PEEK（聚醚醚酮）：势不可挡的高新轻量化高分子材料！【聚醚醚酮/PEEK的应用领域与市场分析】
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作者:shjinfu
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发布时间: 2024-01-15
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www.shjinfu.com.cn（上海劲孚化工科技 021-57629631）--亚太地区(氟)化工原料与特种新材料专业供应商。
公司致力于氟树脂工业与其他特种新材料产业的前沿技术与销售，目前主要经营氟塑料（PTFE/FEP/PFA/ETFE/PVDF等）、色母、氟涂料、PEEK、芳纶、碳纤维、玻璃纤维、功能性化学品及其他特种新材料。
1.1轻量化+耐磨、耐腐蚀等性能优秀，PEEK材料有望以塑代钢Peek材料已经从垄断阶段过渡到全面发展阶段。1978年，英国帝国化学工业公司（ICI）首先研发出PEEK材料--{威格斯/VICTREX}，并应用于军工领域；随后1993-2004年，PEEK材料在民用高科技领域的渗透率提升，同时英国威格斯收购ICI，垄断了PEEK材料生产；2008年，比利时索尔维投产第一套PEEK商业化生产装置；2010年，在我国政策扶持下，吉大赢创、中研股份、鹏孚隆等等成功开发并生产出商业化PEEK树脂；特别是2014年后，中国PEEK材料进入全面发展阶段。Peek材料属于特种工程塑料，具备耐热、阻燃、耐磨、耐腐蚀等优势。PEEK材料具备耐热、阻燃、耐磨、耐腐蚀等优势。与工程塑料相比，PEEK材料兼具刚性和韧性；与金属材料相比，PEEK材料比强度大的同时，自身重量较轻，符合下游汽车领域轻量化趋势，有望实现以塑代钢。
1）与其他工程塑料比，PEEK材料综合性能更好。PEEK材料表现优异，在刚性表现优秀的情况下，兼具韧性，机械性能表现优秀，是全球性能最好的热塑性材料之一。
2）与金属材料相比，PEEK材料性能更全面更优秀，有望实现以塑代钢。从介电常数、耐化学性方面看，PEEK材料性能优于钢、铝合金。且PEEK比强度性能接近钢铁且优于球墨铸铁，可以在满足强度要求的前提下，大幅度减轻材料自身重量，符合轻量化要求，未来有望实现以塑代钢。
1.2汽车+3D打印+机器人等新下游崛起，27年国内PEEK材料需求达到167亿元以上2022年，PEEK 材料全球市场需求估计约7,560 吨，主要应用于交运、工业、电子、医疗领域，未来有望开拓至3D打印、机器人等领域。从需求看，根据市场Emergen Research 预计，全球PEEK市场容量在2019年为7.21亿美元，其中中国PEEK市场消费量目前仅次于欧洲和美国。从下游应用来看，目前由于PEEK树脂价格相对较高，其应用主要在高端领域，如交运、工业、电子等领域。2019年，全球PEEK材料下游销售领域分别为交运（40%）、工业领域（25%）、电子信息（24%）、医疗及其他（10%）。
1）交运：率先通过PEEK材料实现轻量化，减少燃油消耗。根据 BNP Paribas Bank 的调研，航空运输业的碳排放主要来源于飞机航空燃油燃烧，约占总排放量的 79%，因此材料的轻量化是影响航空业碳排放的关键因素。为减少航空燃油消耗，航空业大量使用复合材料及特种工程塑料对金属材料进行替代，如B787 飞机上的复合材料用量达到 50%，A350 飞机复合材料用量达到 52%，其中PEEK材料是重要的组成部分，PEEK复合增强材料在飞机中的主要应用场景为承力结构件。2）工业：因耐腐蚀、机械性能好，PEEK材料被广泛应用。在工业领域中，PEEK材料作为绝缘材料被广泛应用于密封件、轴承、挠性印刷线路板等关键零部件。以轴承为例，PEEK材料自润滑效果好，相对于金属轴承，无需添加润滑油，因此可以从根本上避免轴承长期使用过程中出现润滑油滴落、金属磨损后剥落至反应液中的情况。3）医疗；因与人体骨骼刚性接近且不影响后续诊断，PEEK材料被广泛应用。相对于金属材料，PEEK材料与人体骨骼的刚性更为接近，且PEEK 为非金属材料，术后 CT 和核磁检查无伪影，不影响后续医学影像诊断。PEEK具有易加工的特性，如在颅骨修复方面，可经过个性化设计和加工后能够与患者颅骨达到极高的吻合度，目前PEEK材料产品已有包括人造脊柱植入物､人造关节､骨修复制品等。
除上述三个领域外，我们判断PEEK材料将凭借良好的NVH性能+耐腐蚀+耐高温等性能应用于汽车领域、凭借耐燃油+高机械性能应用于3D打印领域、凭借刚性、韧性兼具+轻量化等性能应用于机器人领域。1）汽车：PEEK 在汽车行业应用的增长主要源自于汽车行业对零部件的轻量化需求。随着汽车产业轻量化及节能减排需求不断加大，PEEK材料具备良好的耐摩擦性能、力学性能以及轻量化，因此能在关键零部件方面对金属进行替换，主要可用于制造发动机内罩、轴承、离合器齿环、密封件、漆包线等。轴承：目前汽车主动力轴承的主流材料为POM等改性塑料，无法兼具减震性和耐磨性。但PEEK材料可提升NVH性能，且更满足汽车轻量化需求。密封件：目前汽车密封件的主流材料为PTFE、PA、PPS、PVC等，这些材料会因为电池、电机的电压上升，而造成老化、漏油等问题。但PEEK材料耐漏油、耐腐蚀、耐高温，可以解决老化漏油的问题。漆包线：目前汽车漆包线主流材料为PI，但随着800V电机渗透率的提升，PEEK材料凭借耐高压性能将用于配套800V电机的漆包线中，预计每台车使用的800V电机漆包线中PEEK材料将达到470g。2）3D打印：作为高性能热塑性材料，PEEK材料可通过和碳纤维熔合技术来应用于3D打印。2015年，产业界使用PEEK树脂和碳纤维为原料，通过增强纤维熔合技术实现3D打印应用。目前，PEEK材料用于3D打印的主流工艺主要有FDM（熔融沉积型）、SLS（选择性激光烧结），两种工艺都需要对耐高温的PEEK材料进行高温熔融，因此加工难度都较大。但PEEK材料和碳纤维熔合后耐燃油性能优异，在240℃下依旧具备耐久性、机械可靠性，因此产业依旧不断改善工艺，将PEEK材料应用于3D打印中。3）机器人：PEEK材料轻量化、耐磨、耐腐蚀性能优异，未来有望应用于机器人领域中。目前看，机器人对于材料主要要求为轻量化、耐久性。Peek材料是热塑性材料，容易加工成各种形态的零部件，且纯PEEK树脂材料密度仅为13g/立方厘米，是一种极佳的高强度、轻量化材料，同时也具备耐腐蚀、耐磨等优异特性，因此有望应用于机器人领域。
2.1原材料成本占比75%，国内PEEK材料价格仅为国外1/3目前PEEK材料国内价格约为30-40万元/吨，国外约80-100万元/吨。PEEK材料价格较贵，主要系核心原材料氟酮价格较高。氟酮属于小众的化学产品，生产所需原材料成本较高，且生产工艺中环保成本较高，因此价格较高，从而导致PEEK材料产品成本较高。PEEK材料成本构成=直接材料75%+直接制造费用11%+直接人工8%+能源动力和运输费6%。PEEK材料生产成本中原材料占比75%，主要包括氟酮、对苯二酚、二苯砜、碳酸钠等，其中氟酮的纯度、品质将直接影响PEEK材料的产品质量；二苯砜是生产过程中的溶剂，可以回收利用，耗用量较小。
氟酮为PEEK材料的核心原材料，每生产1吨PEEK材料约需要0.7-0.8吨氟酮单体。PEEK材料的核心原材料为氟酮，将直接决定PEEK材料产品质量。氟酮价格约为10-15万元/吨，材料价格上涨5%将使得PEEK材料毛利率下滑1%-1.5%；对苯二酚价格约为5-8万元/吨，材料价格上涨5%将使得PEEK材料毛利率下滑0.2%-0.4%。
2.2工艺难度高+验证周期长，PEEK材料护城河深PEEK材料的主要壁垒集中于生产工艺、验证周期两方面。PEEK材料主要应用场景为两类：1、电子信息领域：产线的工装治具、载具对尺寸精度要求很高，达到0.01mm级别，因此一般注塑工艺无法满足；2、其他领域多通过注塑加工部件，部分领域对PEEK纯树脂质量要求极高，需要保证高机械性能的同时，具备纯度高、产品批次稳定等性能。PEEK材料研发已久，但全球大规模生产的企业较少，且主要产能被外资企业垄断，主要系实验室合成工艺与实际工业化生产工艺差异较大，需要深厚的生产技术、经验的积累。此外，PEEK材料工业化生产的验证周期较长。生产工艺：生产工艺难，且需要一致性高、结晶性能高，并达到合适的熔指和黏度平衡。1）生产工艺：壁垒在于在长时间高温下的聚合反应中，材料不能发生过度的降解和交联。外资厂商对PEEK材料的技术、配方、设备等相关资料处于严格保护和封锁。同时，要达到PEEK材料所需要的性能，需要掌握全流程生产能力，并有深厚的技术积累去不断优化合成操作工艺。PEEK材料的生产过程主要有聚合、提纯、干燥、加工等，其中聚合是核心工艺，需要厂商将原材料熔融混合后加入聚合釜，在280℃-340℃状态下进行8-12小时的聚合反应。在长时间的高温聚合反应中，PEEK材料需要长时间保持在高温环境中不产生降解和交联，控制难度较高，否则将影响产成品的质量，需要厂商不断调整生产工艺，增加生产成本。2）一致性：每釜之间需要保持相同且精准的控制。PEEK的聚合工艺意味着每一釜都是一个批次，但需要保持每釜都生产出相同且高质量的产成品。目前看，保持高稳定性可以采用使用大聚合釜生产+提升自动化程度来减少误差。3）熔指和黏度：这两个指标呈反向关系，需要保持合适的平衡。PEEK材料在熔融状态下是非牛顿流体，在高剪切速率下黏度会变小，黏度又和熔体强度正向相关。在某些场景下，如制作线缆、细丝等，PEEK材料需要具备高流动性以挤出细薄制件，即剪切率高、黏度低、熔体强度低，但又同时要求材料具有较高的熔体强度，所以需要在溶指和黏度做出平衡。4）结晶性：结晶速率越高，结晶度越高，材料的机械性能、耐磨性、耐腐蚀性更好。在加工过程中，PEEK材料需要在十几秒内从熔融状态下迅速降到凝固状态完成结晶，相同时间内结晶速率越高，结晶度越高（PEEK材料结晶度一般约30%），机械性能、耐磨性、耐腐蚀性能越好。
验证周期：产能爬坡需要7年左右，下游客户认证开发周期需要3-5年。1）产能爬坡需要时间长：由于工艺难度较大，形成高质量、一致性高的PEEK树脂生产能力对技术、研发投入、工艺积累要求很高。所以在实现扩产后，PEEK材料厂商要实现有效的产能投放仍需要较长的时间。以中研股份为例，公司产量从约100吨/年爬升至2021年550吨/年（对应产能利用率55%）花费了7年左右时间。2）客户验证时间长：目前PEEK材料由于耐腐蚀、耐磨等性能优异，主要作为功能件、结构件应用于工作环境恶劣、性能要求苛刻的产品领域。这些产品领域对产品质量的稳定性、寿命要求较高，因此开发测试过程比较长。例如英国威格斯16年开始与舍弗勒等企业合作开发800V电机的漆包线产品，22年推出相关产品，历时7年；国内中研股份14年与新能源车企合作开发PEEK材料的汽车应用，15年开发出制冷用PEEK材料（18年开始供货）、16年开发汽车热管理用PEEK材料（19年开始供货），历时3-5年。全球格局一超多强，龙一占六成市场份额。当前全球PEEK生产厂商呈现“一超多强”的竞争格局。全球龙头威格斯年产能7150吨，占全球份额60%；2021年销量4132.5吨，市占率为53.55%。龙二比利时索尔维现有年产能2500吨，2021年销量1425吨，市占率为18.47%。龙三德国赢创产能达1800吨，2021年销量912吨，市占率11.82%。
2016年起国产初步突破，中研股份和鹏孚隆合计市占率约11%。PEEK树脂在保证力学和其他性能的同时，必须保证纯度高，产品批次稳定，尤其对产品金属含量要求极为严格，PEEK树脂内金属等杂质过高会导致使用过程中产生静电击穿电路板、晶圆。因此，国产PEEK在电子信息领域所占比例很低。2016年开始，以中研股份为代表的国内企业打破了国外公司在这一应用领域的垄断，从此，我国自主生产的PEEK产品在国内电子信息领域的应用逐步扩大。目前国产龙头为中研股份和鹏孚隆，2021年销量分别623、226吨，市占率分别8.1%、2.9%。
需求持续扩张，仍处于供不应求阶段。2021年中国PEEK消费量（1980吨）>产量（1154吨）。据招股说明书测算，预计在2022年至2027年期间国内可实现有效新增产能大约在3,000吨左右。预计2027年国内实际PEEK产能约为5,394吨/年，对应有效产量约2967吨；根据沙利文咨询的预测，中国PEEK产品需求量在2022年至2027年期间继续以16.82%的年复合增长率增长，预计2027年需求约为5,079吨，供不应求。叠加人形机器人等下游场景将持续新拓需求空间，因此预计至2027年仍具备较好的供需格局。
PEEK属于合成树脂，产业上游原材料主要包括氟酮（最关键，直接影响PEEK产品质量）、对苯二酚、二苯砜和碳酸钠等，中游包括PEEK颗粒、PEEK粉末、PEEK增强颗粒等PEEK产品制造，下游的产品主要运用于新能源汽车、电子信息、能源及工业、医疗健康、航空航天等领域。4.1 上游材料：氟酮成本占比过半且主要产能集中我国，其余材料市场供应充足PEEK所需原材料包含氟酮、对苯二酚、碳酸钠等，添加剂包含碳纤维、玻璃纤维和PTFE。其中氟酮成本占比过半，全球氟酮产能集中在我国，国内产能充足，供应商包括新瀚新材、中欣氟材和营口兴福（未上市）等。对苯二酚是PEEK聚合反应的主要原材料，占粗粉成本比例15%左右。碳酸钠成本占比仅占1%，且为大宗化学品，由PEEK带来的弹性较小。
氟酮大幅扩产有望带动价格下探，利于PEEK成本进一步降低。2023年国内主要由新瀚新材和营口兴福供应氟酮，产能分别为4200和2000吨。2023年中欣氟材和新瀚新材分别新增5000、2500吨氟酮进入试生产阶段，2025年全国氟酮总产能有望达1.37万吨，有望满足1.82万吨PEEK生产，大于2027年PEEK预计产量，因此氟酮价格有望受益于原材料价格下滑而下降。
新瀚新材主要产品包括二苯甲酮系列、苯乙酮系列以及其他芳香族酮类产品。公司是行业内较早从事PEEK 核心原料氟酮（DFBP）的研发、生产的生产商。公司与PEEK 领域全球主要厂商 SOLVAY（索尔维）、EVONIK（赢创）及国内领先的PEEK 生产商中研股份、吉大特塑及鹏孚隆均建立长期合作关系。年产8000吨芳香酮及其配套项目达产后，氟酮（DFBP）产能达2500吨/年。中欣氟材主要产品包括含氟苯酚、含氟苯甲醇、含氟苯胺、含氟芳烃等。2021年公司定增的主要募投项目为年产5000吨氟酮及其上游原材料项目，该项目在2023年逐步投产。营口兴福重点产品包括氟苯、对氟甲苯、邻氟甲苯、间氟甲苯、三氟溴苯等，公司氟酮设计年产能为2000吨/年。2022年，公司与英国威格斯合建工厂产能1500吨/年。其余材料：对苯二酚和玻璃纤维等市场供应充足，碳纤维具备国产替代可行性对苯二酚为大宗化学品，处于产能过剩状态。对苯二酚是PEEK聚合反应的主要原材料，占粗粉成本比例15%左右。国内外的差异主要在于海外的杂质更少，但据中研股份招股说明书，如果不采用进口材料，转而使用国产产品也不会造成重大影响，因此对进口产品不存在依赖。国内主流对苯二酚生产厂商包含南京华虹化工、南京新化原和上海棋成原力化工等公司。碳纤维、玻璃纤维和PTFE占PEEK复合增强类产品成本约20%，占全部产品成本比例约5%。其中玻璃纤维看，我国2000年开始自主生产，2007年成为世界第一玻璃生产国。碳纤维正在复刻玻璃纤维发展轨迹，我国碳纤维2018年步入快速发展期。玻璃纤维随全球需求转移至中国后，逐步实现国产替代，目前碳纤维需求也正在往中国转移，叠加上吉利系、上海石化、中复神鹰、中简科技、江苏恒神和光威复材等国内公司发力，预计进口部分有望实现国产替代。
4.2 上游设备：聚合釜、水洗釜关键零部件亟待实现国产替代PEEK树脂的生产属于复杂的化学合成过程，其合成反应是在一个带有搅拌器的反应釜内进行。分别经历聚合过程、提纯过程、干燥过程：经过聚合反应生成PEEK聚合物，将含有PEEK聚合物的混合物进行粉碎提纯，粉碎后的物料放入含有丙酮的抽提釜中进行多次萃取，萃取后注入纯水进行蒸馏，在水洗釜经多次洗涤、检测达标后，将物料转入离心机。经离心、干燥和磁选即可得到干燥的PEEK纯树脂粗粉。生产PEEK的过程中，需要用到注塑机、聚合釜、反应釜、水洗釜、离心过滤机、蒸馏机器以及热风干燥机等设备。整体生产过程中所需的设备，国内市场已经可以满足基本需要。只有部分反应容器，如聚合釜、水洗釜等，在关键零部件和核心技术上仍依赖于进口。聚合釜代表厂商包含科幂仪器、威海化工机械、锦化机集团，反应釜相关厂商有无锡广和盛化工以及远怀科技。
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