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風電系列之六上游材料國產(chǎn)替代進行時
在葉片大型化的風電趨勢下，要求風電葉片需具備外形復雜、系列行精度高、游材天津市德田漆業(yè)化工有限公司質(zhì)量分布均勻、料國耐候性好等特點，產(chǎn)替相應地，代進推動核心材料的風電供給端發(fā)生變革，也提升了對材料性能的系列行要求。
目前，游材風電葉片制造的料國部分關鍵材料有較高的進口依賴，但國內(nèi)企業(yè)已在加速布局，產(chǎn)替國產(chǎn)替代漸行漸近。代進
大葉片需要好材料
風電葉片經(jīng)歷了由木質(zhì)材料到金屬材料再到復合材料的風電演變過程。
相比金屬材料，系列行復合材料制作的游材葉片質(zhì)量輕、比強度高、剛性好、成型工藝簡單、抗震性好、抗疲勞性能好、耐腐蝕性和耐氣候性好、易于修補等。
當前，復合材料已成為制造風電葉片的主流材料。
材料與工藝是復合材料的兩個最重要因素。
玻璃纖維是目前生產(chǎn)風電葉片的主要復合材料，同時，碳纖維的天津市德田漆業(yè)化工有限公司使用量也在上升。
風電葉片由蒙皮和腹板組成，蒙皮采用夾芯結(jié)構(gòu)，中間層是輕木或泡沫芯材，上下面層為玻璃纖維復合材料。玻璃纖維的突出性能是抗拉強度大，其受力特點是在玻璃纖維方向能承受很高的拉應力，而其他方向承受的力相對較小。面層鋪設玻璃纖維，以承受離心力和氣動彎矩產(chǎn)生的軸向應力，兩種作用力的方向沿葉片指向轉(zhuǎn)軸，恰好是玻璃纖維的拉伸方向。腹板與蒙皮結(jié)合的梁帽位置需要承受較大應力，則使用實心玻璃纖維增強結(jié)構(gòu)。
工藝方面，真空灌注成型工藝（VARTM）被廣泛運用，適用于該工藝的樹脂體系將決定風電葉片的生產(chǎn)效率。
真空灌注成型工藝對基體樹脂的要求為：①低粘度(一般低于300mPa·s)，流動性好且生產(chǎn)效率高；②允許足夠長的可操作時間（一般控制在2～5小時之間），在樹脂流動期間系統(tǒng)粘度增長緩慢，有利于纖維增強材料的浸潤；③適當?shù)姆艧岱鍦囟?，在纖維層較厚部位不容易產(chǎn)生樹脂放熱聚集缺陷，芯材部位不易產(chǎn)生過熱燒焦；⑤固化收縮率低，產(chǎn)品變形?。虎夼c增強纖維浸潤性好；⑦較好的耐疲勞性能；⑧快速建立Tg能力，減少占模時間，提升生產(chǎn)效率。
目前，用于生產(chǎn)風電葉片的三種主要基體材料為環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂或不飽和聚酯樹脂。
總體上，玻纖增強材料用于提供葉片足夠的剛度與強度，環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂或不飽和聚酯樹脂等基體材料則用于提供韌性和耐久性。
基體材料
環(huán)氧樹脂是風電葉片生產(chǎn)過程中最為核心的原材料之一，其在風電葉片中的作用十分關鍵。
環(huán)氧樹脂是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產(chǎn)物，其優(yōu)良的物理機械和電絕緣性能、與各種材料的粘接性能以及使用工藝的靈活性是其他熱固性塑料所不具備的。
玻璃纖維或碳纖維通過浸漬環(huán)氧樹脂實現(xiàn)材料的增強，滿足葉片機械性能。環(huán)氧樹脂浸漬增強材料后在模具內(nèi)高溫固化制成風電葉片。同時，樹脂材料與芯材表面進行粘合提高強度。
我國環(huán)氧樹脂的產(chǎn)能利用率在50%-60%之間，然而，進口依存度卻達到20%左右。從市場份額來看，瀚森化工和歐林占據(jù)主導地位，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要有道生天合、上緯新材、惠柏新材料等。
環(huán)氧樹脂在固化前是一種線性熱塑性低聚物，其從熱塑性線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程稱為固化，固化后的樹脂才具有使用價值。固化劑對固化成型起著十分重要的作用。
胺類化合物是環(huán)氧樹脂重要的固化劑。聚醚胺將含有醚鍵的胺類化合物應用于環(huán)氧樹脂固化劑中,不但能提高固化物的柔韌性,還克服了簡單多胺固化劑毒性大的缺點。此外，聚醚胺還能改善環(huán)氧樹脂的耐酸堿性、耐水性和電性能。
聚醚胺行業(yè)的技術(shù)門檻高。相關企業(yè)一般具有較強的研發(fā)能力、獨有的生產(chǎn)技術(shù)和多年積累的豐富經(jīng)驗，以確保其產(chǎn)品質(zhì)量，新進入者難以在短時間內(nèi)研發(fā)出強大的生產(chǎn)技術(shù)。
聚醚胺下游主要為大型化學品制造商及貿(mào)易公司，對聚醚胺產(chǎn)品有特定質(zhì)量要求且需求量龐大，比如風電行業(yè)。因此，下游客戶多與大型聚醚胺企業(yè)建立穩(wěn)定的關系，行業(yè)整體的客戶黏性較高。
聚醚胺的合成工藝包括間歇法和連續(xù)法。整體而言，連續(xù)法生產(chǎn)成本較高，但生產(chǎn)效率也高，工藝更具優(yōu)勢，目前國內(nèi)僅有部分企業(yè)采用。隨著聚醚胺行業(yè)加速發(fā)展，規(guī)模效應逐步顯現(xiàn)，連續(xù)法的優(yōu)勢將增強。
2020年聚醚胺下游前三大行業(yè)分別是風電（62%）、建筑（25%）及膠粘劑（4.5%），合計需求10.1萬噸。
中國2016年至2020年的聚醚胺銷量由4.2萬噸增長至10.1萬噸，復合增長率為24.5%。其中，風電是行業(yè)增長的重要驅(qū)動力，風電行業(yè)聚醚胺銷量由1.7萬噸增長至6.3萬噸，復合增長率為38.4%。弗若斯特沙利文預測，202025年中國聚醚胺需求有望保持15.7%的復合增速。
目前，全球聚醚胺行業(yè)的最大供應商是亨斯邁（產(chǎn)能約12萬噸）和巴斯夫（產(chǎn)能約6萬噸），合計產(chǎn)能占比69%。國內(nèi)有四家企業(yè)擁有聚醚胺產(chǎn)能，分別是正大新材料（3.5萬噸）、阿科力（2萬噸）、晨化股份（1.8萬噸）和皇馬科技（0.4萬噸）。萬華化學已建成聚醚胺中試生產(chǎn)線，預計在2023年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。各企業(yè)在國內(nèi)的產(chǎn)能情況如下：
高市場集中度下聚醚胺企業(yè)的議價能力較高，同時，由于聚醚胺在風電中成本占比不高，下游對聚醚胺產(chǎn)品的價格也不敏感，行業(yè)整體的經(jīng)營格局較好。
芯材
風電葉片中殼體、剪切腹板等重要部件一般采用夾芯結(jié)構(gòu)，通過此結(jié)構(gòu)將葉片所受的剪切力從表層向內(nèi)部傳遞，提高葉片的載荷能力。
三明治結(jié)構(gòu)的夾芯復合材料結(jié)合工字梁的結(jié)構(gòu)設計特點，是材料和結(jié)構(gòu)共同優(yōu)化的一種設計。這種結(jié)構(gòu)受到彎曲載荷時，其整體剛性主要取決于面板層的性能和兩面板間的距離，距離越大其彎曲剛性越大，而芯材主要承受剪切作用，支持面板不失去穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)芯材采用巴沙木。巴沙木主要產(chǎn)自南美，近年因供求關系緊張推高了風電行業(yè)的采購價格。因此，風電葉片制造商采用合成材料作為芯材，以減輕巴沙木供應緊張的局面。
合成材料芯材主要有PVC結(jié)構(gòu)泡沫材料和PET結(jié)構(gòu)泡沫材料。其中，PVC結(jié)構(gòu)泡沫材料由于應用比較成熟，是當前使用量最大的結(jié)構(gòu)泡沫材料。
PVC泡沫質(zhì)量輕、強度高，是一種熱固性材料。其阻燃隔熱性能好，水汽透過率低，但制作工藝復雜，成本較高，并且耐高溫性能較差，成型工藝中存在燒焦可能。
PVC泡沫的主要供應商為DIAB（戴鉑）、Gurit（固瑞特）、3A（思瑞安）、JSB（杰思比）等。國內(nèi)有天晟新材、維賽新材料、洛陽科博思新材料（隆華科技子公司）。
PET泡沫是一種熱塑性材料，強度高，質(zhì)量輕，電絕緣性優(yōu)越，綜合性能優(yōu)于PVC泡沫，可避免PVC泡沫耐高溫性能差的問題。同時，經(jīng)封孔處理的PET泡沫平板的吸膠量低于PVC泡沫。
廢舊的風電葉片大多會被送到垃圾填埋場進行處理，而采用熱塑性PET發(fā)泡材料制造的風電葉片非常容易進行循環(huán)回收，符合當前的環(huán)保方向。此外，PET發(fā)泡材料還具有供應穩(wěn)定、性價比高、材料特性一致等多種優(yōu)勢。
國外PET泡沫企業(yè)主要有3A、Armacell、Gurit、DIAB、Nida-core、BASF、米德等。我國PET發(fā)泡技術(shù)剛起步，理論和工藝實踐均不成熟，供應格局仍由國外公司主導。
增強材料
增強材料在葉片制作過程中，用于與樹脂基體緊密結(jié)合，提高葉片的機械性能與力學性能。主要為玻璃纖維增強復合材料(GFRP)和碳纖維增強復合材料(CFRP)，二者之和占全球復合材料市場規(guī)模的90%左右。
2020年中國玻璃纖維產(chǎn)量超過540萬噸，占據(jù)全球玻璃纖維產(chǎn)量的60%以上。我國玻璃纖維行業(yè)較集中，中國巨石、泰山玻纖（中材科技子公司）、重慶國際合計占玻纖行業(yè)產(chǎn)能的60%以上。
碳纖維具有耐高溫、耐腐蝕、超高強度、高模量和比重小等優(yōu)點，能夠有效提高葉片剛度，降低重量，從而降低機組載荷，使得整機部件輕量化。碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%、強度大40%，尤其是模量高3~8倍。
大型葉片采用碳纖維增強材料可充分發(fā)揮其高彈、輕質(zhì)的優(yōu)點，但其價格昂貴，為控制成本，當前只在風電葉片的關鍵部位使用。
國外企業(yè)在碳纖維材料中有先發(fā)優(yōu)勢，2020年全球碳纖維產(chǎn)能17.17萬噸，中國大陸產(chǎn)能僅3.62萬噸，占比較低。中國大陸碳纖維及原絲產(chǎn)能集中度較高，主要有吉林碳谷、中復神鷹、恒神股份、光威復材等。其中，吉林碳谷主要研發(fā)低成本大絲束碳纖維原絲，產(chǎn)能位居我國首位。
涂層
風電場的氣候惡劣且風電設備至少要使用20年，為了避免設備受強光、風沙、腐蝕以及高低溫侵襲而影響機組的安全運行，必須用涂層保護，提升葉片質(zhì)量和使用壽命。
我國環(huán)氧類防腐涂料占比最高，在30%以上，其次是聚氨酯類涂料，兩者所占比重約為60%。其中，風電葉片使用較多的是聚氨酯類涂料。聚氨酯涂層的保護壽命一般不超過8年，風電機組使用期間需3次以上的重涂和維修，維護成本相對較高。
此外，氟碳涂料的保護年限可達20年，在風電機組的使用壽命期，至多只需一次維護。同時，氟碳涂料的漆膜年損失量低，涂裝過程中VOC排放相對少，比較符合環(huán)保理念。
風電葉片用涂料基本由國外公司主導，如德國美凱威奇、美國PPG、德國巴斯夫等。我國企業(yè)主要有海隆涂料、麥加芯彩、渝三峽、飛鹿股份等。
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上游材料部分到此結(jié)束，因受篇幅所限，未能完全展開，后面有機會再對部分子板塊單獨展開交流。
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