Перспективы отрасли ПБТ: новые парадигмы роста, движимые биоматериалами, циркулярной экономикой и новой энергетикой
ПБТ (полибутилентерефталат), один из пяти основных технических пластиков и член семейства полиэфиров, в основном производится путем конденсации терефталевой кислоты (ПТА) и 1,4-бутандиола (БДО). Известный своей высокой термостойкостью, хотя и неустойчивый к сильным кислотам и щелочам, ПБТ широко используется в производстве спандекса, маточных смесей, пленок для упаковки пищевых продуктов, ирисовых мембран и многого другого. Благодаря растущим потребностям перерабатывающих отраслей и последовательному увеличению мощностей предприятий китайская промышленность ПБТ достигла значительного роста. В 2023 году производство ПБТ в Китае достигло 920 000 тонн при спросе в 750 000 тонн, в основном за счет электроники, электротехники и автомобилестроения.
I. Обзор ПБТ
PET, широко известный как полиэтилентерефталат или полиэфир, представляет собой термопластическую смолу, которая, наряду с ПБТ (полибутилентерефталатом), подпадает под категорию термопластичных или насыщенных полиэфиров. PET синтезируется путем переэтерификации диметилтерефталата этиленгликолем или этерификацией терефталевой кислоты этиленгликолем с последующей поликонденсацией с образованием полиэтилентерефталата. Это кристаллический насыщенный полиэстер молочно-белого или бледно-желтого цвета с высококристаллической структурой и гладкой глянцевой поверхностью. ПБТ — широко распространенная в повседневной жизни смола, демонстрирующая превосходные физические и механические свойства в широком диапазоне температур. Его можно использовать при температуре до 120°C, он обладает хорошими электроизоляционными свойствами и сохраняет относительно стабильные электрические характеристики даже при высоких температурах и частотах. Однако он имеет низкую устойчивость к коронному разряду, а его противоползучесть, усталостная стойкость, износостойкость и стабильность размеров относительно хорошие.
1. Производственные процессы
Существует два основных метода производства ПБТ: процесс переэтерификации и процесс прямой поликонденсации. Используемые катализаторы включают тетраизопропилтитанат, тетрабутилтитанат, алкоксид циркония, алкоксид олова и другие.
В процессе переэтерификации в качестве сырья используется диметилтерефталат (ДМТ), который сначала подвергается переэтерификации с 1,4-бутандиолом с образованием бис(2-гидроксиэтил)терефталата, который затем подвергается поликонденсации с образованием полибутилентерефталата. В процессе переэтерификации используется избыточное молярное соотношение 1,4-бутандиола к ДМТ в диапазоне от 1:1,3 до 1:1,7. Температура реакции составляет примерно 200°C, что способствует установлению равновесия в направлении образования бис(2-гидроксиэтил)терефталата и уменьшению побочных реакций. Последующую реакцию поликонденсации проводят при температуре около 250–260°С и пониженном давлении 0,1–1 мм рт. ст. Процесс переэтерификации можно проводить периодически или непрерывно. Его преимущества включают относительно простое оборудование, мягкие условия реакции и легкий контроль стадий переэтерификации и поликонденсации по отдельности. Однако серийное производство менее эффективно.
Технология непрерывной прямой этерификации и поликонденсации относительно сложна, поскольку в процессе используются материалы, находящиеся в расплавленном состоянии при высокой температуре и высоком вакууме, что создает проблемы с точки зрения материалов оборудования, конструкции, транспортировки материалов и контроля условий реакции. В результате было разработано несколько запатентованных технологий. Яркие примеры включают технологию Lurgi Zemmer, которая включает три реактора для этерификации, предварительной поликонденсации и поликонденсации. Реактор поликонденсации представляет собой горизонтальный реактор дискового типа с одной производственной линией, способный достигать годовой мощности 120 000 тонн. Эта технология позволяет получать продукцию высокого качества, а побочный продукт тетрагидрофуран может быть непосредственно использован в производстве политетрагидрофурана. Технология Hitachi в Японии включает в себя четыре различных типа реакторов и позволяет одновременно производить продукты высокой и средней вязкости с производительностью одной производственной линии до 60 000 тонн в год. В технологии Uhde Inyenta Fischer используется реактор башенного типа, в котором этерификация и поликонденсация могут быть завершены в одном реакторе. Он может производить продукцию из ПБТ со степенью полимеризации 20–35. Для продуктов со степенью полимеризации 80–150 процесс можно перенести в другой реактор – DISCAGE – для горизонтальной поликонденсации.
2. Производственная цепочка
3. Преимущества производительности
С точки зрения механических свойств: ПБТ демонстрирует высокую прочность, высокую жесткость и хорошую ударную вязкость. Модифицированный ПБТ может выдерживать значительные внешние воздействия без деформации и разрушения и демонстрирует превосходную усталостную прочность. После многократных циклических нагрузок он сохраняет структурную целостность, что делает его пригодным для изготовления различных деталей с высокими требованиями к механическим свойствам.
Что касается термостойкости: ПБТ имеет высокую температуру тепловой деформации и может использоваться в широком диапазоне температур. Обычно его можно использовать в течение длительного времени при температуре 120–140 °C, а при кратковременном использовании температура может даже превышать 180 °C. Это позволяет ему сохранять хорошую стабильность работы в высокотемпературных средах, отвечая требованиям к материалам для тепловыделяющих компонентов в электронике, электротехнике и автомобилестроении.
Что касается химических свойств: ПБТ также обладает превосходной химической стабильностью и хорошей устойчивостью к большинству химических реагентов. Он не подвержен химическим реакциям в кислых, щелочных средах или средах органических растворителей. Он подвергается частичному гидролизу только в экстремальных условиях, таких как сильные кислоты, сильные основания и высокотемпературный пар. Это обеспечивает надежную гарантию его применения в химической и автомобильной областях, эффективно противодействуя эрозии различных химикатов и продлевая срок службы компонентов.
С точки зрения электрических свойств: ПБТ обладает превосходными электрическими свойствами, высокой изоляцией и стабильной диэлектрической проницаемостью. Он может сохранять хорошие электрические характеристики даже во влажной или высокотемпературной среде, что делает его идеальным материалом для производства электронных и электрических деталей. Он широко используется в электронных разъемах, реле, переключателях и других компонентах, обеспечивая безопасную и стабильную работу электронных устройств.
Другие характеристики: ПБТ имеет низкое водопоглощение, а поглощение влаги минимально влияет на его физические свойства и стабильность размеров. Он может поддерживать относительно стабильные характеристики в условиях различной влажности, уменьшая изменения размеров и ухудшение характеристик, вызванные поглощением воды. Это обеспечивает точность и надежность продукции.
С точки зрения обработки: ПБТ также обладает хорошей технологичностью, быстрой кристаллизацией и хорошей текучестью. Его можно легко переработать в различные сложные формы с помощью литья под давлением, экструзии и других методов формования. Он имеет короткий цикл формования и высокую эффективность производства, что позволяет удовлетворить потребности крупномасштабного промышленного производства и снизить производственные затраты.
II. Текущее состояние отрасли ПБТ
Глобальные мощности по производству ПБТ в основном сосредоточены в Азии, Европе, Америке и на Ближнем Востоке, включая такие страны, как Китай, США, Германия, Япония и Саудовская Аравия.
Китай начал разработку технологии ПБТ в 1970-х годах и последовательно создал небольшие производственные мощности объемом от сотен до тысяч тонн. Однако из-за неразвитости технологических процессов и проблем с обеспечением сырьем производительность этих предприятий оставалась относительно низкой. В 1997 году компания Yizheng Chemical Fiber построила завод по производству инженерных пластиков ПБТ мощностью 20 000 тонн в год, внедрив технологии и оборудование немецкой компании Gima. Компания также приняла оборудование для компаундирования и рецептуры швейцарской компании Buss Company. Сочетание передовых зарубежных технологий с преимуществами PTA собственного производства компании стало значительным шагом вперед для китайской индустрии ПБТ.
Благодаря растущим потребностям перерабатывающих отраслей и увеличению мощностей предприятий китайская промышленность ПБТ достигла значительного роста. В 2023 году производство ПБТ в Китае достигнет 920 000 тонн при потребности в 750 000 тонн. Электроника, электротехника и автомобилестроение являются основными сферами потребления. К 2025 году мощности по производству ПБТ в Китае плюс запланированная мощность превысят 1,5 миллиона тонн. Основные производственные мощности сосредоточены в прибрежных восточных регионах, таких как Цзянсу, Чжэцзян и Гуандун, которые используют свою хорошо развитую ПБТ-химическую промышленность и географические преимущества, чтобы стать крупнейшими производственными базами ПБТ в стране.
В течение этого периода в секторе электроники и электротехники, как одной из основных областей применения ПБТ, наблюдался непрерывный рост спроса на ПБТ, обусловленный популярностью и модернизацией смартфонов, планшетных компьютеров, носимых устройств и других электронных продуктов, тем самым расширяя размер рынка. Развитие автомобильной промышленности, в частности появление новых энергетических транспортных средств, также увеличило спрос на легкие и высокоэффективные материалы, расширяя применение ПБТ в автомобильных компонентах и стимулируя дальнейший рост рынка.
В 2023 году на долю Китая приходилось примерно 45% мирового рынка ПБТ, и эта цифра продолжает расти и в настоящее время приближается к 50%. Этот рост в основном объясняется политической поддержкой, технологическими достижениями и факторами рыночного спроса, включая взрывной рост транспортных средств на новых источниках энергии, базовых станций 5G и цепочек поставок бытовой электроники.
III. Разработка приложений для переработки PBT
1. Сектор электроники и электротехники
В области электроники и электротехники ПБТ (полибутилентерефталат) претерпевает двойную трансформацию: технологическую итерацию и расширение применения, что обусловлено растущими потребностями, такими как связь 5G, умные дома и модернизация бытовой электроники.
В электронных устройствах ПБТ обычно используется для производства таких компонентов, как разъемы, переключатели, реле и трансформаторы. Например, разъемы, как ключевые компоненты для передачи электронных сигналов, требуют материалов с хорошими механическими свойствами, электрической изоляцией и стабильностью размеров. Добавляя стекловолокно и другие армирующие материалы, ПБТ может удовлетворить эти требования, обеспечивая стабильную и надежную передачу сигнала в электронных устройствах. В переключателях и реле термостойкость и стойкость к химической коррозии ПБТ позволяют ему сохранять хорошие характеристики в течение длительного использования, предотвращая старение материала и ухудшение характеристик, вызванное высокими температурами и химическими веществами.
Будучи крупнейшим в мире производителем и потребителем бытовой электроники, спрос Китая на высокопроизводительные пластмассы продолжает расти благодаря широкому внедрению технологии 5G, ускоренной замене смартфонов и стабильному рыночному спросу на такие продукты, как планшетные компьютеры и ноутбуки. ПБТ, обладающий превосходной термостойкостью, стабильностью размеров и электроизоляционными свойствами, широко используется во внутренних компонентах, конструктивных деталях, печатных платах и разъемах этих устройств, причем ожидается, что в будущем спрос на него увеличится. Например, появление складных смартфонов предъявляет более высокие требования к гибкости и прочности материалов ПБТ, что стимулирует технологические инновации и рост спроса на материалы ПБТ.
2. Автомобильный сектор
ПБТ широко используется в автомобилестроении для внутренней и внешней отделки, компонентов двигателя, а также электронных и электрических систем. В транспортных средствах с новой энергией (особенно в электромобилях) ПБТ пользуется большим спросом в аккумуляторных системах, контроллерах двигателей и модулях электропривода. Например, разъемы и корпуса аккумуляторов (которые должны противостоять электролитной коррозии) демонстрируют значительный рост спроса на ПБТ. Между тем, композиты ПБТ могут заменить металлические компоненты (например, алюминиевые сплавы), снижая вес автомобиля и увеличивая запас хода. С целью обеспечения эксплуатационных характеристик композиты ПБТ постепенно заменяют металлы (такие как сплавы цинка и чугун), снижая затраты и упрощая процедуры обработки. Например, впускные коллекторы двигателей переходят из алюминиевых сплавов на ПБТ, армированный стекловолокном. Кроме того, тенденция к модульной интеграции автомобильных компонентов сочетается с высокой точностью формования PBT и возможностью сложного структурного формования (например, тонкостенного и прецизионного литья под давлением), удовлетворяя проектные требования.
Китайские автопроизводители, являясь крупнейшим в мире производителем автомобилей и ключевым рынком для транспортных средств на новых источниках энергии, лидируют в мировом росте спроса на ПБТ. В частности, в контексте локализованных цепочек поставок транспортных средств на новых источниках энергии отечественные производители ПБТ (такие как Jiangsu Sfangxiang и Xiamen International Trade) постепенно увеличивают свою долю на рынке.
3. Сектор промышленного оборудования
ПБТ используется для изготовления различных механических деталей, таких как шестерни, кулачки, подшипники и цепи. Его высокая прочность, жесткость и износостойкость позволяют ему выдерживать силы трения и удары во время механической работы, продлевая срок службы компонентов и повышая эффективность и надежность оборудования. Компоненты ПБТ широко применяются в таких отраслях, как текстильное, упаковочное и полиграфическое оборудование. Ожидается, что благодаря постоянному совершенствованию промышленной автоматизации спрос на высокоэффективные конструкционные пластики будет неуклонно расти, открывая широкие перспективы применения ПБТ в этой области.
Однако на спрос на ПБТ в секторе промышленного оборудования Китая могут влиять такие факторы, как колебания цен на сырье, которые могут повлиять на себестоимость производства ПБТ и рыночные цены. Кроме того, интенсивная конкуренция на рынке ПБТ, избыточные мощности по производству ПБТ-продукции среднего и низкого ценового сегмента и недостаточная самодостаточность высококачественной продукции могут привести к повышенному вниманию к экономической эффективности и повышению производительности ПБТ-продукции при ее выборе для применения в промышленном оборудовании.
4. Сектор оптических кабелей
ПБТ (полибутилентерефталат) используется в оптической кабельной промышленности для производства критически важных компонентов, таких как оболочки, свободные трубные муфты и элементы усиления кабеля. Его превосходные механические свойства, стойкость к химической коррозии и адаптируемость к окружающей среде делают его ключевым материалом в секторе оптических кабелей.
В период «двенадцатой пятилетки» быстрое экономическое развитие стимулировало спрос на полосу пропускания информации, и преимущества технологии оптической связи становились все более очевидными. Благодаря такой политике, как строительство операторами сетей 4G, FTTH и инициативе «тройной конвергенции сетей», а также национальным стратегиям, таким как «Интернет Плюс» и «Интеллектуальное производство», индустрия оптического кабеля получила значительные возможности для развития. Кроме того, ожидается, что спрос на оптические волокна и кабели вырастет, что приведет к созданию рыночного пространства в сотни миллиардов юаней. Оптоволоконная и кабельная промышленность станет первой подотраслью, которая получит выгоду от строительства инфраструктуры связи и готова вступить в новую фазу развития.
По прогнозам, в связи с непрерывным развитием строительства глобальных оптоволоконных сетей спрос на ПБТ в качестве основного материала для оптических кабелей будет расти со скоростью 8–10% в год. В частности, на рынках высокого класса, таких как 5G, FTTR и подводные оптические кабели, технологические инновации в области высокопроизводительных ПБТ и их замена на внутреннем рынке станут ключевыми факторами развития отрасли.
5. Другие поля
Помимо вышеупомянутых областей применения, ПБТ имеет многообещающие перспективы в биологическом и медицинском применении.
Биосовместимый ПБТ, такой как HX260HPR от Sabic Innovative Plastics, прошел сертификацию ISO 10993 и может выдерживать стерилизацию паром при температуре 121°C. Он используется для изготовления корпусов хирургических инструментов и биоразлагаемых сердечно-сосудистых стентов. Ожидается, что к 2025 году объем мирового рынка биоразлагаемых медицинских устройств достигнет 12 миллиардов долларов США, при этом доля ПБТ составит более 15%.
Композиты ПБТ на биологической основе, например, те, которые используются в авиационных терморегулируемых коробках, разработанные Chinasing Biotech в сотрудничестве с Haier Biomedical, обладают легкими свойствами (плотность 1,31 г/см⊃3;) и могут выдерживать экстремальные температуры в диапазоне от -50°C до 120°C. Они получили сертификат летной годности от Управления гражданской авиации Китая и применяются в логистике холодовой цепи.
Нетканые материалы из ПБТ на биологической основе, например, модифицированные катализаторами на основе титана, используются в упаковке пищевых продуктов для замены традиционного полиэтилена. Уровень разложения их компоста превышает 90%, что соответствует требованиям «Новой пластиковой стратегии» Европейского Союза. Ожидается, что к 2025 году объем мирового рынка упаковки из биологического сырья превысит 50 миллиардов долларов США, при этом доля ПБТ составит 8%.
Компания YINSU Flame Retardant предлагает огнезащитные продукты, подходящие для ПБТ, включая безгалогенные антипирены, такие как PBT-WL-20M и YS-22E , а также антипирены с красным фосфором, такие как FRP-604H . Эти продукты обеспечивают превосходную огнестойкость, сохраняя при этом механические и термические свойства материалов ПБТ, отвечая требованиям безопасности и производительности различных применений. Они широко используются в электронике, электротехнике, автомобилестроении и других областях, где огнестойкость имеет решающее значение для материалов ПБТ.
