環氧樹脂的應用及市場分析

張 謙，王 涵，畢治功

(1.南京三聚生物質新材料科技有限公司，江蘇 南京 211500；2.營口市住房和城鄉規劃建設委員會，遼寧 營口 115000；3.神華(福州)羅源灣港電有限公司，福建 福州 350000)

環氧樹脂通常是一種在液體狀態下使用的環氧低聚物，固化反應過程中收縮率小，與固化劑反應時可以形成三維網狀熱固性塑料。其固化物具有良好的力學性能、耐熱性、黏接性、耐化學藥品性以及電氣性能，是應用量較大的熱固性樹脂[1]。由于環氧樹脂具有優異的熱穩定性、防腐性、黏接性和成型性等性能，常被制成涂料、黏合劑、復合材料及電子電器產品，廣泛應用于土木建筑、光學機械、電氣電子、工程技術及文體用品制造等方面[2-3]。

1 環氧樹脂的應用

1.1 涂料

環氧樹脂對多種基材具有優異的附著力，因此可以作為涂料的主要成膜物質。環氧樹脂涂膜的電絕緣性、機械強度、抗化學藥品性也非常出眾，因此我國生產的環氧樹脂中大約有30%～40%被加工成各種各樣的涂料，廣泛應用于汽車、船舶、鋼結構建筑物、家用電器、土木工程、機電工業等領域[4-7]。

受環保督查影響，關閉小型涂料企業及下游涂裝企業的新聞時有報道，此部分企業關閉造成相關產量與收入向規模型企業轉移，涂料行業近期呈現規模不斷擴大，但盈利水平下降的趨勢。傳統的溶劑型涂料中存在大量有機溶劑，這些有機溶劑的揮發不僅能引發光化學煙霧，還能引起大氣層酸度變化等，對人體健康和生態環境危害極大。我國近期頒布多項法律法規限制溶劑型涂料的生產和使用，從而極大地促進了環境友好型涂料的技術進步和產品推廣。環境友好型涂料包括環氧樹脂水性涂料、環氧樹脂無溶劑涂料、環氧樹脂高固體份涂料等重要品種。

水性環氧樹脂的研究國外始于20世紀70年代，我國始于20世紀90年代。第一代水性環氧樹脂用乳化劑直接進行乳化制備；第二代水性環氧樹脂采用低相對分子質量油溶性環氧樹脂進行水性固化制備；第三代水性環氧樹脂將非離子型表面活性劑接枝在環氧樹脂和固化劑上，形成穩定的乳化體系制備。用水性環氧樹脂制成的涂料可以達到或超過溶劑型產品性能[8-15]。

無溶劑環氧樹脂涂料由環氧樹脂、固化劑和活性溶劑組成，其有機溶劑含量趨于零，應用于長距離輸送管線的防腐層和管道外防腐等領域。交聯密度高于傳統溶劑型環氧樹脂涂料，因此附著力、硬度、抗陰極剝離和耐磨性等方面都非常出色，且具有如下優點：(1)耐腐蝕性好，涂層內無溶劑滯留和針孔；(2)涂層厚度一次成膜即能達到，且無重涂過程，施工效率高；(3)幾乎不含有機溶劑，不僅減少了生產施工過程中對環境和人員的損害，而且施工、貯存、運輸更安全；(4)無溶劑環氧樹脂涂料為100%體積固含量產品，因此涂料消耗量低。但是，無溶劑環氧樹脂涂料也有缺點: (1)配方中小分子的液體環氧樹脂和固化劑導致涂料固化交聯速度快，不便于施工；(2)體系黏度高導致噴涂困難，同時涂層抗開裂性差；(3)無溶劑導致涂料對基層的潤濕性能不足[16-18]。

高固體份環氧樹脂涂料具有如下優點：(1) 有機組分揮發量、涂料消耗量和涂裝工作量相對減少；(2) 環氧樹脂的相對分子質量和黏度較低，使其在涂裝時對基體具有良好的潤濕性和流平性；(3) 一次噴涂的干膜厚度較大，省時省力省資源且減少環境污染。但是高固體份環氧樹脂涂料在實際使用過程也存在許多缺點：(1) 一次性涂裝的干膜厚度較厚；(2) 涂料黏度過高對涂裝時的施工設備和壓力要求較高，而且黏度過高使其在冬季施工時需要加溫或者額外添加稀釋劑，增加有機溶劑排放；(3)選用低相對分子質量的樹脂降低黏度，延長了涂料表干時間。高于70%體積固含量的防腐涂料已應用于重防腐領域[19-21]。以環氧樹脂為原料制備的涂料如圖1所示。

圖1 環氧樹脂為原料制備涂料的示意圖

1.2 膠黏劑

環氧樹脂具有優良的黏接性和各種均衡的物理性質，作為膠黏劑，從尖端技術到日常生活都有廣泛應用，其具有以下優點：(1)適應性強，應用范圍廣泛；(2)不含揮發性溶劑；(3)低壓黏接，也就是指觸壓即可黏接；(4)固化收縮小；(5)固化物耐疲勞性好，畸變小；(6)耐腐蝕、耐化學藥品、耐濕以及電氣絕緣性能優良。其缺點是：(1)對結晶型或極性小的聚合物黏結力差；(2)耐開裂性、耐剝離、耐沖擊性和韌性不良。為了解決這些缺點，出現了很多改性或復合型的環氧樹脂膠黏劑品種，多是以增韌改性為主[22-24]。環氧樹脂在膠黏劑方面的主要用途如表1所示。

表1 環氧樹脂膠黏劑的主要用途

1.3 復合材料

環氧樹脂是目前樹脂基復合材料中常用的熱固性樹脂基體之一，具有黏結強度高、固化收縮率小、無小分子揮發物、工藝成型性好、耐熱性、化學穩定性好、成本低等優點，但是，固化后交聯密度大，導致三維網狀結構存在內應力大、質脆、抗沖擊性及電絕緣性差等缺點。環氧復合材料主要有環氧結構復合材料和環氧玻璃鋼，如纏繞成型的中空回轉體制品、拉擠成型的環氧型材和高性能復合材料，是化工及航空航天、軍工等高技術領域的一種重要的結構材料和功能材料[25]。

1.4 電子電器

隨著電子材料的不斷發展，人們對環氧樹脂綜合性能的要求也越來越高，如用于電子封裝和印刷線路板的環氧樹脂，除了要求具有一定的耐熱性、黏接性等，還應具有良好的低熱膨脹系數、阻燃性、力學性能、低吸濕性等。其主要用途有：(1) 電器、電機絕緣封裝件從常壓澆注、真空澆注已發展到自動壓力凝膠成型，如互感器、干式變壓器、電磁鐵、接觸器線圈等高低壓電器的整體全密封絕緣封裝件的制造等；(2) 裝有電子元件和線路器件的灌封絕緣；(3) 電子級環氧模塑料用于半導體元器件的塑封，大有取代傳統的金屬、陶瓷和玻璃封裝的趨勢；(4) 環氧層壓塑料廣泛應用于電子、電器領域，其中環氧覆銅板發展迅速，已成為電子工業的基礎材料之一[26]。

2 環氧樹脂市場情況分析

2.1 生產情況

2016年世界環氧樹脂總產能約為462萬t，陶氏化學公司、臺灣南亞塑膠化學公司和邁圖特種化學公司環氧樹脂的產能排名前三位，分別占全球總產能的15%、12%和10%。2016年環氧樹脂產能按國家或地區分布如圖2所示[27]。

圖2 2016年全球各地區環氧樹脂產能分布

我國20世紀80年代以前環氧樹脂發展緩慢，2000年后，環氧樹脂行業開始大規模建設投產，到目前為止我國已經成為全球最大的環氧樹脂生產國和消費國。2000年國內環氧樹脂產能為16萬t，2010 年產能達到155萬t，2017年產能進一步增至230萬t，由于2017年環保形勢嚴峻，國內環氧樹脂裝置開工率較低，部分企業限產或者停產，年產量僅為120萬t，行業已經處于供需格局較為緊張的狀態。我國環氧樹脂產能占全球44%以上，包括外企如陶氏化學公司、韓國國都公司、臺灣長春公司、臺灣南亞塑膠公司、宏昌化工公司、香港建滔化學公司等，國內企業如三木化工公司、揚農化工公司、巴陵石化公司等。2017年國內產能排名前十的環氧樹脂生產商如表2所示。

表2 2017年國內主要環氧樹脂生產企業

我國環氧樹脂的產能主要分布在江蘇、安徽等地，其中江蘇地區大型裝置較為集中，約占國內總產能的52%以上，其余地區占比相對分散，但分布多與下游需求對應，長江三角洲和珠江三角洲是國內環氧樹脂下游最集中的地區。

2.2 應用領域需求分析

在需求結構方面，環氧樹脂的消費結構與各國各地區的經濟發展密切相關。美國和西歐環氧樹脂在涂料領域用量最大，約為50%；日本由于電子行業比較發達，環氧樹脂在電子電氣消費領域的應用占首位，約為40%，在涂料中的應用占第二位。

我國環氧樹脂最大的應用領域是涂料行業，約占環氧樹脂消費量的38%，其次是電子/機電領域，約占環氧樹脂消費量的28%，復合材料約占環氧樹脂消費量的24%，膠黏劑及其他領域約占環氧樹脂消費量的10%。每個領域發展速度略有差異，但總體呈正增長趨勢，我國環氧樹脂下游消費領域分布情況如圖3所示。

圖3 環氧樹脂下游消費領域分布情況

2.3 價格走勢分析

在經歷了2017年下半年一波近乎翻倍的大漲行情之后，2018年開始，環氧樹脂出廠價格開始回落，由2018年1月初的24 297元/t回落至2018年12月的20 353元/t，創下2018年以來的最低水平，雖然2018年5月開始環氧樹脂價格有小幅上揚，但仍在低位徘徊。2018年環氧樹脂出廠價格走勢如圖4所示[28]。

圖4 2018年環氧樹脂出廠價格走勢圖

3 結束語

國內環氧樹脂中的中低端品種產能嚴重過剩，高端產品嚴重依賴進口，今后環氧樹脂產業應開拓思路，加大無溶劑、低黏度或改性產品的開發力度。隨著環氧樹脂應用領域的不斷拓展，對其性能也提出了新的要求，環氧樹脂的研究開發正朝著精細化、功能化和高性能化的方向發展。