據全球復合材料行業組織JEC數據,如圖1所示,從全球復合材料產量來看,2022年全球復合材料產量約為1270萬噸,其中,玻璃纖維復合材料約為400萬噸,2018-2022年產量增速約為3%,亞洲為產量增長速度最快的地區,亞洲地區占全球復合材料的產量接近50%,其中,中國市場的全球產量占比約28%,但產值占比約為22%。
圖1 2020-2022年全球復合材料產量及玻纖復材產量占比
據中國玻纖協會測算的數據顯示,2013-2021年全球玻璃纖維產量總體呈現上升趨勢,在眾多企業產能擴張的背景下,2021年全球玻璃纖維產量在950萬噸左右,同比增長11.76%,初步統計,2022年全球玻璃纖維產量超過1000萬噸,如圖2所示。
圖2 2013-2022年全球玻璃纖維產量情況(單位:萬噸)
2013-2022年全球玻璃纖維需求量連續增長,隨著全球建筑、新能源、電器等行業規模的飛速增長,玻璃纖維需求量也隨之增長,2022年全球玻璃纖維需求量在1200萬噸左右,可見圖3,全球玻璃纖維基本處于供不應求的狀態。
圖3 2013-2022年全球玻璃纖維需求情況(單位:萬噸)
我國玻璃纖維復合材料近年來發展勢頭迅猛,產量逐年增長,中國巨石等企業的產能建設也在逐步推進中,2023年預期部分產能釋放,玻璃纖維產量將保持較快增長,從圖4可看出,到2028年,我國玻璃纖維行業產量可能將超過1000萬噸。
圖4 2023-2028年中國玻璃纖維行業產量預測(單位:萬噸)
玻璃纖維復合材料主要分為兩種類型:熱固性復合材料(FRP)和熱塑性復合材料(FRT)。熱固性復合材料主要以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等為基體,熱塑性復合材料以聚丙烯樹脂(PP)、聚酰胺(PA)為主。熱塑性是指加工固化冷卻以后,再次加熱仍能達到流動性,并可以再次對其進行加工成型。從2013到2021年,中國熱塑性產量增速約9%,高于熱固7.45個百分點。熱塑性復合材料投資門檻高,但產品生產過程自動化程度較高,以及產品可回收再利用,可逐漸替代熱固性復合材料。熱塑性產量從137萬噸提升到274萬噸,同時,熱固產量從273萬噸提升到310萬噸,熱塑性復合材料增長趨勢明顯。
圖5 2013-2021年熱塑性復合材料產量呈上升趨勢
下圖為2012-2021年中國玻璃纖維產量及占比,可見,全球和中國玻璃纖維產量呈上升趨勢,國內產量占世界的總產量也逐年遞增,到2020年,國內產量約占全球的約為70%。全球玻璃纖維總產量由530萬噸增加至820萬噸,同時,國內玻璃纖維總產量由288萬噸增加至541萬噸。2021年國內玻璃纖維產量達624萬噸,同比增長15.2%。
圖6 2012-2021年中國玻纖產量及占比
玻璃纖維復合材料具有重量輕、強度高和絕緣性能好等特點,因此在各個領域都有廣泛的應用。下面主要介紹其應用領域和應用范圍。
(1)交通運輸領域
由于城市規模的不斷擴大,城市與城際的交通問題亟待解決,建設以地鐵和城際鐵路為主體的交通網絡刻不容緩,玻璃纖維復合材料在高速列車、地鐵等的軌道交通中正在不斷增加。在汽車制造中也被廣泛應用,例如車身、車門、引擎罩、內飾件、電子電器元件等部件,能夠減輕汽車重量,提高燃油效率,并具有良好的抗沖擊性能和安全性能。隨著玻纖增強材料工藝技術的不斷發展,玻纖復合材料在汽車輕量化中的應用前景也越來越廣泛。數據顯示,2013年以德國為首的歐洲國家,單車用玻璃纖維復合材料已經達300-365kg,占車重22.5%,美國單車用量也達到200-249kg,約占車重16.5%,而我國單車用量僅為90-110kg,僅占車重8%,遠低于發達國家的平均水平,因此,國內需要玻璃纖維復合材料的前景廣闊。
圖7 2013年各國玻纖復合材料在汽車上的用量
(2)航空航天領域
由于其具有高強度和輕質特性,它們在航空航天領域得到廣泛應用。例如,飛機機身、翼面、尾翼、地板、座椅、雷達罩、頭盔等部件,以提高飛機的性能和燃油效率。最初研發的波音777飛機中只有10%的機身材料使用了復合材料,如今,先進的波音787飛機機身大約有一半使用復合材料,判斷飛行器是否先進的一個重要指標是復合材料在飛行器上應用多少,玻璃纖維復合材料同時具有透波、阻燃等特殊功能,因此,在航空航天領域的發展仍有很大潛力。
(3)建筑領域
在建筑領域中用于制作墻板、屋頂和窗框等結構件,還可用于加固和修復混凝土結構,提高建筑物的抗震性能,可用于衛浴、游泳池等。另外,由于玻璃纖維復合材料具備優異的加工性能,是一種理想的自由曲面造型材料,可用于美學建筑領域。例如,亞特蘭大的美國銀行廣場大樓的頂部有一個引人注目的金色尖頂,這種獨特的結構是由玻璃纖維復合材料構成。
(4)化工領域
由于其具有優異的耐腐蝕性能,被廣泛應用于儲罐、管道、閥門等設備的制造,以提高設備的使用壽命和安全性。
(5)消費品和商業設施
工業齒輪,工業用、民用氣壓瓶,筆記本電腦、手機外殼,家用電器的零部件。
(6)基礎設施
作為國民經濟增長所必需的基礎設施,橋梁、隧道、鐵路、港口、公路等設施由于多功能、抗腐蝕和高載荷的要求,在全球范圍內正在面臨結構問題,玻璃纖維增強熱塑性復合材料在基礎設施的建設、改造、加固和修復中發揮了巨大的作用。
(7)電子電器
由于其具有良好的電絕緣性和防腐蝕性,主要用于電器罩殼、電器原件與電部件、輸線電包括復合電纜支架、電纜溝支架等。
(8)體育休閑領域
由于其具有重量輕、強度高、可設計自由度大增,在體育器材方面得到了光伏應用,例如:滑雪板、網球拍、羽毛球拍、自行車、摩托艇等。
(9)風力發電領域
風能是一種可持續能源,其最大特點是可再生、無污染、儲量大、分布廣,風機葉片是風力發電機最重要的組成部分,因此對風機葉片的要求較高,必須滿足強度高、耐腐蝕、重量輕、壽命長的要求,由于玻璃纖纖維復合材料能滿足以上性能要求因此在全球范圍內已被廣泛用于生產風機葉片,在電力基礎設施領域,玻璃纖維復合材料主要用于復合電桿、復合絕緣子等。
(11)光伏邊框
在“雙碳”發展戰略背景下,綠色能源產業成為國民經濟發展的熱點和重點,其中包括光伏產業。近期玻纖復合材料用于光伏邊框,有了實質進展,如果在光伏邊框領域能夠部分替代鋁型材,對玻纖行業是一件大事。海上光伏電站要求光伏組件材料具備較強的耐鹽霧腐蝕特性,鋁是活潑金屬,抵抗鹽霧腐蝕能力很差,而復合材料無電偶腐蝕性,在海上光伏電站中是一種較好的技術解決方案。2021年全球太陽能市場規模約185GW,對應邊框市場約230億,其中中國占80%,約200億;2022年因俄烏戰爭及拉動內需,組件爆增,預計光伏組件產能增長約30%,邊框市場約300億;2023年產能增長約20%,預計邊框可達360億;按照每年20%的增長幅度,預計2028年邊框市場可達到千億,如圖7所示。如果全部使用玻纖增強聚氨酯邊框,需用玻纖400萬噸/年,需用聚氨酯100萬噸/年。
圖8 2021-2028光伏組件產能
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