不饱和聚酯未来应用市场最值得关注的还是玻璃钢复合材料领域。虽然在不饱和聚酯应用领域内占比由早期的70-80%下滑至现在的50-55%,但仍是不饱和聚酯的第一应用领域。
(1)玻璃钢冷却塔:冷却塔作为散热设备,主要用于工业制造、空调制冷、风电厂、火电厂以及化工制药等领域。国家“十四五”规划纲要中,明确指出要推进能源革命,建设清洁低碳能源体系。大力提升光伏、风电发电规模已是近几年的热门发展方向。而在新能源大规模并网背景下,也带动冷却塔市场需求不断增加。例如光伏产业链企业晶澳在包头3GW晶硅项目中,就上了14台大型闭式冷却塔。同时,随着电力系统调峰负担加大,火电灵活性改造作为提升系统调峰能力的关键方式,也带动冷却塔市场需求不断增加。据相关报道,2022年冷却塔产值实现高增长,较2021年增长率超过10%,且未来2-3年仍会呈现良好增长态势。当然复合材料不是冷却塔材质的唯一选择,碳钢也是主要材料之一,这个受工业园区的使用要求限制。
(2)渔船:在欧美、日本、韩国以及中国台湾等地基本已实现木质、小型钢制渔船玻璃钢化。由于玻璃钢材料尤其不饱和聚酯复合材料具有常温耐老化、抗腐蚀等诸多优点,且经过研究测试,玻璃钢渔船老化期在50~60年以上,例如日本上世纪60年代的玻璃钢渔船目前仍在使用。船舶寿命长、贬值速度慢就相当于增加了渔民的实际收益。我国玻璃钢渔船发展缓慢,我国现有渔船51.1万艘,其中机动渔船34.24万艘,非机动渔船16.86万艘,但国内玻璃钢渔船的占比才2%。市场潜力巨大。但也需要形成相应的标准,以及规模化、系列化生产。未来任重道远。
(3)新能源汽车及汽车轻量化工程:电动汽车的车身和电池外壳等。随着新能源技术的不断发展和普及,不饱和聚酯树脂在这个领域的需求将不断增加。汽车轻量化里指的是冷藏车、客车、集装箱车等,以FRP轻量化材料带动“3D”闭孔泡沫结构形成的超轻量化新材料将会大量使用。
(4)管道:给排水工程的改造和扩建,城镇污水处理,工业循环用水等拉动大口径(1~4m)的玻璃钢管道;海洋经开带动的海洋工程,比如海水淡化、海洋油气田、海上风电等对大型玻璃钢防腐工程和大口径玻璃钢管道的需求;防腐环保工程采用的化工贮罐、管道以及耐压防腐管道等等。这里重点描述下输氢管道,这是管道领域里未来发展的重点。2023年4月中石化“西氢东送”输氢管道示范工程已被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》,我国首个纯氢长输管道项目启动。此管道全长400多公里,将用于替代京津冀地区现有的化石能源制氢及交通制氢,缓解我国绿氢供需错配问题。现有输氢管道材质集中在高阻隔柔性复合管、塑料合金复合管、小口径热塑性复合管三种非金属管道及低钢级金属管道。据了解,全球范围内氢气输送管道总里程已超过5000公里,我国输氢管道建设尚处于起步阶段。
(5)节能建筑:据中国建筑节能协会发布的报告显示,2020年我国建筑能耗占全国能源消耗总量占比为45.5%。建筑领域节能减排刻不容缓。不饱和聚酯玻璃钢产品在建筑节能方面有外墙装饰挂板,玻璃钢窗框和玻璃钢门板等,都能实现传统材料替代。
5. 不饱和聚酯树脂发展方向
在过去的发展过程中,不饱和聚酯树脂对于一般用途来说,具有特殊意义的贡献。将来我们要向一些特殊用途的领域发展,同时还要使通用树脂低成本化。下面介绍一些不饱和聚酯树脂典型发展方向。
(1)低苯乙烯挥发性或无苯乙烯不饱和聚酯树脂:从材料成本、树脂贮存、成型操作和固化特性以及最终应用性能来看,苯乙烯是当前最合适的单体。然而苯乙烯在室温下的蒸气压较高,易挥发。因此减少挥发性单体含量,在近几年来一直是国外不饱和聚酯树脂行业开发的课题,目前采用的方法有很多种:加入低挥发抑制剂;不含苯乙烯单体的不饱和聚酯树脂配方,有用二乙烯基体、乙烯基甲基苯、α-甲基苯乙烯来取代含苯乙烯单体的乙烯基单体;减少苯乙烯挥发的方法是把双环戊二烯及其衍生物等其它单元引入不饱和聚酯树脂骨架,实现低粘度化,最终使苯乙烯单体含量降低等等。比如管道非开挖CIPP技术就对树脂无毒无害要求很高,那无苯乙烯树脂在这里就就能大展身手。
(2)阻燃不饱和聚酯树脂开发:近年来,针对高效阻燃UPR复合材料的研究,从添加型(如有机膦低聚物、纳米阻燃剂等)、本征型(将阻燃结构引入分子链中骨架制备,如含磷二元酸单体、含C=C反应性阻燃剂等)和纤维界面阻燃(如阻燃界面改性剂等)角度探索了用于UPR的高效阻燃结构及方式,同时改善UPR中挥发性苯乙烯的环境危害性和纤维增强材料界面性能问题。
(3)低收缩不饱和聚酯树脂:不饱和聚酯树脂(UPR)收缩率较高,达到7~10%。采用热塑性树脂来降低和缓和UPR的固化收缩,已在SMC制造中得到广泛应用。常用的低收缩剂有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和苯二甲酸二烯丙酯聚合物等。目前国外除采用聚苯乙烯及其共聚物外,还开发了聚已酸内酯、改性聚氨酯和醋酸纤维素丁酯等等。
(4)不饱和聚酯树脂辅料开发:与不饱和聚酯树脂有关联的辅料有催化剂、分散剂、消泡剂、抗氧化剂、促进剂、固化剂、色浆、胶衣、脱模剂等。国内各种辅料的开发已完成比较完善,尤其是复合促进剂的开发,为树脂的快速固化提供了良好的条件。目前,国产的促进剂质量已有大幅度提高,在固化速度、固化后对制品的色泽影响方面都优于进口材料。但还有一些辅料,比如高档助剂(如分散剂、消泡剂、抗氧化剂等)仍以进口为主,我国专业研究和生产不饱和聚酯树脂相关助剂厂家很少。
6. 不饱和聚酯树脂产业发展建议
(1)规划经济化
我国不饱和聚酯树脂发展必将向集约化、大型化和产业化方向发展。玻璃钢成型技术的发展,对树脂的品种质量要求越来越高。因此,不饱和聚酯树脂生产企业必须着眼未来,建设具有经济规模的生产装置,以高质量、低成本的不饱和聚酯树脂服务于各行各业。
(2)标准化
在过去几十年复合材料发展历程中,在绝大多数应用领域,尤其不饱和树脂行业,其产品标准空白,造成市场巨大混乱,给下游企业在选材和产品设计方面带来困扰。目前,这一状况已得到改善,一大批与传统复合材料制品性能相关的不饱和树脂产品的技术标准正在制定,从过氧化甲乙酮到连续缠绕管道树脂、冷藏车箱板树脂、机制联系板材树脂到拉缠编织电力管道等目前市场产量较大的复合材料制品所用的不饱和树脂品种等。这些标准的颁布和实施,将会极大地推动了我国不饱和聚酯树脂产业的良性发展。