分子量

（報(bào)告出品方/作者：國(guó)信證券，楊林、薛聰、曹熠）

超高分子量聚乙烯是高性能工程塑料，下游應(yīng)用范圍廣闊

超高分子量聚乙烯是一種線性結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)良綜合性能的工程塑料。UHMWPE分子鏈很長(zhǎng)，沿同一方向排列，相互纏繞，通過(guò)強(qiáng)化分子之間的相互作用，較長(zhǎng)的分子鏈能夠更有效地將載荷傳遞給主鏈，所以UHMWPE具有很高的比模量和比強(qiáng)度。UHMWPE耐磨性位居塑料之首比碳鋼、黃銅還耐磨數(shù)倍，其耐磨性能是普通聚乙烯的數(shù)十倍以上，而且隨著分子量的增加，其耐磨性能也會(huì)進(jìn)一步提高。摩擦系數(shù)也比其它工程塑料小，可以與聚四氟乙烯相媲美，是理想的潤(rùn)滑材料，由于其良好的耐磨性能和潤(rùn)滑性能，UHMWPE在人工關(guān)節(jié)方面得到了廣泛應(yīng)用。UHMWPE具有優(yōu)良的抗水性能，幾乎不吸水，其吸水率在工程塑料中是最小的。UHMWPE耐沖擊性能也是目前工程塑料中最高的，比以耐沖擊性能著稱的聚碳酸酯還要高3～5倍。由于UHMWPE分子結(jié)構(gòu)以直鏈為主，具有超拉伸取向必備的結(jié)構(gòu)特征，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)3～3.5GPa，拉伸彈性模量高達(dá)100～125GPa。UHMWPE還具有優(yōu)良耐化學(xué)藥品性，在一定溫度、濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)及有機(jī)溶劑。優(yōu)良的耐低溫性能，在冰點(diǎn)以下也具有良好的沖擊強(qiáng)度，最低使用溫度可以達(dá)到－269℃。另外，UHMWPE還具有良好的不粘性、無(wú)毒、優(yōu)良的電氣絕緣性能、比HDPE更好的耐疲勞性及耐γ-射線能力等。

超高分子量聚乙烯技術(shù)壁壘——催化劑

催化劑是UHMWPE生產(chǎn)工藝的核心。乙烯的聚合主要受聚合溫度、壓力、催化劑組成及用量、外給電子體和氫氣的影響，催化劑是聚合技術(shù)的核心，對(duì)聚合產(chǎn)物平均分子量、分子量分布、堆密度、結(jié)晶度以及顆粒的大小和形態(tài)都有著重要影響。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，催化劑的性能和制備技術(shù)都得到了迅速地發(fā)展，目前主要的UHMWPE催化劑有Ziegler-Natta（Z-N）催化劑、茂金屬催化劑和非茂過(guò)渡金屬催化劑。

超高分子量聚乙烯技術(shù)壁壘——聚合工藝

目前生產(chǎn)UHMWPE樹(shù)脂的工業(yè)裝置大多采用淤漿聚合，淤漿工藝主要包括攪拌釜工藝與環(huán)管工藝。

釜式聚合工藝：釜式聚合包括Hostalen工藝和三井CX工藝，目前絕大多數(shù)的UHMWPE聚合采用Hostalen攪拌釜工藝。Hostalen工藝流程包括兩個(gè)反應(yīng)器，在第一反應(yīng)器中加入乙烯、氫氣和催化劑，生產(chǎn)較高熔融指數(shù)的樹(shù)脂，得到的聚合物漿液進(jìn)入第二反應(yīng)器，在第二反應(yīng)器中完成剩余乙烯的聚合反應(yīng)。該工藝裝置的操作壓力和操作溫度低、操作彈性高、生產(chǎn)靈活且穩(wěn)定性較好，而且使用該工藝，催化劑耐雜質(zhì)能力強(qiáng)，對(duì)乙烯氣原料的純度要求低。目前全球超過(guò)三分之二的UHMWPE聚合采用Hostalen釜式工藝。

環(huán)管聚合工藝：環(huán)管工藝主要有Phillips公司的Phillips單環(huán)管工藝和Ineos公司的InnoveneS雙環(huán)管工藝。這兩種工藝均采用異丁烷為反應(yīng)介質(zhì)環(huán)管工藝不同于Hostalen工藝和CX工藝的釜式攪拌，其物料依靠軸流泵的推動(dòng)在環(huán)管中高速流動(dòng)來(lái)撤除聚合反應(yīng)熱。Phillips公司利用改性后的二氧化硅或氧化鋁固定催化劑來(lái)生產(chǎn)UHMWPE，聚合中不需要加入氫氣，投資少，但對(duì)催化劑的要求較高。InnoveneS工藝也較成熟，布局緊湊，產(chǎn)品質(zhì)量控制穩(wěn)定，特點(diǎn)是物料停留時(shí)間短，牌號(hào)切換快。

超高分子量聚乙烯供應(yīng)——國(guó)內(nèi)產(chǎn)能擴(kuò)張加速

UHMWPE產(chǎn)量、需求量同步增長(zhǎng)。據(jù)同益中招股書(shū)中披露，2016年，全球UHMWPE產(chǎn)能和需求量分別為22.1萬(wàn)噸和20萬(wàn)噸，隨著制造業(yè)對(duì)材料的特性要求越來(lái)越高，UHMWPE以其優(yōu)異的特性，有著廣闊的市場(chǎng)前景，預(yù)計(jì)至2021年UHMWPE產(chǎn)量和需求量分別有望達(dá)到38萬(wàn)噸和36.7萬(wàn)噸。

超高分子量聚乙烯纖維是三大高性能纖維之一，下游應(yīng)用范圍廣闊

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，又稱高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第三代高性能纖維。超高分子量聚乙烯纖維是目前工業(yè)化高性能纖維材料中比強(qiáng)度和比模量最高的纖維，是分子量在100萬(wàn)以上的聚乙烯樹(shù)脂所紡出的纖維（普通聚乙烯的分子量一般在4-12萬(wàn)），其斷裂伸長(zhǎng)率高于碳纖維和芳綸，柔韌性好，在高應(yīng)變率和低溫下力學(xué)性能仍然良好，抗沖擊能力優(yōu)于碳纖維、芳綸等，是一種非常理想的防彈、防刺安全防護(hù)材料。超高分子量聚乙烯纖維與普通的聚乙烯纖維相比，具有強(qiáng)度高、韌性好，以及優(yōu)良的抗沖擊性和抗切割性、高耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性等特性。其中，超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)鋼材的15倍，是玻璃和尼龍66的4倍，是碳纖維的2.6倍，是芳綸纖維的1.7倍；在抗沖擊性能方面，超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比沖擊總吸收能量是碳纖維的1.8倍、芳綸的2.6倍，防彈能力是芳綸裝甲結(jié)構(gòu)的3.6倍。由于質(zhì)輕高強(qiáng)及比能量吸收高的特點(diǎn)，超高分子量聚乙烯纖維已逐步取代芳綸，成為個(gè)體防彈防護(hù)領(lǐng)域的首選纖維。超高分子量聚乙烯纖維具有超高強(qiáng)度、超高模量、低密度、耐磨損、耐低溫、耐紫外線、抗屏蔽、柔韌性好、沖擊能量吸收高及耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、化學(xué)腐蝕等眾多的優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于軍事裝備、海洋產(chǎn)業(yè)、安全防護(hù)、體育器械等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維發(fā)展歷程及趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)UHMWPE纖維企業(yè)正處于成長(zhǎng)階段，目前產(chǎn)品多用于中低端領(lǐng)域。2005年，以同益中、湖南中泰、寧波大成為代表的國(guó)內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維企業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破后，UHMWPE纖維行業(yè)良好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益吸引多家企業(yè)投資，國(guó)內(nèi)新建了數(shù)十條UHMWPE纖維生產(chǎn)線，形成了較為完善的規(guī)?；a(chǎn)能力。國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：（1）逐步實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯纖維的批量化生產(chǎn)，打破海外龍頭技術(shù)壟斷、填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)品的進(jìn)口替代；（2）國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維及復(fù)合材料產(chǎn)品，在主要指標(biāo)和功能方面，已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先知名品牌的同等水平，實(shí)現(xiàn)了在相關(guān)高端應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)口替代，特別是改變了我國(guó)在部分軍工裝備領(lǐng)域（例如海軍艦艇纜繩和武警、陸軍防彈衣等）的對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴及受制約的局面；（3）在抗蠕變等高端產(chǎn)品以及醫(yī)用縫合線、雷達(dá)天線罩等細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)仍處于起步階段，我國(guó)企業(yè)仍將持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品及應(yīng)用研發(fā)。

超高分子量聚乙烯纖維——濕法紡絲工藝

濕法工藝路線紡絲：濕法路線采用的紡絲溶劑為高沸點(diǎn)不易揮發(fā)溶劑，如白油、礦物油、煤油等，紡絲加工溫度可調(diào)節(jié)范圍大。紡絲溶劑需要在紡絲后期進(jìn)行萃取和干燥，常用萃取劑主要有碳?xì)淝逑磩?、二氯甲烷、二甲苯等，紡絲溶劑回收工藝經(jīng)十余年的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，但環(huán)保、安全的壓力較大。

超高分子量聚乙烯纖維需求快速增長(zhǎng)

近年來(lái)，我國(guó)超高分子量聚乙烯纖維的需求量保持持續(xù)較快增長(zhǎng)，主要來(lái)源于軍事裝備、海洋產(chǎn)業(yè)和安全防護(hù)等領(lǐng)域。未來(lái)，隨著市場(chǎng)需求的不斷增加，超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)仍將持續(xù)快速發(fā)展。一方面，超高分子量聚乙烯纖維作為現(xiàn)代國(guó)防必不可少的戰(zhàn)略物資，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策將其列為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，主要包括《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》《增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》等；另一方面，隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平的持續(xù)提升，超高分子量聚乙烯纖維的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，日益增加的軍品、民品應(yīng)用將為超高分子量聚乙烯纖維帶來(lái)龐大的市場(chǎng)需求。據(jù)同益中招股書(shū)中披露，2015年至2019年，中國(guó)超高分子量聚乙烯纖維需求量復(fù)合增長(zhǎng)率為19.87%，2020年至2025年，預(yù)期中國(guó)超高分子量聚乙烯纖維需求量復(fù)合增長(zhǎng)率為15.05%。

國(guó)防裝備費(fèi)投入增加有望拉動(dòng)UHMWPE纖維需求

國(guó)防裝備費(fèi)投入增加將拉動(dòng)UHMWPE纖維需求。由于超高分子量聚乙 烯纖維具有耐沖擊性能好、比能量吸收高、輕質(zhì)、使用溫度范圍大等 優(yōu)勢(shì)，可以被應(yīng)用在直升飛機(jī)/坦克/艦船的裝甲防護(hù)（防彈）板、雷 達(dá)的防護(hù)外殼罩、導(dǎo)彈罩、盾牌、降落傘、防彈頭盔、防彈衣等不同 產(chǎn)品上。包括美國(guó)、歐盟、俄羅斯、中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家軍費(fèi)支出占 GDP比重近年來(lái)有所提升，推動(dòng)全球軍費(fèi)支出占GDP比重小幅增加，國(guó) 防支出的提升將會(huì)極大地推動(dòng)超高分子量聚乙烯纖維的需求。

隔膜是電池組件中的關(guān)鍵組件

隔膜是現(xiàn)有鋰電池內(nèi)層組件中技術(shù)壁壘最高的材料，直接決定了鋰電池的使用性能和安全性。鋰電池隔膜是一種具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絕緣材料，平均孔徑為0.03～0.10μm，其主要作用是使電池的正、負(fù)極分隔開(kāi)，防止兩極接觸而短路，能讓鋰離子自由通過(guò)，阻隔電流傳導(dǎo)，防止電池過(guò)熱。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性。根據(jù)隔膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋰電池隔膜可分為聚烯烴隔膜、無(wú)紡布隔膜與無(wú)機(jī)復(fù)合隔膜。其中，聚烯烴隔膜是目前商業(yè)化鋰電池隔膜的主流，以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等為主。

隔膜約占鋰離子電池成本的7%，市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)

隔膜約占鋰離子電池成本的7%。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)的數(shù)據(jù)，2021年鋰離子電池正極成本加起來(lái)占每個(gè)電池總成本一半以上，為51%。電池制造過(guò)程包括電極制備、電池組件和電池電化學(xué)激活，這一過(guò)程占總成本的24%，負(fù)極占總成本的12%，隔膜、電解液和電池外殼分別占總成本的7%、4%和3%。

UHMWPE隔膜是高端隔膜，可用于高效、大功率電池中

UHMWPE隔膜是高端隔膜，可用于高效、大功率電池中。近年來(lái)，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，動(dòng)力電池的安全性受到人們的高度重視，因此對(duì)隔膜的性能提出了更高的要求。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于分子質(zhì)量高決定了其制備鋰電池隔膜的優(yōu)勢(shì)，耐磨損、耐沖擊、耐化學(xué)腐蝕、耐低溫，力學(xué)性能、耐熱性優(yōu)于普通PE、PP，綜合性能優(yōu)異。UHMWPE隔膜是鋰電池隔膜中的高端產(chǎn)品，特別在高溫下熔體呈凝膠狀，熔而不塌，對(duì)過(guò)充或者溫度突升時(shí)短路、爆炸具有優(yōu)良的安全保護(hù)作用，更適用于高效、大功率的動(dòng)力電池。

UHMWPE鋰電隔膜的生產(chǎn)可分為干法工藝與濕法工藝

干法工藝路線簡(jiǎn)單，但隔膜產(chǎn)品性能不佳：干法工藝又稱熔融拉伸法，包括單向拉伸、雙向拉伸工藝和吹塑工藝，是指將聚烯烴樹(shù)脂熔融、擠出制成結(jié)晶性聚合物薄膜，經(jīng)過(guò)結(jié)晶化處理、退火獲得高結(jié)晶度的結(jié)構(gòu)，隨后在高溫下進(jìn)一步拉伸，將結(jié)晶界面進(jìn)行剝離，形成多孔結(jié)構(gòu)的制備工藝。干法單向拉伸工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且無(wú)環(huán)境污染，但低溫拉伸時(shí)容易導(dǎo)致隔膜穿孔且拉伸倍數(shù)較小，產(chǎn)品不能做得很薄。與縱向相比，橫向拉伸強(qiáng)度差，其隔膜呈扁長(zhǎng)微孔結(jié)構(gòu)。

UHMWPE管材——性能優(yōu)異的管道材料

UHMWPE管材以其突出的耐腐蝕性、耐熱、耐磨、對(duì)輸送介質(zhì)無(wú)污染性、 使用壽命長(zhǎng)、制造安裝費(fèi)用低等優(yōu)異性能，在石油化工、河海疏浚、尾 礦輸送、海洋浮標(biāo)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。UHMWPE管材的耐磨性比 HDPE高4倍，是碳鋼、不銹鋼的7～10倍，摩擦系數(shù)僅為0.07～0.11，自 潤(rùn)滑性優(yōu)異；沖擊強(qiáng)度高，特別是在低溫條件下，仍有相當(dāng)高的沖擊強(qiáng) 度；其還具有優(yōu)良的抗內(nèi)壓強(qiáng)度、耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性等。

UHMWPE板材、型材——人工關(guān)節(jié)的主流材料

UHMWPE板材廣泛應(yīng)用于各類護(hù)舷板、車廂滑板、煤倉(cāng)襯板、旱冰滑板、鐵路公路橋梁支座墊片以及人工關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。目前市場(chǎng)上超過(guò)90%的人工關(guān)節(jié)材料中的襯墊為UHMWPE材料，全球每年約有三百萬(wàn)次的關(guān)節(jié)置換手術(shù)，UHMWPE部件的磨損和損壞是影響人工關(guān)節(jié)壽命的主要因素。UHMWPE于1960年被首次應(yīng)用于制作人工關(guān)節(jié)襯、墊。目前，UHMWPE基礎(chǔ)樹(shù)脂的耐磨性能還不能完全滿足關(guān)節(jié)的長(zhǎng)時(shí)間使用，美國(guó)麻省總醫(yī)院等研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開(kāi)發(fā)了交聯(lián)UHMWPE，大幅降低了關(guān)節(jié)磨損，于1998年首次獲得食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)進(jìn)入臨床應(yīng)用。隨后，歐美國(guó)家又發(fā)明了維生素E聚乙烯，兼?zhèn)淇寡趸湍湍バ阅?，?009年獲得FDA批準(zhǔn)進(jìn)入臨床使用。我國(guó)從1990年起逐漸使用UHMWPE 制作關(guān)節(jié)襯墊，但國(guó)產(chǎn)UHMWPE的分子量、成型加工工藝以及關(guān)節(jié)制造工藝等都較落后，人工關(guān)節(jié)臨床使用壽命短（平均五年左右）， 磨損等導(dǎo)致的并發(fā)癥嚴(yán)重。

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