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站在金字塔頂端的PI薄膜，我國填補空白獲得行業話語權

文章來源：賢集網更新時間：2024-01-12 16:38:05

高性能聚酰亞胺薄膜（簡稱PI膜），是當前世界上性能最好的有機高分子絕緣薄膜材料之一。高性能PI膜經過高溫碳化石墨化后，可以得到熱導率數倍于銅的導熱石墨片，這是目前電子產品解決散熱問題的最佳方案。

更重要的是，PI薄膜又被稱為“黃金薄膜”，上天能助力航空飛行，下地能護航高鐵飛馳，是5G、半導體、新能源、軌道交通、航空航天等高科技領域里非常關鍵的絕緣材料。

用業內一句話形容，如果沒有這張膜，以上這些事業都將被卡住脖子。

“黃金薄膜”，不是浪得虛名！

PI薄膜，薄如蟬翼，僅有15 - 20微米，一根頭發絲大小，在零下269℃-400℃的溫度范圍內，具有穩定而優異的物理、化學、電學和力學性能，是一種很關鍵的絕緣材料。有著“黃金薄膜”的美稱。

它與碳纖維、芳綸纖維一起，被認為是制約中國發展高技術產業的三大瓶頸性關鍵高分子材料。

優異的耐熱性

聚酰亞胺的分解溫度一般超過500℃，有時甚至更高，是目前已知的有機聚合物中熱穩定性最高的品種之一，這主要是因為分子鏈中含有大量的芳香環。

優異的機械性能

未增強的基體材料的抗張強度都在100MPa以上。用均酐制備的Kapton薄膜抗張強度為170MPa，而聯苯型聚酰亞胺(Upilex S)可達到400MPa。聚酰亞胺纖維的彈性模量可達到500MPa，僅次于碳纖維。

良好的化學穩定性及耐濕熱性

聚酰亞胺材料一般不溶于有機溶劑，耐腐蝕、耐水解。改變分子設計可以得到不同結構的品種。有的品種經得起2個大氣壓下、120℃、500h的水煮。

良好的耐輻射性能

聚酰亞胺薄膜在5×109rad劑量輻射后，強度仍保持86%；某些聚酰亞胺纖維經1×1010rad快電子輻射后，其強度保持率為90%。

良好的介電性能

介電常數小于3.5，如果將氟原子引入分子鏈，介電常數可以降低至2.5，介電損耗10，體積電阻在1015-17Ωcm，非常適用于制作電路板的基材以及耐高溫電機電器絕緣材料。

一張PI膜，能占據多大話語權？

“毫不夸張地說，2010年以前，中國制造多少高鐵列車，取決于美國杜邦公司給多少‘黃金薄膜’，如果不是突破這項關鍵卡脖子技術，還會一直受制于人。”至今，拿起這張薄膜，株洲時代華鑫新材料技術有限公司（簡稱株洲華鑫新材料）總經理兼首席專家張步峰仍感覺“沉甸甸”。

PI膜薄如蟬翼，厚度僅有15微米至20微米，在零下269℃至400℃的溫度范圍內，具有穩定而優異的物理、化學、電學和力學性能，是電子、電力電器的關鍵絕緣材料。

在過去50年里，PI膜一直被國外公司壟斷，并對我國限量供貨，極大制約了國內相關戰略產業發展。“中國從美國杜邦公司購買高性能PI膜，不僅要出高價，還要提前6個月報計劃，并付完全款，甚至6個月后不能保證拿到貨。”張步峰坦言，這樣的局面嚴重阻礙了我國軌道交通、航空航天等國家高端領域產業的發展。

2010年，不甘“受制于人”的株洲華鑫新材料公司總經理張步峰帶領團隊走上技術攻關之路。

PI膜的主要合成工藝有兩種：一種是熱亞胺法，另一種是化學亞胺法。張步峰的團隊最初選擇熱亞胺法。2013年建成生產線后，發現熱亞胺法生產的PI膜，品質不穩定，產品性能偏低，與高鐵列車所需的高性能PI膜，存在一定差距。

于是，張步峰帶領團隊轉向化學亞胺法生產工藝研究，從零開始，研發具有自主知識產權的工藝。從材料設計、制備工藝，到裝備系統集成設計，再到裝備系統調試……每個技術環節都是摸著石頭過河。攻關關鍵時刻，即裝備系統集成設計和調試，張步峰團隊每天要面對海量數據，工作到凌晨是常態。

經過8年多的努力，張步峰團隊攻克了配方技術、制膜工藝和生產線裝備等一系列難題。2017年底，建成了國內首條化學亞胺法PI薄膜生產線，成功實現了高性能PI膜“中國制造”，破解了困擾國內高分子化工行業50余年的難題。

“中國薄膜”還走出了國門。“當時，韓國三星找到了我們，也找了韓國公司，看誰能率先突破高性能PI膜制造工藝。”張步峰說，最終，株洲華鑫新材料率先實現高性能PI膜的量產，經過批量試用，產品品質達到了美國、日本同類產品水平，憑借其性能優良、性價比高，贏得了韓國三星的青睞，成為三星旗艦手機Galaxy S10系列的PI膜獨家供應商。

PI膜可以用在哪里？

按應用類別的不同，PI薄膜可分為電工PI薄膜、電子PI薄膜、熱控PI薄膜、航天航空用PI薄膜、柔性顯示用CPI薄膜等。

●電工PI薄膜

主要用于電氣絕緣領域，包含電機、變壓器等的高等級絕緣系統，關鍵特性包括耐溫等級、絕緣強度，具備耐電暈性能的產品，還可用于高速軌道交通和風力發電等領域的絕緣系統。

●電子PI薄膜

主要用于電子基材領域，作為絕緣基膜與銅箔貼合構成FCCL的基板部分，也可覆蓋于FPC表面起到保護作用，滿足高頻高速傳輸要求的產品，還可用于5G通信領域。

●熱控PI薄膜

主要用于電器熱管控系統領域，如高導熱石墨膜前驅體PI薄膜經碳化、石墨化等加工工序后制成高導熱石墨膜用于散熱和導熱，特殊設計的PI薄膜結構具備易石墨化、適合整卷燒制等特性。

●航天航空用PI薄膜

主要用于空間飛行器的熱控或防護材料等，需具備優異的耐高低溫、耐輻照、低真空質量損失和低可凝揮發物等特性。

●柔性顯示用CPI薄膜

用于器件光學蓋板等領域，主要用作OLED屏幕蓋板、觸控傳感器面板等，需具備高透光率、耐彎折等特性。

“PI薄膜在半導體、電子、汽車、醫療設備、航空航天等領域的應用越來越廣泛，在很多不被人注意的地方都有PI的身影。這種新材料的市場空間非常大。”瑞華泰公司總經理湯昌丹說。

國家大力支持PI薄膜發展

PI薄膜長期被國外少數企業壟斷，成為制約我國的關鍵瓶頸性高分子材料。國家政策持續支持PI薄膜業務發展，國產替代進程有望進一步加快。

近年來，各國都在將PI的研究、開發及利用列入21世紀化工新材料的發展重點之一。此前相關政策明確表示將PI列為先進結構與復合材料的發展重點，此后進一步將柔性顯示用PI列為新型顯示與戰略性電子材料的重點專項和關鍵技術。國家政策導向對PI及PI薄膜的開發和生產予以足夠的重視和支持，為國產高性能PI產業的發展創造了有利條件。

PI薄膜是制約我國高技術產業發展的關鍵高分子材料，國際巨頭長期以來在PI薄膜市場占據主導地位，國內廠商在打破壟斷方面雖取得了明顯突破，但產能不足和技術難點尚未攻克仍是制約國內廠商進入高端PI薄膜市場的核心原因。在國家政策的大力支持下，國內廠商積極進行產能擴張和高端產品研發，打破國際巨頭壟斷。

哪些企業在布局？

全球高性能PI薄膜的研發和制造技術，主要由美國、日本和韓國企業掌握，美國杜邦、日本東麗、日本宇部興產、日本鐘淵化學和韓國SKPI（現更名為 PIAM）等廠商占據全球80%以上的市場份額。

目前，中國PI薄膜廠家在傳統電工絕緣領域形成了較強的產業能力，但在高端電工絕緣、電子等其他應用領域的產業化能力較弱；少數企業具備高性能PI薄膜的批量穩定供應能力。從事該業務的主要有瑞華泰、時代新材、國風塑業、達邁科技、達勝科技等。

瑞華泰

2010年，國家發改委“1000毫米幅寬雙向拉伸連續生產聚酰亞胺薄膜生產線”示范工程項目，花落已具備一定技術基礎的瑞華泰。這是中國第一條大幅寬PI薄膜生產線。

近幾年，瑞華泰陸續承擔了國家多個重大項目的材料研制工作，包括火箭、登月、探星、載人空間站、大飛機、高鐵等關鍵材料研制和預研。

時代新材

時代新材于2011年啟動PI薄膜項目研發，先后攻克了配方技術、裝備技術及制膜工藝難題，并于2017年底建成了中國首條化學亞胺法PI薄膜生產線。

2019年三星推出的全新旗艦手機Galaxy S10系列，該系列手機上高導熱石墨片所使用的高性能PI薄膜，70%來自株洲時代新材料科技股份有限公司的PI薄膜生產線。

對于研究所和企業來講，PI薄膜產業做大面臨的難題是什么

研究所一般均在PI薄膜進行結構設計和基礎性研究工作，因為設備投入太大，國內沒有哪個研究所真正具有生產線的。我們一直強調做新結構設計，不能完全抄襲國外的，因為現在CPI只是雷聲大雨點小，企業做的大小都沒有問題，你抄了也不會有日本人跟你打官司，如果你一旦做的夠大或者上市，很快就被以知識產權的糾紛的方式干掉，打官司都打不起來。結構設計方面的研究很多，我們結合國外一些綜述和自己這幾年的理解，做了總結和歸納。現在大家做CPI都逃脫不了TMFB和6FDA等含氟的單元，為了提升蓋板的模量，通常引入酰胺結構等。

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