对间位芳纶的需求增速为6%。

间位芳纶和对位芳纶短期内供需仍偏紧。长期来看,新增防护服、隔膜涂覆等需求或将拉动行业整体规模,间位芳纶呈供不应求局面,对位芳纶供需紧平衡。我国芳纶产量消费量均呈上升趋势,2023年对外依存度为23%,预计传统需求未来三年仍有2000-3000吨左右的进口替代空间。

全球对位芳纶应用预测,对位芳纶在防弹防护、复合材料及电子通信等领域应用占比接近80%。到2024年,全球预计需求达10.17万吨/年。国内对位芳纶主要在电子通信和复合材料领域应用需求较大,约为67%的份额。

全球间位芳纶应用预测,从终端消费领域来看,全球间位芳纶需求主要集中在安全防护、芳纶纸等高端消费领域,其中安全防护和芳纶纸需求合计占比约66%。国内间位芳纶应用预测主要集中在过滤材料和安全防护领域,其中过滤材料需求约占63%,安全防护需求约占26%,合计占比接近90%。

本文来源:石化联合会化工新材料专委会

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