一、聚酰亞胺薄膜(PI膜)概述
聚酰亞胺(Polyimide,,PI)是指分子結(jié)構(gòu)主鏈中含有酰亞胺結(jié)構(gòu)的高分子聚合物,,聚酰亞胺是一個非常龐大的家族,高性能PI的主鏈大多以芳環(huán)和雜環(huán)為主要結(jié)構(gòu)單元,。PI具有最高的阻燃等級(UL-94),,良好的電氣絕緣性能、機械性能,、化學穩(wěn)定性,、耐老化性能、耐輻照性能,、103赫茲下介電常數(shù)4.0,,介電損耗僅0.004~0.007,屬F至H級絕緣,,且這些性能在很寬的溫度范圍(-269℃至400℃)內(nèi)不會發(fā)生顯著變化,,被譽為“十一世紀最有希望的工程塑料之一”,有“解決問題的能手”之稱,,可以說“沒有聚酰亞胺就不會有今天的微電子技術(shù)”,,其性能居于高分子材料金字塔的頂端。
PI薄膜具有優(yōu)良的力學性能,、介電性能,、化學穩(wěn)定性以及很高的耐輻照、耐腐蝕,、耐高低溫性能,,是目前世界上性能最好的超級工程高分子材料之一,被譽為“黃金薄膜”,,與碳纖維、芳綸纖維并稱為制約我國發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的三大瓶頸性關(guān)鍵高分子材料,。
聚酰亞胺薄膜(PI膜)
二,、聚酰亞胺薄膜(PI膜)制作流程
聚酰亞胺薄膜在亞胺化之前需要制膜成型,成型方法主要有流延法,、流延拉伸法(雙軸定向拉伸法),、浸漬法(鋁箔上膠法)、噴涂法,、擠出法和沉積法等,。成型工藝對于薄膜的性能和生產(chǎn)方式影響極大,目前較為常用的方法為流延法和流延拉伸法,,相比于流延法,,流延拉伸法常用于制備高性能的聚酰亞胺薄膜。在我國流延法及浸漬法工藝均較為成熟,其中浸漬法由于產(chǎn)品絕緣性能較差,,正逐漸被淘汰,。而技術(shù)難度較高的噴涂法、擠出法以及沉積法在2016年主要由日本先進企業(yè)掌握,。
目前亞胺化主要有兩種方法,,市場分析即熱亞胺化法和化學亞胺化法,熱亞胺化法將聚酰胺酸加熱到一定溫度,,使之脫水環(huán)化,;化學亞胺法是向溫度保持在-5℃以下的聚酰胺酸溶液中加入一定量的脫水劑和觸媒,快速混合后加熱到一定溫度使其脫水環(huán)化,。熱亞胺化法的工藝過程與裝備較化學亞胺法簡單,,但制得的薄膜物化性能較化學亞胺法存在不足,無法生產(chǎn)滿足電子級及以上的PI薄膜,。2014年前我國絕大部分生產(chǎn)廠家均采用熱亞胺化法,,但發(fā)達國家?guī)缀跛械木埘啺繁∧どa(chǎn)商都已經(jīng)完成了從熱亞胺化法向化學亞胺法的技術(shù)與設(shè)備過渡。時代新材所新建的180噸聚酰亞胺薄膜生產(chǎn)線是國內(nèi)最先采用化學亞胺法進行亞胺化步驟的生產(chǎn)線之一,,能夠生產(chǎn)滿足軌道交通用的高性能聚酰亞胺薄膜,。
聚酰亞胺薄膜典型制造工藝流程
三、聚酰亞胺薄膜(PI膜)應(yīng)用場景
1)柔性電路板FPC產(chǎn)值增長,,促進電子級PI薄膜市場持續(xù)擴容
撓性覆銅板FCCL是制造撓性電路板FPC的重要基材,。全球FCCL市場規(guī)模由2014年的26.4億美元增長至2019年的44.8億美元。電子級PI薄膜作為FCCL的主要原材料,,需求隨FCCL同步增長,,2019年全球FCCL產(chǎn)業(yè)PI薄膜需求量達14877.5噸,國內(nèi)需求量4869.0噸,。從FPC產(chǎn)值看,,2014-2020年國內(nèi)FPC產(chǎn)值從290.7億元增長至526.0億元,復合增長率10.4%,。下游新型電子產(chǎn)品的發(fā)展為FPC行業(yè)注入新增長動力,,2021年FPC產(chǎn)值可增長至544.4億元,促進電子級PI薄膜市場持續(xù)擴容,。
2)商業(yè)航天與柔性屏幕高速發(fā)展,,推動特種級PI薄膜市場不斷增長
在航空航天領(lǐng)域,PI薄膜因其優(yōu)異的耐候性和耐輻射性而被用作火箭防護材料,。2019年商業(yè)航天全產(chǎn)業(yè)鏈市場規(guī)模突破8000億元,,復合增長率達22.1%。由于單發(fā)運載火箭原材料成本可占總成本的35%,,原材料國產(chǎn)化勢必大幅降低制造成本,,從而推進特種級PI薄膜增長,。在柔性屏幕領(lǐng)域,柔性CPI薄膜是大多數(shù)折疊手機生產(chǎn)商所采用的屏幕蓋板材料,。隨著柔性顯示的不斷商用化,,折疊手機逐漸成為手機新形態(tài),根據(jù)相關(guān)預(yù)測,,2024年全球折疊手機出貨量將達4530萬部,,國內(nèi)出貨量達1320萬部,而柔性蓋板作為折疊手機的核心部件,,將推動特種級PI薄膜持續(xù)增長,。
3)消費電子勢頭迅猛,導熱級PI薄膜迎來更大需求空間
導熱石墨膜是導熱級PI薄膜的下游產(chǎn)品,,主要用于LED基板,、電子元件散熱等領(lǐng)域,是目前消費電子行業(yè)采用的主流散熱材料,。近年來,,國內(nèi)導熱界面材料市場規(guī)模逐步擴大,從2014年的6.6億元增長至2020年的12.7億元,,復合增長率達9.9%,。5G技術(shù)的驅(qū)動將為導熱級PI薄膜帶來更大需求空間。
4)風電和高鐵行業(yè)市場穩(wěn)步上升,,電工級PI薄膜產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大
電工PI薄膜主要用于變頻電機,、發(fā)電機等高等級絕緣系統(tǒng),最終應(yīng)用于風力發(fā)電,、高速軌道交通等領(lǐng)域,。在風力發(fā)電行業(yè),中國是全球最大的風電發(fā)展市場,,截至2020年底,,國內(nèi)風力發(fā)電累計裝機容量達到282GW,同比增長34.3%,,累計裝機容量全球占比36%,。在倡導新能源的背景下,隨著風電產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化,,電工PI薄膜將具備更廣闊的市場前景。在高速軌道交通行業(yè),,中國高鐵運營里程全球第一,,占比超60%。
四,、聚酰亞胺薄膜(PI膜)產(chǎn)業(yè)鏈分析
1)上游
二元酐PMDA,、二元胺ODA以及其他原材料,。上游部分特種PI單體已實現(xiàn)國產(chǎn)化,PI薄膜的原材料為PI單體和PI漿料,。PI單體包括二酐單體和二胺單體,。
2)中游
PI薄膜性能優(yōu)越,下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,。聚酰亞胺的產(chǎn)品形態(tài)包括薄膜,、泡沫、纖維,、光敏型聚酰亞胺與聚酰亞胺基復合材料等,,其中PI薄膜占比超過70%,是聚酰亞胺產(chǎn)業(yè)最重要的產(chǎn)品形態(tài),。PI薄膜的制造需經(jīng)過樹脂聚合,、流涎鑄片、定向拉伸亞胺化和后處理等生產(chǎn)工序,。
各類別PI薄膜應(yīng)用:熱控PI薄膜(高導熱石墨膜前驅(qū)體PI薄膜),、電子PI薄膜(電子基材用PI薄膜、電子印刷用PI薄膜),、電工PI薄膜(耐電暈PI薄膜,、C級電工PI薄膜)、航空PI薄膜(聚酰亞胺復合鋁箔MAM),。
3)下游
FCCL的板材膜常見的有聚酰亞胺膜(PI),、聚酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN),、液晶顯示屏高聚物(LCP)等高分子材料塑料薄膜,。
FPC即柔性PCB,簡稱軟板,,F(xiàn)PC主要原材料包括撓性覆銅板(FCCL),、覆蓋膜、元器件,、屏蔽膜,、膠紙、鋼片,、電鍍添加劑,、干膜等八大類,其中撓性覆銅板(FCCL)是生產(chǎn)FPC最重要的基材,,占比為40%,,F(xiàn)PC的所有加工工序均是在FCCL上完成的。全球FCCL產(chǎn)能主要集中在日本,、中國大陸,、韓國以及中國臺灣,,其中中國大陸占比為21%,位列第三,。FPC是以聚酰亞胺(PI)或聚酯(PET)薄膜為基材制成的可撓性PCB,,與傳統(tǒng)PCB硬板相比,具有生產(chǎn)效率高,、配線密度高,、重量輕、厚度薄,、可折疊彎曲,、可三維布線等顯著優(yōu)勢,更符合下游電子行業(yè)智能化,、便攜化,、輕薄化趨勢要求,可廣泛應(yīng)用于航天,、軍事,、移動通訊、筆記本電腦,、計算機,、數(shù)字相機等領(lǐng)域或產(chǎn)品上,是近年來PCB行業(yè)各細分產(chǎn)品中增速最快的品類,。
五,、聚酰亞胺薄膜(PI膜)行業(yè)壁壘
產(chǎn)能技術(shù)壁壘較高,高端PI膜主要技術(shù)壁壘在于設(shè)備工藝和人才:
1)設(shè)備定制周期較長,。核心設(shè)備采購主要來自海外,,采購周期約18-24個月,這就對廠商的技術(shù)和市場有足夠的預(yù)判能力,否則不敢貿(mào)然下訂單采購,。
2)工藝難度大,、定制化程度高。PI膜本身制備難度較大,,特別是亞胺化工藝能否突破化學法是普遍難題,。并且對不同的行業(yè)和客戶,PI薄膜的相關(guān)參數(shù)和工藝都不一樣,,需要通過反復調(diào)試和技術(shù)攻關(guān)才有望獲得穩(wěn)定量產(chǎn),。PI膜下游高端市場電子、通信,、軌交等對產(chǎn)品質(zhì)量極為苛刻,不能保證穩(wěn)定量產(chǎn)則難以獲得客戶認可,。
3)技術(shù)人才稀缺。具備PI膜生產(chǎn)能力的研發(fā)和車間操作人員需要較高的理論水平和長期的研發(fā)實踐,,難以速成,。因此,對任何PI膜廠商,,核心研發(fā)團隊均受到高度重視,。