聚酰胺(Polyamide,簡稱PA)又被稱為尼龍(Nylon),是分子鏈重復(fù)單元中具有酰胺基團(-NHCO-)的聚合物統(tǒng)稱。尼龍是五大工程塑料之首,其按照主鏈結(jié)構(gòu)中是否含有苯環(huán)可以分為脂肪族尼龍、半芳香族尼龍以及全芳香族尼龍,其中脂肪族尼龍較為代表的有PA6、PA66,PA6和PA66是最早開發(fā)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的尼龍品種,也是目前產(chǎn)量和消耗量最大分尼龍品種,約占尼龍總產(chǎn)量的90%,除此之外還有PA11、PA12、PA610等。
在普通的尼龍復(fù)合材料中,主要的汽車和工業(yè)領(lǐng)域,玻纖增強PA6和PA66是最常見的尼龍復(fù)合材料,擁有優(yōu)異的力學(xué)性能。純PA6和PA66材料吸水性大,尺寸穩(wěn)定性相對較差,經(jīng)玻纖改性后力學(xué)性能得到大幅提升,玻纖增強PA6和PA66擁有優(yōu)異的機械強度、耐磨性、抗蠕變性、高沖擊強度和機械減震性,因而目前廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機周邊部件如進氣歧管、發(fā)動機蓋罩等,電子電氣的線圈骨架以及工業(yè)領(lǐng)域的齒輪軸承等部件。
在電線電纜及油管等領(lǐng)域,PA11和PA12復(fù)合材料吸濕率低,擁有良好的自潤滑性和電氣絕緣性,被廣泛應(yīng)用。PA11和P12中都存在著數(shù)量較多的非極性亞甲基基團,這使得PA11和PA12分子鏈的柔順性較大,擁有優(yōu)異自潤滑性,同時PA11和PA12均屬于自熄性材料,擁有較好的電氣絕緣性,但PA11和PA12的生產(chǎn)成本較高,目前玻纖增強PA11和PA12主要應(yīng)用于汽車油管和電線電纜保護套。
在齒輪軸承及電子電氣罩殼中,PA610復(fù)合材料耐沖擊性等綜合性能突出被廣泛應(yīng)用。PA610具有良好的耐沖擊性、抗疲勞性和耐磨性,其力學(xué)強度雖低于PA6、PA66,但高于PA11、PA12,PA610吸水率低于PA6和PA66,耐熱性高于PA11和PA12,且也屬于自熄性材料,目前玻纖增強PA610主要應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域的齒輪、軸承以及電子電氣領(lǐng)域的各種罩殼。
高溫尼龍復(fù)合材料的綜合性能更優(yōu),尤其在耐高溫等方面表現(xiàn)優(yōu)異,被廣泛應(yīng)用于各類耐高溫的應(yīng)用場景中。
在需耐熱性的汽車部件領(lǐng)域,由于PA46耐磨性能優(yōu)異,被用于制造各類汽車部件。PA46結(jié)構(gòu)對稱,結(jié)晶速度較快且結(jié)晶度高,其耐磨性和耐熱性在現(xiàn)有高溫尼龍中較為優(yōu)異,目前主要用于汽車中的電氣節(jié)氣門控制、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、渦輪、可變進氣系統(tǒng)以及其他機械中的齒輪、軸承等,但PA46的酰胺基密度高,而酰胺基屬于親水基團,所以PA46吸水性在現(xiàn)有高溫尼龍中相對較高,吸水后的PA46的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐化學(xué)性都會受到影響。
在連接器、斷路器、開關(guān)等電子電氣領(lǐng)域,常使用PA4T和PA6T,其熔點和變形溫度較高,適合SMT工藝且機械強度較高。PA4T和PA6T的鏈段中重復(fù)單元較短,熔點和熱變形溫度都非常高,兩者的熔點(PA6T的熔點為370℃)均超過自身分解溫度(PA6T的分解溫度為350℃),因此純PA4T和PA6T不易加工,目前商業(yè)化的PA4T和PA6T的產(chǎn)品都是引入了共聚物(一般是PA6或者PA66)以降低自身熔點,目前PA6T和PA4T的共聚物熔點一般在320℃左右。由于PA4T和PA6T的熔點和熱變形溫度較高,能夠承受SMT(Surface Mount Technology,表面組裝技術(shù))工藝中的回流焊接高溫(一般回流焊的峰值溫度在260℃左右),同時機械強度也較好,因此廣泛應(yīng)用于電子電氣和工業(yè)建筑領(lǐng)域,如各種連接器、開關(guān)、插座、繼電器、斷路器、手機筆記本電腦外殼、SMD元件、電纜保護套等。
尼龍復(fù)合材料兼具高強度和輕量化的性能,廣泛用于汽車、電子電氣、消費等領(lǐng)域。
尼龍復(fù)合材料下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,2025年尼龍復(fù)合材料市場將超過2300億元。尼龍復(fù)合材料擁有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、自潤滑性、耐老化性等性能,其中高溫尼龍具有優(yōu)異的耐高溫、高強度和耐化學(xué)品性,尼龍復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于汽車、電子電氣、消費、工業(yè)建筑等領(lǐng)域。
尼龍材料在汽車、電子電氣領(lǐng)域的應(yīng)用占比較大,約占80%。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心數(shù)據(jù),目前電子電氣和汽車是最大的應(yīng)用領(lǐng)域,兩者合計應(yīng)用占比約80%,除此之外,應(yīng)用領(lǐng)域還包括家庭廚衛(wèi)、航空航天等領(lǐng)域。
汽車領(lǐng)域,2022年全球新能源汽車銷量超1007萬輛,同比增長63.2%,尼龍復(fù)合材料用量也將提升近20%。在汽車領(lǐng)域,尼龍復(fù)合材料主要應(yīng)用于汽車的發(fā)動機系統(tǒng)、排期控制元件(例如各種傳感器、連接器、開關(guān)等)、油過濾器外殼等。就新能源汽車而言,冷卻液管路是車上的重要零部件,需要滿足耐水解、耐油、耐高溫等多種要求,而尼龍復(fù)合材料重量輕,加工工藝簡單,已逐漸成為冷卻潤滑管路的主要使用材料。截至2022年,全球新能源汽車累計銷量達1007萬輛,同比增長63.20%,新能源汽車的飛速發(fā)展將帶動尼龍復(fù)合材料需求同步增長。就傳統(tǒng)汽車而言,一方面,“雙碳”背景下,對汽車碳排放的削減和油耗量的減少需要提高發(fā)動機的燃燒溫度,使其充分燃燒;另一方面,汽車輕量化、“以塑代鋼”趨勢使得發(fā)動機附近的燃料系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等金屬部件塑料化,傳統(tǒng)的通用工程耐熱性、耐久性、耐藥品性已達不到要求,雙方面因素使得尼龍復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的用量也將逐步從82kg/輛提升至96kg/輛。
尼龍復(fù)合材料目前主要的產(chǎn)業(yè)化工藝包括注塑成型、模壓成型和擠出成型。注塑成型工藝能成型形狀復(fù)雜、尺寸精確、帶有金屬或非金屬嵌件的塑料制件,是目前最主要的尼龍復(fù)合材料生產(chǎn)工藝,適用于短纖(3mm以下)和12mm的長纖,25mm的長纖則適用于模壓成型,可以顯著提高制品的沖擊強度、尺寸穩(wěn)定性,減少曲翹,但制作成本相對較高。目前工業(yè)化生產(chǎn)中以30%玻纖含量的增強尼龍材料最為常見,在30%玻纖含量時尼龍材料的拉伸強度和斷裂拉伸率最大,玻纖含量太低起不到增強的作用,含量太高也會導(dǎo)致尼龍復(fù)合材料流動性差,使制成品出現(xiàn)嚴重浮纖、粗糙、光澤度差等質(zhì)量問題,同時由于流動性差,需要將注塑設(shè)備的注射壓力和注射速度都適當提高,料溫和模溫也要適度的升高,這也會對注塑機塑化元件如螺桿的磨損加大。擠出成型工藝可以通過改變機頭口??沙尚透鞣N斷面形狀的產(chǎn)品或半成品,但擠出成型無法生產(chǎn)形狀復(fù)雜的制品,主要是用于管材、板材、片材、薄膜等的成型。
生物基材料是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整大背景下的重要轉(zhuǎn)型方向之一,生物基尼龍市場有望突破200億元。傳統(tǒng)尼龍的工藝主要是石化法,以石油為原料進行生產(chǎn),而當今氣候變化能源危機正在引起世界范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)格局的重大變革,石油存量日益減少且對石油的過度開采造成了諸多的環(huán)境問題,而生物制造因其具有更高效、更綠色環(huán)保的特點正在成為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向之一,生物基尼龍復(fù)合材料及高溫尼龍利用可再生的生物質(zhì)資源,如葡萄糖、纖維素、植物油(包括蓖麻油、油酸與亞油酸等),通過生物工程方法得到,目前生物基材料及產(chǎn)品受到全球范圍內(nèi)的關(guān)注。主要國家及地區(qū)紛紛將生物產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)進行部署,根據(jù)《中國生物制造產(chǎn)業(yè)與科技現(xiàn)狀及對策建議》,目前已有超過20個國家制定了關(guān)于生物制造的國家戰(zhàn)略規(guī)劃,比如英國、美國、歐盟等,很多組織及報告也對生物制造產(chǎn)業(yè)進行預(yù)測,世界經(jīng)合組織預(yù)測至2023年,生物制造在生物經(jīng)濟中的貢獻率將達到39%,美國農(nóng)業(yè)部研究報告預(yù)測到2025年,生物基產(chǎn)品將占全球總市場22%。隨著尼龍材料需求的逐步提升,在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整大背景下,生物基尼龍的市場空間廣闊,就中國而言,PA66的重要原材料己二胺,目前國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)并正在逐步進行國產(chǎn)替代,但由于整體產(chǎn)品質(zhì)量與國外成熟產(chǎn)品仍有差距,整體替代進程較為緩慢,生物基戊二胺能夠替代己二胺制備生物基尼龍材料,一方面能夠有效加速尼龍國產(chǎn)化進程,另一方面也將打開國內(nèi)生物基尼龍市場空間。
全球主要國家紛紛提前布局生物制造產(chǎn)業(yè),生物基尼龍市場滲透率有望提升。早在2002年美國就在《生物質(zhì)技術(shù)路線年的《工程生物技術(shù)遠景規(guī)劃》中制定目標,到2025年歐洲實現(xiàn)生物基產(chǎn)品替代化石能源和化學(xué)品分別為20%和10%-20%;中國《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》也重點強調(diào)要推動中國生物技術(shù)和生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,天津市人大常委會副主任、中科院天津工業(yè)所所長馬延和對其解讀,認為預(yù)計未來十年,石油化工、煤化工產(chǎn)品的35%可被生物制造產(chǎn)品替代,全球主要國家紛紛提前布局生物制造產(chǎn)業(yè),有望帶動生物基尼龍市場滲透率進一步提升。
生物基高溫尼龍耐熱性不輸石油基高溫尼龍,且具備更優(yōu)的可回收性,具有顯著的應(yīng)用價值。
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