基礎化工行業專題報告：超高分子量聚乙烯行業分析框架

科技 09-02

（報告出品方/作者：國信證券，楊林、薛聰、曹熠）

1 超高分子量聚乙烯行業格局梳理

超高分子量聚乙烯是高性能工程塑料，下游應用範圍廣闊

超高分子量聚乙烯是一種線性結構的具有優良綜合性能的工程塑料。UHMWPE分子鏈很長，沿同一方向排列，相互纏繞，通過強化分子之間的相互作用，較長的分子鏈能夠更有效地將載荷傳遞給主鏈，所以UHMWPE具有很高的比模量和比強度。UHMWPE耐磨性位居塑料之首比碳鋼、黃銅還耐磨數倍，其耐磨性能是普通聚乙烯的數十倍以上，而且隨著分子量的增加，其耐磨性能也會進一步提高。摩擦係數也比其它工程塑料小，可以與聚四氟乙烯相媲美，是理想的潤滑材料，由於其良好的耐磨性能和潤滑性能，UHMWPE在人工關節方面得到了廣泛應用。UHMWPE具有優良的抗水性能，幾乎不吸水，其吸水率在工程塑料中是最小的。UHMWPE耐衝擊性能也是目前工程塑料中最高的，比以耐衝擊性能著稱的聚碳酸酯還要高3～5倍。由於UHMWPE分子結構以直鏈為主，具有超拉伸取向必備的結構特徵，其拉伸強度高達3～3.5GPa，拉伸彈性模量高達100～125GPa。UHMWPE還具有優良耐化學藥品性，在一定溫度、濃度範圍內能耐各種腐蝕性介質及有機溶劑。優良的耐低溫性能，在冰點以下也具有良好的衝擊強度，最低使用溫度可以達到－269℃。另外，UHMWPE還具有良好的不粘性、無毒、優良的電氣絕緣性能、比HDPE更好的耐疲勞性及耐γ-射線能力等。

超高分子量聚乙烯技術壁壘——催化劑

催化劑是UHMWPE生產工藝的核心。乙烯的聚合主要受聚合溫度、壓力、催化劑組成及用量、外給電子體和氫氣的影響，催化劑是聚合技術的核心，對聚合產物平均分子量、分子量分布、堆密度、結晶度以及顆粒的大小和形態都有著重要影響。經過半個多世紀的發展，催化劑的性能和製備技術都得到了迅速地發展，目前主要的UHMWPE催化劑有Ziegler-Natta（Z-N）催化劑、茂金屬催化劑和非茂過渡金屬催化劑。

超高分子量聚乙烯技術壁壘——聚合工藝

目前生產UHMWPE樹脂的工業裝置大多採用淤漿聚合，淤漿工藝主要包括攪拌釜工藝與環管工藝。

釜式聚合工藝：釜式聚合包括Hostalen工藝和三井CX工藝，目前絕大多數的UHMWPE聚合採用Hostalen攪拌釜工藝。Hostalen工藝流程包括兩個反應器，在第一反應器中加入乙烯、氫氣和催化劑，生產較高熔融指數的樹脂，得到的聚合物漿液進入第二反應器，在第二反應器中完成剩餘乙烯的聚合反應。該工藝裝置的操作壓力和操作溫度低、操作彈性高、生產靈活且穩定性較好，而且使用該工藝，催化劑耐雜質能力強，對乙烯氣原料的純度要求低。目前全球超過三分之二的UHMWPE聚合採用Hostalen釜式工藝。

環管聚合工藝：環管工藝主要有Phillips公司的Phillips單環管工藝和Ineos公司的InnoveneS雙環管工藝。這兩種工藝均採用異丁烷為反應介質環管工藝不同於Hostalen工藝和CX工藝的釜式攪拌，其物料依靠軸流泵的推動在環管中高速流動來撤除聚合反應熱。Phillips公司利用改性後的二氧化硅或氧化鋁固定催化劑來生產UHMWPE，聚合中不需要加入氫氣，投資少，但對催化劑的要求較高。InnoveneS工藝也較成熟，布局緊湊，產品質量控制穩定，特點是物料停留時間短，牌號切換快。

超高分子量聚乙烯供應——國內產能擴張加速

UHMWPE產量、需求量同步增長。據同益中招股書中披露，2016年，全球UHMWPE產能和需求量分別為22.1萬噸和20萬噸，隨著製造業對材料的特性要求越來越高，UHMWPE以其優異的特性，有著廣闊的市場前景，預計至2021年UHMWPE產量和需求量分別有望達到38萬噸和36.7萬噸。

2 超高分子量聚乙烯纖維行業格局梳理

超高分子量聚乙烯纖維是三大高性能纖維之一，下游應用範圍廣闊

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，又稱高強高模聚乙烯纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之後的第三代高性能纖維。超高分子量聚乙烯纖維是目前工業化高性能纖維材料中比強度和比模量最高的纖維，是分子量在100萬以上的聚乙烯樹脂所紡出的纖維（普通聚乙烯的分子量一般在4-12萬），其斷裂伸長率高於碳纖維和芳綸，柔韌性好，在高應變率和低溫下力學性能仍然良好，抗衝擊能力優於碳纖維、芳綸等，是一種非常理想的防彈、防刺安全防護材料。超高分子量聚乙烯纖維與普通的聚乙烯纖維相比，具有強度高、韌性好，以及優良的抗衝擊性和抗切割性、高耐磨性、耐化學腐蝕性等特性。其中，超高分子量聚乙烯纖維的比強度是優質鋼材的15倍，是玻璃和尼龍66的4倍，是碳纖維的2.6倍，是芳綸纖維的1.7倍；在抗衝擊性能方面，超高分子量聚乙烯纖維複合材料的比衝擊總吸收能量是碳纖維的1.8倍、芳綸的2.6倍，防彈能力是芳綸裝甲結構的3.6倍。由於質輕高強及比能量吸收高的特點，超高分子量聚乙烯纖維已逐步取代芳綸，成為個體防彈防護領域的首選纖維。超高分子量聚乙烯纖維具有超高強度、超高模量、低密度、耐磨損、耐低溫、耐紫外線、抗屏蔽、柔韌性好、衝擊能量吸收高及耐強酸、強鹼、化學腐蝕等眾多的優異性能，被廣泛應用于軍事裝備、海洋產業、安全防護、體育器械等領域。

國內超高分子量聚乙烯纖維發展歷程及趨勢

國內UHMWPE纖維企業正處於成長階段，目前產品多用於中低端領域。2005年，以同益中、湖南中泰、寧波大成為代表的國內超高分子量聚乙烯纖維企業實現技術突破後，UHMWPE纖維行業良好的市場前景和經濟效益吸引多家企業投資，國內新建了數十條UHMWPE纖維生產線，形成了較為完善的規模化生產能力。國內企業研發和生產的超高分子量聚乙烯纖維產品主要經歷了三個發展階段：（1）逐步實現了超高分子量聚乙烯纖維的批量化生產，打破海外龍頭技術壟斷、填補了國內空白，實現了超高分子量聚乙烯纖維產品的進口替代；（2）國內企業研發和生產的超高分子量聚乙烯纖維及複合材料產品，在主要指標和功能方面，已達到國際領先知名品牌的同等水平，實現了在相關高端應用領域的進口替代，特別是改變了我國在部分軍工裝備領域（例如海軍艦艇纜繩和武警、陸軍防彈衣等）的對國外產品的依賴及受制約的局面；（3）在抗蠕變等高端產品以及醫用縫合線、雷達天線罩等細分應用領域，我國仍處於起步階段，我國企業仍將持續進行產品及應用研發。

超高分子量聚乙烯纖維——濕法紡絲工藝

濕法工藝路線紡絲：濕法路線採用的紡絲溶劑為高沸點不易揮發溶劑，如白油、礦物油、煤油等，紡絲加工溫度可調節範圍大。紡絲溶劑需要在紡絲後期進行萃取和乾燥，常用萃取劑主要有碳氫清洗劑、二氯甲烷、二甲苯等，紡絲溶劑回收工藝經十餘年的產業化發展，相對簡單成熟，但環保、安全的壓力較大。

超高分子量聚乙烯纖維需求快速增長

近年來，我國超高分子量聚乙烯纖維的需求量保持持續較快增長，主要來源於軍事裝備、海洋產業和安全防護等領域。未來，隨著市場需求的不斷增加，超高分子量聚乙烯纖維行業仍將持續快速發展。一方面，超高分子量聚乙烯纖維作為現代國防必不可少的戰略物資，國家出台了一系列政策將其列為關鍵戰略材料，主要包括《重點新材料首批次應用示範指導目錄（2019年版）》《增強製造業核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》等；另一方面，隨著產業技術水平的持續提升，超高分子量聚乙烯纖維的應用領域不斷拓寬，日益增加的軍品、民品應用將為超高分子量聚乙烯纖維帶來龐大的市場需求。據同益中招股書中披露，2015年至2019年，中國超高分子量聚乙烯纖維需求量複合增長率為19.87%，2020年至2025年，預期中國超高分子量聚乙烯纖維需求量複合增長率為15.05%。

國防裝備費投入增加有望拉動UHMWPE纖維需求

國防裝備費投入增加將拉動UHMWPE纖維需求。由於超高分子量聚乙烯纖維具有耐衝擊性能好、比能量吸收高、輕質、使用溫度範圍大等優勢，可以被應用在直升飛機/坦克/艦船的裝甲防護（防彈）板、雷達的防護外殼罩、導彈罩、盾牌、降落傘、防彈頭盔、防彈衣等不同產品上。包括美國、歐盟、俄羅斯、中國在內的多個國家軍費支出占 GDP比重近年來有所提升，推動全球軍費支出佔GDP比重小幅增加，國防支出的提升將會極大地推動超高分子量聚乙烯纖維的需求。

3 超高分子量聚乙烯鋰電隔膜行業格局梳理

隔膜是電池組件中的關鍵組件

隔膜是現有鋰電池內層組件中技術壁壘最高的材料，直接決定了鋰電池的使用性能和安全性。鋰電池隔膜是一種具有多孔網路結構的絕緣材料，平均孔徑為0.03～0.10μm，其主要作用是使電池的正、負極分隔開，防止兩極接觸而短路，能讓鋰離子自由通過，阻隔電流傳導，防止電池過熱。隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環以及安全性能等特性。根據隔膜的結構特點，鋰電池隔膜可分為聚烯烴隔膜、無紡布隔膜與無機複合隔膜。其中，聚烯烴隔膜是目前商業化鋰電池隔膜的主流，以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等為主。

隔膜約佔鋰離子電池成本的7%，市場需求快速增長

隔膜約佔鋰離子電池成本的7%。根據彭博新能源財經的數據，2021年鋰離子電池正極成本加起來占每個電池總成本一半以上，為51%。電池製造過程包括電極製備、電池組件和電池電化學激活，這一過程佔總成本的24%，負極佔總成本的12%，隔膜、電解液和電池外殼分別佔總成本的7%、4%和3%。

UHMWPE隔膜是高端隔膜，可用於高效、大功率電池中

UHMWPE隔膜是高端隔膜，可用於高效、大功率電池中。近年來，隨著新能源汽車的快速發展，動力電池的安全性受到人們的高度重視，因此對隔膜的性能提出了更高的要求。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由於分子質量高決定了其製備鋰電池隔膜的優勢，耐磨損、耐衝擊、耐化學腐蝕、耐低溫，力學性能、耐熱性優於普通PE、PP，綜合性能優異。UHMWPE隔膜是鋰電池隔膜中的高端產品，特別在高溫下熔體呈凝膠狀，熔而不塌，對過充或者溫度突升時短路、爆炸具有優良的安全保護作用，更適用於高效、大功率的動力電池。

UHMWPE鋰電隔膜的生產可分為干法工藝與濕法工藝

干法工藝路線簡單，但隔膜產品性能不佳：干法工藝又稱熔融拉伸法，包括單向拉伸、雙向拉伸工藝和吹塑工藝，是指將聚烯烴樹脂熔融、擠出製成結晶性聚合物薄膜，經過結晶化處理、退火獲得高結晶度的結構，隨後在高溫下進一步拉伸，將結晶界面進行剝離，形成多孔結構的製備工藝。干法單向拉伸工藝相對簡單，且無環境污染，但低溫拉伸時容易導致隔膜穿孔且拉伸倍數較小，產品不能做得很薄。與縱向相比，橫向拉伸強度差，其隔膜呈扁長微孔結構。

4 其他子行業及相關上市公司

UHMWPE管材——性能優異的管道材料

UHMWPE管材以其突出的耐腐蝕性、耐熱、耐磨、對輸送介質無污染性、使用壽命長、製造安裝費用低等優異性能，在石油化工、河海疏浚、尾礦輸送、海洋浮標等領域得到了廣泛的應用。UHMWPE管材的耐磨性比 HDPE高4倍，是碳鋼、不鏽鋼的7～10倍，摩擦係數僅為0.07～0.11，自潤滑性優異；衝擊強度高，特別是在低溫條件下，仍有相當高的衝擊強度；其還具有優良的抗內壓強度、耐環境應力開裂性等。

UHMWPE板材、型材——人工關節的主流材料

UHMWPE板材廣泛應用於各類護舷板、車廂滑板、煤倉襯板、旱冰滑板、鐵路公路橋樑支座墊片以及人工關節等領域。目前市場上超過90%的人工關節材料中的襯墊為UHMWPE材料，全球每年約有三百萬次的關節置換手術，UHMWPE部件的磨損和損壞是影響人工關節壽命的主要因素。UHMWPE於1960年被首次應用於製作人工關節襯、墊。目前，UHMWPE基礎樹脂的耐磨性能還不能完全滿足關節的長時間使用，美國麻省總醫院等研究機構和企業開發了交聯UHMWPE，大幅降低了關節磨損，於1998年首次獲得食品藥品監督管理局（FDA）批准進入臨床應用。隨後，歐美國家又發明了維生素E聚乙烯，兼備抗氧化和耐磨性能，於2009年獲得FDA批准進入臨床使用。我國從1990年起逐漸使用UHMWPE 製作關節襯墊，但國產UHMWPE的分子量、成型加工工藝以及關節製造工藝等都較落後，人工關節臨床使用壽命短（平均五年左右），磨損等導致的併發症嚴重。