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有机硅的行业研究
| 发布时间: 2019-06-21 14:50:50 | 分享到:

有机硅是什么?

 

有机硅是建筑、电子电器、机械、冶金、汽车、化工、纺织、轻工、食品、医疗等领域应用范围十分广泛的基础性材料,其兼备了无机材料和有机材料的性能,可耐低温、电气绝缘、耐臭氧、耐辐射、阻燃、憎水、无毒无味以及生理惰性。

  有机硅产品主要可以归为四类:硅橡胶、硅油、硅树脂和偶联剂

硅橡胶
硅橡胶具有最广的工作温度范围(-100~350℃),耐高、低温性能优异,是有机硅产品中产量最大,应用最为广泛的一大类产品。根据硫化机理,硅橡胶可分成高温硫化硅橡胶(HTV)和室温硫化硅橡胶(RTV),具有耐热、耐寒、耐臭氧、耐紫外线、耐原子氧、耐宇宙射线的特性及防水、防震等综合性能。

高温橡胶主要用于生产耐高温或耐低温、高绝缘、高弹性的橡胶制品,如高档耐热密封件、垫片、高压电力电缆及耐高低温控电缆的被复、火花塞保护套、彩电高压帽、耐热胶辊、胶管、气体分离及食物保鲜用的半渗透膜等。另外由于硅橡胶可以填充大量的导电碳黑,使其具有导电性,目前被广泛应用于生产各种导电硅橡胶制品,如目前广泛用于计算机、微型计算机、遥控器、电话、电子琴、电子游戏机等产品的导电硅橡胶按键就是其中之一。

室温硫化硅橡胶主要用作密封胶和模具胶、粘结结构胶和灌封料等。在建筑行业用作道路、门窗的密封填缝材料,较为高档的结构胶用于汽车、玻璃幕墙的结构粘结材料。在电子电气工业中,室温硫化硅橡胶用作粘结剂,如彩电装配线、印刷电路基板等各种电子元件的粘结、固定、填隙,照明器材的粘接密封等,还可用作各种元器件的灌封、涂覆。

硅油
硅油是无色(或淡黄色)、无味、无毒、不易挥发的液体,含有单一或不同有机基团的低分子聚硅氧烷,可以制成各种不同的粘度。硅油具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力,常用作高级润滑油、防震油、绝缘油、液压油、热传递油、真空扩散泵油、消泡剂、脱模剂、疏水剂、油漆添加剂、抛光剂、隔离剂及日常生活用品添加剂、表面活性剂、颗粒和纤维处理剂、硅脂、絮凝剂等。日常生活中以甲基硅油最为常用,香波中加入乳化硅油可提高毛发的润滑度等。

硅树脂

硅树脂是以SI-O-SI为主链,硅原子上连接有机基,具有高度交联结构的交联型半无机高聚物。应用广泛,可以用于生产电绝缘膝,涂料,模塑料,层压材料,脱模剂,防潮防水剂等。硅树脂制成的绝缘材料因耐热性和绝缘性能好而属于H级,用它制作的电动机体积小、重量轻、可靠性高,在短时过热、过负荷情况下不会烧坏。硅树脂能配制耐500℃高温涂料;有机硅改性的丙烯酸树脂涂料耐侯性好,且憎水、抗污,是高级外墙涂料。

硅烷偶联剂
硅烷偶联剂是一类低分子化合物,与硅原子一端相连的是能水解的氯或各种烷氧基,水解后能与无机物相连;另一端有各种能与有机物相作用的官能团,如氨基、乙烯基、巯基等,故硅烷偶联剂能将有机物和无机物桥联起来。

硅烷偶联剂几乎可用于任何一种材料的交联,包括:热固性材料、热塑性材料、密封剂、橡胶、水溶剂和亲水性聚合物以及无机材料,如玻璃纤维增强材料的加工、矿物粉沫填料的复合材料、聚乙烯电缆或管子等;还可用于环氧聚氨脂、聚乙烯醇缩丁醛、丁睛橡胶等粘合剂和聚氨脂、氯丁橡胶、丁醛橡胶等密封剂中的增粘剂;涂料和油墨的增粘剂;金属材料的防锈和防氧化、玻璃和陶瓷材料的表面处理、织物和皮革的后整理等。

根据《2018-2024年中国有机硅行业市场运营现状调查及未来发展前景预测报告》,2018年我国硅硅橡胶、偶联剂、硅油和硅树脂四类产品用量分别占68%,17%,12%以及3%。其中,硅橡胶是消费量最大的产品,下游主要为建筑与汽车行业;硅烷偶联剂是目前增长较快的产品。

虽然有机硅的终端产品可以简单概括为四大类,可是需要注意的是,其具体产品高达7000多种。有机硅生产工序较多,每一道工序产生的产品或副产品都能对应部分市场需求,因此有机硅下游行业分布极为广泛,客户也十分分散。

综合两方面因素,有机硅生产企业能生产的产品种类数量是考核企业行业竞争力的重要指标。比如,美国道康宁是世界有机硅生产企业的龙头,机硅产品多达7,000多种,在全球拥有25,000多家客户,日本信越的有机硅品种高达4000多种,德国瓦克也有3,500多种产品;韩国KCC和德国瓦克均在总部设有研究中心,不断研发出更具竞争优势的产品,为客户带来增值效益。

另外,优秀的有机硅企业还需要具备柔性调整生产计划的能力,贴近客户需求,生产符合客户要求的产品,并能根据客户需求,个性化的提供技术指导和服务。因此,海外巨头均在重点开发的市场设厂,节省运输及关税成本的同时,将生产更贴近客户,比如道康宁在进入中国市场四十余年,已分别在北京、广州、深圳、成都、香港和台北设有6个办事处,并在张家港和上海建有2个主要生产基地和1个商务技术中心;瓦克在世界各地设有25 个生产基地,并在欧洲、美洲和亚洲31 个国家设有子公司和销售办事处。

 

有机硅产业链

 

有机硅产业链主要包括:有机硅原料、有机硅单体、有机硅中间体、有机硅深加工四个环节。有机硅上游原料为氯甲烷(由甲醇和盐酸制备而来)和金属硅,中游为单体(氯硅烷)及中间体(DMC、D3、D4、D5等),单体经过聚合形成下游产品硅橡胶(HTV、RTV、LSR)、硅油、硅树脂。

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上游原材料

 
 


工业硅
        
机硅的主要原料是工业硅,也称金属硅。工业硅由硅石和焦炭在电热炉内冶炼而成,属于高耗能、高污染的行业,主要成本为硅石(48%)和电力(41%)。国内工业硅产能主要集中在电力价格较低、硅石原料丰富的云南、四川和新疆,三地产量占全国产量的75%。
硅石不存在供应短缺的问题。硅元素是地壳中储量最丰富的元素之一,硅石的全球储量达百万吨级以上。

对工业硅供应水平影响较大的是电力。过去,企业通常采用水力发电,由于上游呈现季节性枯水期,导致行业整体产能利用率较低。根据中国有色金属工业协会硅业分会统计,2014年金属硅产能利用率仅33%左右,而扣除该因素后,当年我国有效产能利用率应达到64.2%。目前企业通常采用火力发电,基本扭转了过去两年供需失衡的局面。

另一项对工业硅供应水平影响较大的是污染治理,比如,2017年8月中央环保督察组进驻新疆、四川,当地工业硅生产企业开工率下降,市场供不应求,库存量过去三年来首次出现下降。期间,工业硅价格从1.13万元/吨涨至1.52万元/吨。而随着环保督查工作结束,价格小幅回落至1.42万元/吨。

   氯甲烷
氯甲烷是另一个主要生产有机硅的原料。通常氯甲烷可以通过甲醇和盐酸或氢气反应制备。其中,甲醇的采购价格受石油、天然气、煤炭行业波动的影响;目前煤炭等煤制品的价格目前处于历史相对低位,未来不排除反弹的可能。氯甲烷的另一种来源是草甘膦生产线的副产品,因此这一渠道的氯甲烷价格受上游草甘膦生产规模的影响。

根据合盛硅业披露信息,每1吨有机硅单体(二甲基二氯硅烷)大约需要消耗0.26吨硅块、0.58吨甲醇、0.23吨高纯盐酸、6吨中压蒸汽等。另外,金属硅每产出一吨平均耗电(火电/水电) 12,000度 。生产过程中还用到NaOH、各种催化剂等,2014年至2017年间合盛硅业直接材料和电力成本之和的占生产总成本的比例分别达到77.65%、75.14%、72.15%及74.46%。

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中游制造

 
 

 

有机硅单体和中间体是关键的中游制造环节。目前,直接法是合成有机硅单体的唯一工业化方法。根据三友化工披露,直接法合成有机硅的程序如下图:
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有机硅单体

工业硅粉和氯甲烷合成得到有机硅单体,即有机氯硅烷,也称环体氯硅烷。有机氯硅烷是一系列有机硅产品的原料,是整个有机硅工业的基础。其中,甲基氯硅烷是最主要的一种,产量约占有机硅单体总产量的95%以上,其中占绝对量的是二甲基二氯硅烷(二甲单体),占甲基氯硅烷总量的90%以上。除二甲单体外,其余产品都属于副产物,如一甲单体、三甲单体、一甲含氢单体,以及高沸物、低沸物、浆渣等,总计占比15%。

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有机硅中间体

单体二甲基二氯硅烷通过水解、裂解等工序,可以制成几种主要的中间体,包括D3(六甲基环三硅氧烷)、D4(八甲基环四硅氧烷)、D5(十甲基环五硅氧烷)和CMD(D3、D4、D5的混合物)等,统称为硅氧烷。通常1吨单体可以产出0.46吨硅氧烷。

副产品

单体产生的副产品可以通过进一步分解,形成硅油、偶联剂、硅树脂、气相法白炭黑等产品,还有部分废料只能通过燃烧或掩埋的方式处理。但是,根据合盛硅业披露,传统的副产物市场已严重饱和。在环保政策趋严的大背景下,企业若不能将这些副产物及时处理掉,极容易造成环境污染,降低企业的经济效益。因此,下游副产品的深加工对企业能否持续盈利起着至关重要的作用。

高沸物占甲基氯硅烷混合单体比重约6%-7%,而目前最先进的技术可将比重降至3%-5%。高沸物是一种黑色、带刺激性气味并具有强烈腐蚀性的混合液体,包含30多种化合物;传统的高沸物处理方式是将高沸物用于生产高沸硅油,作为低档防水剂。不过,近年来有机硅单体产量不断扩大,导致高沸物市场容量严重饱和,每年只能用掉约五分之一的高沸物,因此其商业价值较低,大量库存积压造成严重的环保问题和安全隐患。

一甲是易燃、无色透明液体,遇水会释放有害气体。目前一甲主要是通过与醇和酸反应用于生产气相法白炭黑、硅烷交联剂、甲基硅树脂等。

低沸物是指沸点在40摄氏度以下的硅烷混合物,其中大部分是四甲基硅,另外还有氯甲烷、三氯氢硅、二甲含氢和一些烷烃。迄今为止,工业上仍没有找到一种经济有效的方式处理低沸物,多是将其燃烧排放。

共沸物主要指四氯化硅和三甲基氯硅烷的共沸物,传统的方法是将共沸物进一步分离后再利用。三甲基氯硅烷用来制备六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、六甲基二硅烷等;分离后的四氯化硅可用来制备四丁酮肟基硅烷、四乙酰氧基硅烷、正硅酸乙酯、气相法白炭黑等。

废渣浆以往是通过就地掩埋的方式处理,在环保力度加大后,国内大多数公司采取焚烧处理。

 

 
 

下游深加工

 
 

   

中间体的下游深加工

硅氧烷通过进一步合成得到硅橡胶和硅油。根据上市公司披露,通常每吨硅氧烷可以制备350.9吨的硅油(1:0.035)、4215.4吨110生胶(1:0.42)和5060.9吨107胶(1:0.51)。每吨生胶可制备1.54吨混炼胶,每吨107 胶可制备1吨硅酮密封胶。

硅橡胶是有机硅最重要的下游产品,应用最为广泛、工艺成熟的硅橡胶产品包括以下四种:

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硅油的种类众多,常见的如二甲基硅油、苯基硅油、含氢硅油、氨基硅油等。生产主要原料为中间体和封头剂。硅油应用领域很广,日化品约占硅油总消费量的30%-35%。其次是作为加工助剂,如用作消泡剂、脱膜剂和表面活性剂等。

副产品的下游深加工

副产品中,可以加以利用的主要是一甲,用来制备硅树脂、硅烷偶联剂和白炭黑。

硅树脂主要有以下几种:甲基硅树脂、甲基苯基硅树脂、MQ硅树脂、耐高温涂料、增硬涂料、憎水涂料。

偶联剂的种类繁多,比较著名的有硅烷类偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、有机铬洛合物偶联剂等。硅烷类偶联剂是研究得最早且被广泛应用的品种之一;钛酸酯偶联剂是70年代后期由美国肯利奇石油化学公司开发的一种新型偶联剂;铝酸酯偶联剂是国内自行开发的品种;有机铬洛合物偶联剂由美国杜邦公司开发。

白炭黑有两种标准化产品,分别为气相法白炭黑和沉淀法白炭黑。

 
 

 

 

 

 

行业发展情况

 

鉴于有机硅产品在建筑、电子电器、纺织业、加工制造业等消费终端有广泛的应用,其终端需求与宏观经济景气度关联度极高。2008年以前,我国房地产业和工业制造业急剧扩张带动了有机硅行业的高速发展。2009年我国4万亿宽松刺激之后,供给端在量化宽松的刺激下产能明显扩张,有机硅单体产能从2009年的90万吨增长至2011年的180万吨,市场供大于求,有机硅加工利润的逐步下降。2017 年随着国家“供给侧改革”政策的推进及安全环保审查力度的加大,市场逐步产能出清,产品转为净出口,并且市场集中度迅速增大。

2013年至今国内总产能几乎没有变化,行业集中度(仅指单体及中间体)却显著提升,截至2018年6月,在产企业家数已从 2012 年的 15 家减少到11 家,前 5 家企业产量全国占比达到 60%以上,并且未来规划产能扩张都来自于龙头企业。11家企业中,合盛硅业、新安股份、兴发集团、三友化工是上市公司,其余为非上市公司,包括蓝星星火、张家港基地、山东东岳、恒业成、山东金岭、浙江中天、鲁西化工。

另外,行业开工率已无向下弹性。受限于生产企业高固定成本的特征,企业需保持较高开工率才能达到盈亏平衡。目前,国内产能的平均开工率维持在70%-80%之间,属于相当高的水平。

我国有机硅行业的第三个问题是下游终端产品主技术含量偏低,低端产品市场集中度极低,造成市场恶意竞争并且缺乏优秀品牌,高端产品严重不足。

海外产能集中度也是极高的,全球市场主要由六家企业掌控。2018年海外有机硅总产能在247万吨,有效产能约 239万吨,其中陶熙(原道康宁)产能84万吨、迈图45万吨、瓦克44万吨、信越35万吨、蓝星(法国)20 万吨以及 KCC11 万吨,装置分布在美国、德国、英国、法国、日本、韩国、泰国等地。

 

 

  有机硅在各行业不可或缺的应用,奠定了其在经济发展中的重要地位。目前,我国有机硅终端市场已严重饱和,行业整体利润率极低。单体和中间体由于少数几家企业占据了垄断地位,形成的工艺壁垒、资金壁垒、环保壁垒和渠道壁垒都对新进企业造成困难。但是,我国有机硅单体及中间体与国际巨头相比,在产品种类和创新性方面仍有较大不足,是优秀的小型企业弯道超车的重要机遇。

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