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聚碳酸酯(PC):功能整合与新的特种产品

来源:国际塑料商情 发布时间:2022-12-07 699
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 市场趋势
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全球很大一部分聚碳酸酯在亚洲加工,其中大部分是在中国。这也是产能扩张主要发生在这里的原因。在亚洲以外的地区,制造商们更加关注新生产技术带来的特种产品,例如:部件的功能集成。未来,可持续性也将成为所有制造商面临的关键性问题。

聚碳酸酯(PC)以颗粒和颗粒状化合物以及薄膜、片材和复合半成品的形式销售。受新冠病毒的影响,全球PC市场在2020年略有下滑,但在2021年就已恢复到了2019年的水平。据科思创(Covestro)估算,2021年全球对这种热塑性塑料(包括共混物中的PC成分)的需求已超过了450万吨。从中期来看,每年增长率预计为4%左右。但是,由于俄乌冲突的影响以及因新冠病毒等事件造成全球供应链中断,近期的销售情况无法可靠地预测。


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2021年聚合物的最大消费对象是电气电子行业和家用电器领域的制造商,占比约为35%。汽车生产商约占销量的20%,其次是建筑和消费品行业,分别占约15%和近10%。


亚洲占全球销量的60%以上


与往年一样,中国是世界上最大的PC消费市场。2021年,中国占全球销量的40%以上,包含中国在内的整个亚太地区(APAC)占60%以上。欧洲、中东和非洲(EMEA)地区以及北美自由贸易区(NAFTA)(美国、加拿大和墨西哥)紧随其后,份额分别为近25%和15%。


市场上最大的PC生产商是科思创和沙特基础工业公司(SABIC)。两家公司合起来拥有世界上近半的PC产能。其他主要厂商包括三菱、乐天化学和帝人。随着新的中国生产商的出现,排在这些领先PC生产商之后的名单将在中期发生变化。


未来几年,中国的PC销量预计将以5%-6%的速度增长,远高于世界其他地区。因此,几乎所有的新增产能投资都集中在中国。十年前,只有四家PC生产商在中国开展业务。到2022年初,这一数字已增至16家。据科思创预计,到2025/2026年,全球约50%的PC产能将位于中国。近年来,中国新建工厂的总产能已超过了200万吨,目前几乎已可满足自己所有的需求。未来5年,中国的PC产能有望再增加200万吨。因此,全球PC产能预计将从2021年的650万吨增加到2025/2026年的900万吨以上。


中国的产能扩张仍将继续


在中国,不仅是全球活跃的生产商正在扩大产能,本地生产商也在不断扩大产能,其中还有一些新进入者。这些投资主要用于扩建现有工厂。例如,在中国活跃了一段时间的PC制造商鲁西化工和万华化学正计划相继扩建其分别位于山东聊城和烟台的工厂。在中期,沧州大化计划使其于2020年底在河北沧州投产的工厂产能翻番至20万吨/年。浙石化计划在2023/2024年之前为其于2021年在浙江舟山投产的26万吨/年的工厂新增一期同等产能的项目。平煤神马集团也计划在未来数年内分多期大幅扩大其在河南平顶山市新建的产能为10万吨/年的工厂。同样,位于海南东方市的海南华盛工厂于2022年初刚投产,其产能预计将在2024/2025年前翻番至52万吨/年。


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图1:科思创扩大了其位于德国多尔马根工厂的特种PC薄膜的产能,

旨在满足汽车等领域新应用的新增需求 ©科思创


此外,也有一些全新的工厂已在中国建成或仍在建设之中。例如,中石化与SABIC的合资企业中沙(天津)石化有限公司(SSTPC)于2021年底在天津大港建成了一座年产能为26万吨的新工厂。台湾奇美在中国的第一家PC工厂预计于2025年在福建漳州投产,年产能为18万吨。SABIC和福建石化集团的合资企业也计划于同年在福建古雷建成一座年产能为29万吨的工厂。


聚焦特种产品


许多主要PC生产商在战略上将他们的业务重点放在更密切地关注市场需求上。其目标之一是从具有更高价值的业务和更快增长的应用中获得更大的利益。科思创为此成立了两个新的部门:高性能材料部将业务与标准材料(例如:制造水瓶的PC)捆绑在一起,侧重于以具有竞争力的市场价格提供可靠的标准产品;特殊材料解决方案部侧重于通过快速创新生产复杂的产品并为客户提供应用技术服务。科思创特殊材料解决方案部涵盖的业务涉及PC化合物(例如:用于电动汽车和医疗技术的产品)和用于轻量化结构的PC复合材料等。据科思创估计,这些材料的销量在中期将以每年7%的速度增长,远高于标准PC的增长率。因此,该公司计划在未来几年内将混配产能扩大23万吨/年。近期于印度新德里附近的Greater Nodia工厂投产的另外两条混配生产线正是计划的第一步。


盛禧奧(Trinseo)也将其高性能塑料部门拆分为基础塑料部和工程材料部。它将工程塑料业务与高要求应用(例如:消费电子)的化合物和共混物合并在了一起。SABIC计划将旗下的特种化学品业务上市,其业务包括PC共聚物和化合物。目标是重组该业务以更好地利用这些材料的增长潜力。


后向整合迫在眉睫


目前,一些日本PC厂商也在进行重组。例如:作为资产重组的一部分,三菱化学于2021年10月底退出了与中石化在北京燕山的合资企业。作为塑料业务重组的一部分,三菱化学计划在2023年4月将其在50:50的合资企业三菱工程塑料中的一半股份转让给其合作伙伴三菱瓦斯化学。


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图2:用于3D打印的PC线材Polymaker PC-r

包含由中国制造商农夫山泉的废水桶制成的塑料回收料 ©科思创


后向整合的趋势越来越明显,尤其是在亚洲生产商之间,有时候甚至会涉及苯酚和丙酮。除了原材料供应限制,造成这种情况的根本原因可能是因为PC主要原材料——尤其是双酚A的价格在过去两年里非常不稳定,达到了前所未有的水平。因此,一些未进行后向整合的亚洲制造商不得不削减产能或暂时关闭工厂。


除了PC基础树脂之外,在全球范围内PC薄膜、片材和复合材料的产能也不断扩大。例如:科思创于2021年在其位于德国多尔马根的工厂启动了额外的高品质特种薄膜生产线(图1)。新生产线主要生产多层平面薄膜,它们被用于医疗、电气、汽车内饰和外饰等领域或用作身份证件的安全功能。该项目是该公司全球薄膜产能扩张计划的一部分。


建立循环材料流


气候变化、资源稀缺和全球塑料垃圾问题几乎使所有PC生产商都采用了循环产品并将循环经济视为气候中和、资源节约和环境保护的关键。科思创正在进行调整,以实现循环经济为新的企业愿景,目标是到2035年实现气候中和。为了实现这一目标,该集团将减少自身生产、外部能源以及价值链上下游的温室气体排放量(范围1、2、3)。


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图3:与传统的纯化石材料相比,使用高品质PC回收料可使智能手机

Fairphone 4生产过程中的二氧化碳排放量减少30% © Fairphone


材料循环的调整促使PC生产商将化合物、薄膜、板材和复合材料的生产转向了替代原材料来源,例如:回收材料和生物基材料。生产基地和产品都将通过认证来向客户展示这些原材料的可持续性。其中,ISCC-Plus标准(国际可持续发展和碳认证)作为生物质和生物能源可持续性认证的国际体系已取得了相当大的成功。盛禧奧、SABIC、乐天化学和LG化学宣布他们已获得了ISCC认证。科思创位于上海(中国)、麦普塔普特港(泰国)、安特卫普(比利时)、克雷费尔德-乌丁根(德国)、勒沃库森(德国)和多马根(德国)的生产基地均已通过该标准认证。


越来越多的材料符合ISCC-Plus标准要求


ISCC-Plus标准与生产过程中的质量平衡相关。这种监管链方法允许化石原料和替代性原材料在生产中混合,但在簿记中分开。因此,该方法可通过价值链跟踪材料,并将原材料分配给选定的最终产品。质量平衡的原材料与化石基产品相同,因此可以作为直接替代方案集成到现有的生产工艺中。


在PC生产中转向替代原材料的例证之一是科思创和三井化学达成的一项协议。这家日本化学公司将为科思创位于中国上海和泰国麦普塔普特港的生产基地供应经ISCC Plus认证基于质量平衡方法生产的PC原材料丙酮和苯酚。


气候中和的PC材料


目前,几乎所有的主要PC生产商都将经过标准认证的产品作为其产品系列的一部分。例如,作为Trucircle循环解决方案计划的一部分,SABIC于2019年推出了基于可再生原料的PC化合物,最近还推出了薄膜和片材产品(产品名称:Lexan)。科思创近期推出了世界上首款碳中和PC化合物,名为Makrolon RE。它们由生物废物和残余材料制成,部分使用可再生电力生产。“气候中和”是对从资源开采(摇篮)开始到科思创工厂大门为止这部分产品生命周期进行评估得出的结果。评估方法基于ISO 14040标准,并经过德国莱茵集团(TÜV Rheinland)的合理性检查。评估过程考虑了基于供应链初步数据的生物碳固存以及生产过程中可再生电力的使用。电力根据所谓的“来源担保”证书进行分配。未使用任何补偿证书。


除了该品牌的其他PC化合物,经ISCC-Plus认证的RE产品系列正在开发耐高温共聚碳酸酯Apec和PC共混物Bayblend和Makroblend。它们尤其适用于新移动出行、电气电子和医疗技术部件。该公司还将于2022年底推出经过相应认证的Makrofol产品系列PC薄膜。


Makrolon RE的初始应用包括电动汽车充电站。EVBox是一家荷兰电动汽车充电技术服务提供商,它正计划在充电站的制造过程中使用可持续的PC化合物。其目标是节约资源并最大程度地减少充电站的二氧化碳足迹。


回收领域的合作


为了建立回收料的材料循环,PC生产商目前正在审视整个塑料价值链。举例来说,科思创在中国与饮料分销商农夫山泉和后处理商奥塞尔合作回收由PC制成的19升水桶。这些回收料可用于消费电子元件3D打印线材的生产(图2)。今年年初,盛禧奥收购了荷兰公司Heathland,这是一家欧洲的消费后(PCR)和工业后塑料(PIR)废物回收商。


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图4:BMW iX独特的前脸由Makrolon AG制成。驾驶辅助系统配备的摄

像头技术、雷达功能和其他传感器均优雅地集成在大型部件中 ©宝马


高品质PC回收料的应用案例之一是荷兰Fairphone公司易于维修的Fair-phone 4手机。该设备的后盖、中框和智能手机无线充电器等均由PC制成,其中PCR含量为30-50%(图3)。


在汽车行业,PC新的增长机会来自于燃油汽车向电动汽车的过渡以及驾驶辅助系统和自动驾驶的趋势。举例来说,随着内燃机车的淘汰,传统的散热器格栅已成为过去。相反,通过利用由透明塑料制成的无缝外饰件,电动汽车的前脸正在兴起新的设计自由。例如,BMW iX的前脸呈肾形,色彩丰富并具有玻璃般的3D深光泽(图4)。车辆的雷达传感器无缝隐藏在前脸的后面,但它集成了一种几乎不可见的加热膜来防止传感器结冰。


快速增长的电动汽车市场


在生产过程中,将一个由Makrofol制成的具有加热功能的3D薄膜预制嵌件在注射压缩模具中与透明PC Makrolon AG背模成型,然后得到一个集成了局部薄膜区域的热塑性部件,再用RIM混合头(反应注射成型)涂上耐刮擦的自修复透明聚氨酯涂层系统(PUR)。该部件由宝马、科思创以及其他合作伙伴共同开发。该项目在科思创位于德国勒沃库森的技术中心进行,包括多个开发工具的测试和优化。开发得到了塑料制造商在注塑压缩成型材料和PUR反应系统在模具填充过程中的流变行为仿真方面的专业知识的支持。


辅助驾驶的趋势将汽车内饰变成了一个移动的工作和生活环境,对功能性和舒适性提出了全新的要求。内饰将通过显示面板和信息娱乐、装饰和精致设计开创以PC薄膜为表面材料的新应用,例如:与木材、金属和水晶等真实材料的组合。因此,几乎所有PC薄膜制造商都在开发新薄膜。举例来说,科思创推出了适用于真实金属电镀表面的半透明PC+ABS薄膜,将凉爽的触感与触摸传感器和背光效果相结合(标题图)。针对显示屏,具有增强光学性能的PC和PC+PMMA薄膜也正在开发中。


更轻量化的功能集成部件


模内结构电子(IMSE)技术是PC薄膜应用的一个新兴增长领域。该工艺使应用在薄膜上的互连电子功能和部件能够直接集成到各种模制的塑料外壳中。它包括在薄膜上印刷装饰层和电子功能(如电路、传感器、控制表面和照明元件),然后进行成型和反注。结果得到了体积小、重量轻的超薄部件,不仅具有几乎无缝的智能表面,而且单个电子元件的数量明显减少。科思创和TactoTek联合开发的IMSE显示器样品展示了该技术的潜力,该产品厚度仅为3.5毫米。除了电容式触摸控制功能和OLED显示屏外,它还集成了功能性照明元件和环境照明(图5)。


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图5:薄膜技术使其成为可能:TactoTek和科思创联合开发的Nighthawk样品包含触摸功能、显

示屏和照明元件,厚度仅为3.5毫米 ©科思创


IMSE技术为光学双层表面的应用提供了巨大的潜力,包括汽车内饰和电动汽车充电站以及消费电子和工业电子。这项技术的薄膜开发主要集中在更耐刮擦的产品上。因此,涂层在卷对卷工艺中被直接涂在薄膜上,然后在薄膜成型后固化。此外,薄膜也可以通过共挤出或层压工艺配备功能层。它能够为具有美观的天鹅绒哑光外观和舒适手感的部件表面带来良好的耐刮擦性和耐化学性。


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图6:自动注射器的制造仅使用了PC材料,因此能够更好地进行回收 

©科思创

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图7:由PC薄膜制成的乳房植入物包装。坚固的外层能够保护植入物免

受冲击 ©科思创


医疗技术增长领域


医疗技术正逐渐成为一个有吸引力的增长领域,尤其是对特种PC而言。可持续性和循环经济在该领域也变得越来越重要。其中一个重点领域是医疗设备的回收友好型设计,它可用于对废弃塑料部件进行二次利用。例子之一是用于自我给药的自动注射器的设计研究(图6)。与常见设计不同,它不是由大多化学不相容的塑料混合而成,而是完全由PC和共混物组成。注射器无需紧固件即可组装和快速拆卸。因此,未被污染的部件可以在使用结束后按材料分类,回收材料可以在闭环回收过程中用于生产原始部件。但是,这些部件也可以加工成高品质的PC材料混合物,用于开环回收意义上的其他应用。总之,这几乎不会造成任何浪费。通过使用气候中和PC材料(例如:Makrolon RE系列),注射器的二氧化碳足迹可以显著减少。由PC制成的薄膜越来越多地被用于高品质医疗产品的安全包装,例如:人造乳房植入物。它可以在Makrofol MA507中运输和储存,因为这是一种极耐冲击的薄膜,可以通过高温蒸汽灭菌法进行灭菌(图7)。


本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

作者:Frank Schnieders,Guido Naberfeld,Dirk Pophusen


来源:荣格-《国际塑料商情》


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