Мировое производство ПЭ и СВМПЭ

Полиэтилен (РE, ПЭ) является бесспорным лидером на мировом рынке полимерных материалов, на долю которого пришлось порядка 40% спроса в 2018 г. Среднегодовой темп роста мирового рынка ПЭ за последние 14 лет (2005–2019 гг.) составил ~ 4,5%. Согласно оценке ICIS, на фоне мировой пандемии спрос на ПЭ покажет более низкие темпы роста: не более 2% в 2020 г., и составит 105 млн т в тоннаже и 170 млрд долл. в денежном выражении (рис.1).

Среди полимерных материалов, создаваемых на основе полиолефинов (PP, PE), выделяется сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ, англ. UHMW-PE), являющийся разновидностью линейного полиэтилена с относительной молекулярной массой свыше 1,5 млн а.е.м. СВМПЭ обладает превосходной износо- и химической стойкостью, низким коэффициентом трения, биологической инертностью, что позволяет использовать его в различных отраслях промышленности для изделий специального назначения. СВМПЭ используется там, где обычные марки ПЭ и другие полимеры не выдерживают жестких условий эксплуатации. СВМПЭ может выступать в качестве заменителя более дорогостоящих материалов (сталь, фторопласты, полиамиды), а может являться единственно подходящим материалом для приложений, в которых вероятны высокие нагрузки износа.

Переработанный СВМПЭ порошок выпускается на рынке либо в виде волокон, либо в виде листов, пленок, профилей, труб или стержней.

Мировой рынок СВМПЭ динамично развивается. С 2016–2018 гг. рынок СВМПЭ рос со среднегодовыми темпами ~14% и достиг 250 тыс. т или 1,6 млрд долл. в 2018 г. По прогнозам ResearchInChina, спрос на СВМПЭ и композиционные материалы на его основе в изделиях технического назначения увеличится более чем в 2,5 раза относительно показателя 2018 г., и достигнет 650 тыс. т. к 2025 г. (рис. 2).

Региональная структура потребления СВМПЭ

В 2018 г. наибольшая доля потребления СВМПЭ пришлась на Северную Америку – 38% (рис. 3). На фоне высокого потребления СВМПЭ в здравоохранении, военной и оборонной промышленности, автомобилестроении и электронике

рынок СВМПЭ Северной Америки продолжит рост со среднегодовым темпом около 12% в год до 2021 г.

На долю стран Европейского союза в 2018 г. пришлось 22% потребления СВМПЭ. В связи с увеличением числа операций по замене тазобедренного и коленного суставов европейский рынок СВМПЭ продемонстрирует устойчивый рост в течение следующих 5–7 лет.

Азиатско-Тихоокеанский регион, на долю которого пришлось 20% рынка в 2018 г., является самым быстрорастущим регионом. Благодаря быстрой индустриализации в Индии, Малайзии, Таиланде и Южной Корее и растущему числу населения пожилого возраста в Японии, спрос на СВМПЭ в АТР продолжит рост со среднегодовым темпом 12,5% в ближайшей перспективе.

На долю стран Латинской Америки пришлось 12% спроса СВМПЭ в 2018 г. Ожидается, что индустриализация в странах с развивающейся экономикой, таких как Бразилия и Чили, будет стимулировать спрос на СВМПЭ в среднесрочной перспективе.

Мировые производители СВМПЭ

На мировом рынке производителей СВМПЭ доминируют Celanese Corporation (CША), Braskem S.A. (Бразилия), DSM N.V. (Голландия) и Mitsui Chemicals Inc. (Япония). Celanese, имея производственные подразделения в Оберхаузене (Германия), Бишопе (Техас, США) и Нанкине (14 тыс. т/год, Китай), обладает самой большой мощностью в мире по производству СВМПЭ – 108 тыс. т в год. Вторым за Celanese следует Braskem, мощности которого составили 45 тыс. т в 2018 г. На долю обоих производителей приходится более 60% всех мировых мощностей СВМПЭ (рис.4)

На долю китайских производителей СВМПЭ приходится порядка 30% мировых мощностей. Производственными мощностями СВМПЭ располагают такие китайские компании как: Henan Wosen Ultra-high Chemical Industry Science and Technology Co., Ltd., Shanghai Lianle Chemical Industry Science and Technology Co., Ltd., Anhui Tejiajin Fine Chemicals Co., Ltd., Jiujiang Zhongke Xinxing New Materials Co., Ltd, Sinopec Qilu Petrochemical Corporation и Nanjing Jinling Plastic Chemical Co., Ltd (рис. 5). Суммарные мощности всех китайских заводов, включая завод Celanese в Нанкине, составляют более 80 тыс. т в год. На протяжении многих лет инвестирование в строительство заводов по производству СВМПЭ являлось частью стратегического плана Китая, что позволило получить большую долю рынка. В настоящее время в процессе реализации находятся проекты по расширению производственных мощностей СВМПЭ компаний Jiujiang Zhongke Xinxing New Materials Co., Ltd. на 60 тыс. т/год и Nanjing JinlingPlastic & Petrochemical на 10 тыс. т/год. Однако, несмотря на прирост СВМПЭ мощностей, Китай, в силу не полного преодоления технологической отсталости, фокусируются на конечных продуктах среднего и низкого сегмента.

Лидеры отрасли вкладывают значительные средства в НИОКР с целью разработки СВМПЭ для создания премиальных продуктов, таких как более долговечные протезы, легкие средства индивидуальной защиты и др. Высокие требования потребителей открывают широкие перспективы как для существующих, так и для потенциально новых участников рынка в области инвестирования в НИОКР и расширения продуктового портфеля.

Рынку хорошо уже известен СВМПЭ порошок марок Mipelon™ ХM-221U и Mipelon™ ХM-220 с размером частиц 25 и 30 мкм соответственно. В 2019 г. Mitsui Chemicals Inc. продвинулась вперед в своих разработках и представила порошок с размером частиц 10 мкм. Новый СВМПЭ, Mipelon™ PM-200, не содержит галогенов, что делает его пригодными для использования в качестве альтернативы политетрафторэтилену (ПТФЭ), широко используемому в качестве модификатора для смол и каучуков. Благодаря хорошему диспергированию большинства наполнителей для Mipelon™ PM-200, таких как углерод, графит или дисульфид молибдена, удается получить конструкционный материал с исключительными самосмазывающимся свойствами. Спеченный Mipelon™ представляет собой превосходный пористый фильтрующий материал из-за мельчайшего размера его частиц. Кроме того, добавление мелкодисперсного сверхвысокомолекулярного полиэтиленового порошка Mipelon™ к смазкам, смазочным материалам, печатной краске, лакокрасочным материалам и пигментам приводит к матовому покрытию и улучшенной самосмазываемости.

Как известно, СВМПЭ трудно формуется из-за низкого уровня текучести. Сверхвысокая молекулярная масса СВМПЭ, определяющая его уникальные физико-химические свойства, одновременно является причиной ограничения на методы его переработки. Cоздание Mitsui Chemicals Inc. гранулированного PE серии Lubmer для литья под давлением и экструзии открыло новые области применения СВМПЭ в производстве зубчатых деталей, автомобильных подшипников и стеклоподъемников. В 2019 г. Mitsui Chemicals продвинулась вперед и разработала модифицированный СВМПЭ серии Lubmer, пригодный для использования в смесях с инженерными пластмассами. При сохранении механических свойств таких материалов, как полиамид и поликарбонат, использование модифицированного СВМПЭ серии Lubmer позволит улучшить самосмазываемость и износостойкость в деталях интерьера и экстерьера автомобиля.

Структура потребления СВМПЭ

В то время как традиционные типы ПЭ используются главным образом в упаковочной отрасли (см. рис 6.), СВМПЭ широко применяется в производстве устойчивых к перепадам температур и сдвигу грунта труб, листов для изготовления скользящих поверхностей, спортивного инвентаря, фильтров для очистки воды, холодостойких и износостойких композиционных материалов для резиновых изделий. Однако наиболее востребован СВМПЭ в мире в производстве эндопротезов, сепараторов для автомобильных аккумуляторных батарей, а также изделий и оборудования специального назначения (см. рис. 7).

Применение СВМПЭ в медицине (замена суставов)

Рынок СВМПЭ медицинского назначения растет на 12% в год и занимает 30% мирового рынка СВМПЭ в 2018 г. По данным исследования «Глобальное бремя болезней 2017» (Global Burden of Disease – GBD-2017), заболевания опорно-двигательного аппарата занимали второе место среди факторов инвалидности в мире, на долю которых приходится 16% всех прожитых с инвалидностью лет. В США заболеваниями опорно-двигательного аппарата страдает каждый второй взрослый американец, что соответствует совокупному числу людей, страдающих сердечно-сосудистыми и хроническими респираторными заболеваниями. До недавнего времени ортопедические операции назначались пациентам старше 60 лет в связи с ограниченным (15–20 лет) сроком службы суставных протезов, которые подвергались износу вследствие протекающих радикальных процессов при воздействии с металлическим контр-телом, обусловленным химическим окислением. За последние годы участники отрасли предприняли серьезные шаги по улучшению свойств СВМПЭ. Расширение состава СВМПЭ рядом антиоксидантов (витамин E, куркумин, нарингенин) помогло получить более устойчивый к износу материал, сочетающий хорошую стойкость к окислению и высокие механические свойства. Благодаря новым технологиям, срок службы искусственных протезов продлился, а число операций по замене тазобедренного и коленного суставов резко возросло, особенно среди сравнительно молодого поколения в возрасте от 40 до 55 лет. В среднесрочной перспективе увеличение пожилого населения в ряде стран, таких как США, Канада и Япония, будет стимулировать спрос на СВМПЭ медицинского класса. К 2025 г. объем рынка сверхвысокомолекулярного полиэтилена, применяемого в качестве основы медицинских изделий различного назначения, составит порядка 1,4 млрд долл.

Использование СВМПЭ-мембран в качестве сепараторов для литий-ионных аккумуляторных батарей

Мировой рынок сепараторов литий-ионных аккумуляторных батарей (LiB) растет более чем на 30% в год и занимает 15% мирового рынка (в 2018 г.). Сепараторы литий-ионных аккумуляторных батарей  производятся либо мокрым, либо сухим способом. СВМПЭ используется в процессе мокрой сепарации, при котором облегчается производство более безопасных, тонких и емкостных батарей.

В 2018 г. производство литий-ионных аккумуляторных батарей для электромобилей (EVs) и плагин-гибридных автомобилей (PHV) на основе СВМПЭ обогнало производство литий-ионный аккумуляторов для сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и видеокамер. Для удовлетворения растущего спроса на LiB со стороны автомобильного сектора в Японии, Китае и Европе Mitsui Chemicals Inc. на заводе Iwakuni-Ohtake Works нарастила мощности по производству сверхвысокомолекулярного полиэтилена, продаваемого под торговой маркой Hi-Zex Million, от 7,5 до 8,5 тыс. т для производства литий-ионных аккумуляторных сепараторов. Данный вид применения СВМПЭ будет демонстрировать высокие темпы роста в ближайшей перспективе ввиду наращивания производственных мощностей со стороны мировых лидеров рынка сепараторов LiB (Asahi Kasei Corp.).

Волокна СВМПЭ

Мировой рынок СВМПЭ волокна растет на 10% в год и занимает 8% мирового рынка в 2018 г. Основными продуцентами СВМПЭ волокна в мире являются DSM, Honeywell и Mitsui Chemicals Inc.

Волокна СВМПЭ находят применение в нескольких отраслях конечного использования, таких как средства индивидуальной защиты, спортивное оборудование, строительство и здравоохранение. Увеличение расходов на строительство, участие в спортивных мероприятиях и растущая индустрия здравоохранения, как ожидается, будут стимулировать потребление продукта в ближайшем будущем. СВМПЭ волокно, стратегический и высокотехнологичный материал среди трех основных высокоэффективных волокон в мире (сверхвысокомолекулярных, арамидных, углеродных), в настоящее время находится в дефиците. Так, мировой спрос на СВМПЭ волокно в 2016 г. составил примерно 60 тыс. т по сравнению с выпуском всего лишь 30 тыс. т. Поскольку разрабатывается все больше военной и гражданской продукции (например, высокопрочные легкие кабели), спрос на СВМПЭ волокно, как ожидается, вырастет примерно на 15% в ближайшие 5 лет, до 200 тыс. т к 2025 г., однако данного объема будет меньше, чем требуется. На китайском рынке разрыв между спросом и предложением также остается большим. Ежегодно стране требуется около 20 тыс. т СВМПЭ волокна, в то время как объем производства составляет около 10 тыс. т в год. Недостаточно высокие технологии китайских предприятий в сфере производства специальных прядильных смол и прядения наряду с небольшими производственными мощностями дают возможность иностранным компаниям, таким как DSM, Honeywell и Mitsui Chemicals, монополизировавшим основные технологии, завоевывать рынки продукции премиум-класса.

Предполагается, что ряд правительственных мер в ряде стран, направленных на обеспечение более совершенным индивидуальным защитным оборудованием и противоракетным снаряжением военнослужащих и сотрудников правоохранительных органов, будут способствовать развитию рынка СВМПЭ волокна в ближайшие годы.

Выводы

Рост мирового рынка СВМПЭ в первую очередь обусловлен значительным спросом на ортопедические имплантаты в Европе и Северной Америке. Увеличение числа операций по замене коленных и тазобедренных суставов в сочетании с увеличением численности гериатрического населения будет способствовать росту спроса на СВМПЭ в производстве протезов в период до 2025 г.

Наличие большого количества автомобильных производственных мощностей в Северной Америке и АТР способствует росту спроса на сепараторы аккумуляторных батарей. Значительный рост популярности электрических и гибридных транспортных средств, использующих литий-ионные аккумуляторы, по прогнозам, будет способствовать росту спроса на СВМПЭ в период до 2025 г.

Спрос на СВМПЭ в военной и оборонной промышленности растет в связи с его использованием в средствах индивидуальной защиты и противоракетной обороны. Ожидается, что потребность в национальной безопасности и контртеррористической деятельности во всем мире окажет положительное влияние на рост рынка СВМПЭ в период до 2025 г.

Однако такие факторы, как наличие заменителей СВМПЭ (полиоксиметилен, уретан, фторполимеры, поликарбонат) и замедление роста мировой экономики, вызванной кризисом на фоне пандемии, могут препятствовать росту отрасли вплоть до 2024 г.