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聚酰亚胺薄膜及其行业发展状况、重点企业分析、未来发展展望等

2022-12-05 来源:前沿材料PLUS 浏览数:1

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不论是作为结构材料还是功能材料,聚酰亚胺都被各国列入21世纪最有希望的工程塑料之一。由聚酰亚胺树脂加工而成的聚酰亚胺薄膜因其优秀的绝缘性和机械性特别适合用作柔性印刷电路板基材和各种耐高温电机电器绝缘材料,也被称为“黄金薄膜”。

一、聚酰亚胺(PI)薄膜基本概述

1.聚酰亚胺薄膜的定义

聚酰亚胺(PI)薄膜是世界上性能最好的薄膜类绝缘材料,由均苯四甲酸二酐(PMDA)和二胺基二苯醚(DDE)在强极性溶剂中经缩聚并流延成膜再经亚胺化而成。具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性以及很高的抗辐射性能、耐高温和耐低温性能(-269℃至+400℃)。

2.聚酰亚胺薄膜的性能特点

3.聚酰亚胺薄膜的分类

聚酰亚胺薄膜(polyimide film;PI film)包括均苯型聚酰亚胺薄膜和联苯型聚酰亚胺薄膜两类。前者为美国杜邦公司产品,商品名Kapton,由均苯四甲酸酐与二氨基二苯醚制得。后者由日本宇部兴产公司生产,商品名Upilex,由联苯四甲酸二酐与二苯醚二胺(R型)或间苯二胺(S型)制得。

二、聚酰亚胺(PI)薄膜的应用领域

聚酰亚胺(PI)薄膜是电力电器的关键性绝缘材料,广泛应用于输配电设备、风力发电设备、变频电机、高速牵引电机及高压变压器等的制造。例如,我国目前正在发展的300km/h高速轨道交通系统必须采用耐高温的聚酰亚胺(PI)薄膜作为主绝缘材料;风力发电设备的整流器、变频器和变压器等都需要采用聚酰亚胺(PI)绝缘薄膜;另外,耐电晕聚酰亚胺(PI)薄膜一直是变频调速节能电机的关键绝缘材料。

聚酰亚胺(PI)薄膜性能优异,在多个领域具备难以替代的作用,主要包括四个方面:绝缘材料、挠性覆铜板、绕包电磁线以及在高新技术产业方面的新型应用。

1.轨交类绝缘材料

聚酰亚胺(PI)薄膜广泛应用于输配电设备、变频电机、高速牵引电机、高压变压器等的制造。在目前常用的电工绝缘薄膜中占有独特的地位。高性能聚酰亚胺(PI)薄膜还可用作大功率电力机车、交流发电机、抗辐射电机及各种精密电机的绝缘,这部分产品技术难度大,附加值较高。

以铁路机车牵引电机为例,因受机车空间的限制,牵引电机不断向大功率化和小型轻量化方向发展,提高牵引电机的功率系数(功率重量比)尤为重要。牵引电机要获得较高的功率系数最为常见的做法有两种,分别是提高工作温度和减薄主绝缘厚度。

2.挠性覆铜板(FCCL)

挠性覆铜板是广泛应用于电子工业、汽车工业、信息产业、各种国防工业所用挠性印刷电路(FPC)的主要材料。在该领域聚酰亚胺薄膜主要用作绝缘基膜以及覆盖膜。挠性印刷电路板非常适合三维空间安装,使布线更为合理、结构更紧凑,节省了安装空间,满足了电子设备轻、薄、短小化要求,广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等电子设备中。由于挠性覆铜板需要其基膜和覆盖膜具备柔性、绝缘性能优异、耐热性好、机械强度强度高这四个特点,聚酰亚胺(PI)薄膜是挠性覆铜板制造中的最优选择。

柔性电路板(FPC)占印制线电路板(PCB)比例逐渐提升,行业增速稳定,随着全球电子行业增长放缓,印制线电路板(PCB)行业近年来整体增速较低,而柔性电路板(FPC)作为手机、数码相机等小型化设备的重要元件,近10年年均复合增长率达到9%。

国内FPC产业一直保持了较为良好的增长势头,近年来年均复合增长率超过11%,高于全球FPC增速,目前大陆地区FPC产量已超过全球产量的40%,是全球最大的FPC市场之一,对于PI薄膜的需求量极大。

3.绕包电磁线

聚酰亚胺薄(PI)膜涂覆全氟乙丙烯乳液后,可制成粘胶带包绕在裸铜线上,随后经过高温烧制,冷却压缩等步骤能够制得防潮性能、电性能、抗切通性能优异的绕包电磁性。

由于匝间绝缘厚度比传统的双丝漆包线减薄约1/3,因此可缩小电机体积,提高电机可靠性,因而广泛应用在宇宙飞船、高压电机、机车牵引电机等高端电机领域。

4.高新技术产业

1)合成高分子碳膜

目前高端消费电子中,单层高导热石墨膜的导热性能已经难以满足其需求,高导热石墨膜正在经历由传统单层石墨膜向复合型石墨膜发展的发展过程。由于复合型石墨膜特殊的堆叠方式及结构,使得其导热性能更为优异,相应的制造工序也更为复杂,售价更高。

高导热石墨膜一方面享有高端消费电子持续增长带来的需求增长,同时也面临产品更新换代带来的单价及利润提升,未来市场空间可观。

2)柔性电子器件柔性衬底

柔性衬底是柔性电子器件的重要组成部分,也是柔性电子器件中与传统电路的最大区别。柔性衬底材料的不断优化和完善,促进了柔性LCD及OLED、柔性太阳能电池板、电子皮肤等领域的发展。

柔性衬底材料具备条件:

三、全球聚酰亚胺(PI)薄膜行业发展状况

新思界产业研究中心出具的《2019年全球及中国聚酰亚胺薄膜产业深度研究报告》显示,2018年全球聚酰亚胺薄膜市场规模为14亿美元,到2023年将达到26亿美元,2018-2023年之间的复合年增长率为12.5%。电子行业需求增加、汽车行业不断增长、与其他聚合物相比的热能优越等,是推动聚酰亚胺薄膜市场发展的关键因素。

1.国际市场

根据2021年国际市场统计,2021年全球聚酰亚胺薄膜市场规模约为22亿美元,预计到2022年全球聚酰亚胺(PI)薄膜材料的市场规模将达到24.5亿美元。目前,从全球市场来看,包括美国杜邦公司、日本钟渊化学工业株式会社、日本东丽株式会社、日本宇部兴产株式会社和韩国SKC Kolon PI公司在内的美、日、韩企业占据了整个行业近80%的产能,其中美国杜邦公司2021年产量约为3500吨,占比超过全球总产量的20%。

2.国内市场

我国是世界上开发聚酰亚胺(PI)薄膜最早的国家之一。但全球高性能聚酰亚胺(PI)薄膜的研发和制造技术完全被美日韩等国垄断,它们控制着全球约90%的市场份额。

上世纪70年代,由原机械部和化工部牵头在中科院长春应化所、华东化工学院等单位研究成果的基础上,上海合成树脂研究所(简称上海所)和第一机械工业部北京电器科学研究院 (现桂林电器科学研究院有限公司,简称桂林电科院)分别用浸渍法和流涎法工艺制造聚酰亚胺(PI)薄膜,上海革新塑料厂最早投产年产5t浸渍法聚酰亚胺(PI)薄膜,桂林电科院与天津绝缘材料厂、华东化工学院协作研制成功流涎法生产均苯型PI薄膜的工艺路线。

1978年,桂林电科院与机械部第七设计研究院共同协作,研制了双轴定向聚酰亚胺(PI)薄膜的专用设备。

1993年,深圳兴邦电工器材有限公司完成国内第一条产能60t/y、幅宽650~700mm的双轴定向PI薄膜的工业化生产线。

2002年,国内PI薄膜产能约750t/y,2004年产能增加到1500t/y,2009年产能达到4000t/y。

2004~2009年,国内聚酰亚胺(PI)薄膜的产能和产量均以每年20%以上的速率增长。

2011 年以来,国内聚酰亚胺(PI)薄膜的需求量超过3000t/y,销售额约10~12亿元。

目前,国内已有深圳瑞华泰、溧阳华晶、山东万达、无锡高拓、桂林电科院、江阴天华等近10家企业采用流延法双向拉伸工艺制造聚酰亚胺(PI)薄膜,相继进行双向拉伸聚酰亚胺(PI)薄膜的产业化开发。国产聚酰亚胺(PI)薄膜90%以上应用于绝缘材料领域,年消费量3000~5000t,年进口量为800~900t。

随着我国高新技术产业快速发展,国内市场对聚酰亚胺(PI)薄膜的需求持续增加,年均复合增长率达到12%,2021年,我国聚酰亚胺薄膜市场需求量达到1.5万吨,价格定位也从2011年的85.4万元/吨下降至2021年的65.0万元/吨。近年来,国内专业制造商加速发展,国产化聚酰亚胺(PI)薄膜逐渐实现进口替代,其中,深圳瑞华泰薄膜科技股份有限公司产品销量的全球市场占比约4%,标志国产PI薄膜正式跨入全球竞争行列。

四、我国聚酰亚胺(PI)薄膜产业发展遇到的问题

我国是全球最大电子零组件生产基地,在技术与产品布局方面,国内PI薄膜制造厂商与全球主要生产厂商仍有一段距离,国内PI薄膜产业还存在以下问题:

1.国内现状使得国内制造企业无法培养高层次的技术人才;生产良率仍低于国际水平;工资持续上涨,削弱了当地生产的优势;融资渠道较为局限;产业规模持续扩大,在缺乏新兴产品驱动下造成PI薄膜制造厂商同质化竞争态势愈来愈明显等。

2.日商、韩商、台商持续提升生产技术水平,抢占国内庞大的消费市场;中、低阶产品一直存在着价格下降的压力;成本持续上升、经营环境不确定性增加;受国际经济环境波动巨大等。

3.国内生产的聚酰亚胺(PI)薄膜与国外同类产品在质量方面仍存在一定差距,如力学性能稍低,外观质量稍差,热收缩率稍高等问题。

五、聚酰亚胺(PI)薄膜市场前景

聚酰亚胺(PI)薄膜目前是世界上性能最好的绝缘薄膜材料,同时也是制约我国发展高新技术产业的三大瓶颈关键性合成材料之一。随着科技的日新月异与工业技术的蓬勃发展,聚酰亚胺(PI)薄膜除符合各类产品的物性要求外,更具有高强度、高韧性、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特殊性能,符合轻、薄、短、小、高可靠性的设计要求。

近年来,高性能聚酰亚胺(PI)薄膜在高阶挠性印制电路板(FPC)、LED、电子通讯及光电显示等产业的新应用使得新型PI 薄膜需求日益增多,在工业发展上扮演着越来越重要的角色。

随着电工、电子行业的迅速发展,国内聚酰亚胺(PI)薄膜材料制造厂商开发了多种商品化的高性能与功能化PI薄膜,如桂林电科院、江阴天华、深圳瑞华泰等开发的高尺寸稳定性薄膜;桂林电科院、苏州嘉银、宁波今山电子等开发的黑色PI薄膜;桂林电科院、天津天缘、天津嘉亿等开发的耐电晕PI薄膜以及长春高琦开发的无色透明PI薄膜等。2010年中科院化学所与深圳瑞华泰开始合作共建以开展PI薄膜双向拉伸、无色透明和微孔膜的产业化技术开发等研究为基础的高性能PI薄膜材料工程技术中心,以满足我国未来在柔性平板显示器、汽车大功率燃料电池以及有机薄膜太阳能电池等新型高技术产业发展的需求。

进入21 世纪,随着国内电子工业的发展,尤其是柔性覆铜板(FCCL)的快速发展给聚酰亚胺薄膜市场带来巨大的发展空间,市场需求日益增加。FCCL是广泛应用于电子工业、汽车工业、信息产业和各种国防工业用挠性印制电路板(FPC)的主要材料,未来高性能聚酰亚胺(PI)薄膜在柔性有机薄膜太阳能电池和新一代柔性LCD和OLED显示器产业以及锂离子等新型动力蓄电池技术和产业将会有着广阔的市场。

近年来PI在高阶FPC应用、LED、电子通讯与光电显示等相关产业的新应用如雨后春笋般浮现,新型聚酰亚胺材料的需求日益增多,如应用于手机的黑色聚酰亚胺膜产品、LED光条背光需求的白色聚酰亚胺膜产品及高导热、超薄及可电镀聚酰亚胺膜产品等。研发使用PI膜生产挠性太阳能电池和用于柔性显示器的透明基板,如Ube后续研发重点是光相关材料(LED/EL)与新一代基板材料。此外,三星移动显示公司将把TFT薄膜晶体管置于塑料基板上,使用聚酰亚胺薄膜取代基板上所存有的乙烯基塑料保护层,以避免透光率受到影响。

六、我国聚酰亚胺(PI)薄膜产业发展展望

1.多年攻关,满足产业渴求

新材料产业研发周期长,市场导入周期也长,为了能够快速投入生产,过去,我们曾一度试图模仿、照搬西方的技术,而忽略了新材料的研发这一基础性工作,无形中,反而多走了许多弯路。

2003年,在国家政策的大力扶持下,中科院化学研究所面向国家战略需求,与深圳瑞华泰薄膜科技有限公司合作,共同致力于我国高性能聚酰亚胺薄膜产业化技术的研究。双方合作,从基础研究入手,与深圳瑞华泰紧密合作,攻克了从关键树脂制备到连续双向拉伸法等技术难题,最终掌握了具有我国自主知识产权的高性能聚酰亚胺薄膜及其专用树脂的制造技术。

2.两项关键技术,打破跨国公司垄断

在“黄金薄膜”的研发过程中,中科院化学所和深圳瑞华泰公司攻克的两项关键技术,一项是新型薄膜专用树脂的制备方法,另一项就是连续化双向拉伸工艺的精确控制技术。前者属于基础研究,后者属于生产工艺研究。

连续双向拉伸工艺,是通过两个方向的连续拉伸,大大增强了薄膜的强度和尺寸稳定性。和国内同类产品相比,所研制的高性能聚酰亚胺薄膜的拉伸性能得到明显提高;和国外同类产品相比,其拉伸强度、伸长率和电气绝缘性能等方面都表现出明显的优越性,而价格却比国外低得多。凭借着出色的性价比和本土化的优势,高性能聚酰亚胺薄膜进入市场后,已经表现出强劲的竞争力和价格优势。

3.未雨绸缪,站在技术制高点

中科院项目研究组表示,未来还将开展“黄金薄膜”的系列化与功能化研究,如透明薄膜、微孔膜等以满足我国未来在柔性平板显示器、汽车大功率燃料电池以及有机薄膜太阳能电池等新型高技术产业的需求。“这一系列建设项目的完成,不但将使我国成为高性能聚酰亚胺薄膜的生产大国,同时也成为制造技术的强国,为我国高新技术产业的发展建立起关键支柱材料的生产基地。”

 

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