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站在金字塔顶端的PI薄膜，我国填补空白获得行业话语权

文章来源：贤集网更新时间：2024-01-12 16:38:05

高性能聚酰亚胺薄膜（简称PI膜），是当前世界上性能最好的有机高分子绝缘薄膜材料之一。高性能PI膜经过高温碳化石墨化后，可以得到热导率数倍于铜的导热石墨片，这是目前电子产品解决散热问题的最佳方案。

更重要的是，PI薄膜又被称为“黄金薄膜”，上天能助力航空飞行，下地能护航高铁飞驰，是5G、半导体、新能源、轨道交通、航空航天等高科技领域里非常关键的绝缘材料。

用业内一句话形容，如果没有这张膜，以上这些事业都将被卡住脖子。

“黄金薄膜”，不是浪得虚名！

PI薄膜，薄如蝉翼，仅有15 - 20微米，一根头发丝大小，在零下269℃-400℃的温度范围内，具有稳定而优异的物理、化学、电学和力学性能，是一种很关键的绝缘材料。有着“黄金薄膜”的美称。

它与碳纤维、芳纶纤维一起，被认为是制约中国发展高技术产业的三大瓶颈性关键高分子材料。

优异的耐热性

聚酰亚胺的分解温度一般超过500℃，有时甚至更高，是目前已知的有机聚合物中热稳定性最高的品种之一，这主要是因为分子链中含有大量的芳香环。

优异的机械性能

未增强的基体材料的抗张强度都在100MPa以上。用均酐制备的Kapton薄膜抗张强度为170MPa，而联苯型聚酰亚胺(Upilex S)可达到400MPa。聚酰亚胺纤维的弹性模量可达到500MPa，仅次于碳纤维。

良好的化学稳定性及耐湿热性

聚酰亚胺材料一般不溶于有机溶剂，耐腐蚀、耐水解。改变分子设计可以得到不同结构的品种。有的品种经得起2个大气压下、120℃、500h的水煮。

良好的耐辐射性能

聚酰亚胺薄膜在5×109rad剂量辐射后，强度仍保持86%；某些聚酰亚胺纤维经1×1010rad快电子辐射后，其强度保持率为90%。

良好的介电性能

介电常数小于3.5，如果将氟原子引入分子链，介电常数可以降低至2.5，介电损耗10，体积电阻在1015-17Ωcm，非常适用于制作电路板的基材以及耐高温电机电器绝缘材料。

一张PI膜，能占据多大话语权？

“毫不夸张地说，2010年以前，中国制造多少高铁列车，取决于美国杜邦公司给多少‘黄金薄膜’，如果不是突破这项关键卡脖子技术，还会一直受制于人。”至今，拿起这张薄膜，株洲时代华鑫新材料技术有限公司（简称株洲华鑫新材料）总经理兼首席专家张步峰仍感觉“沉甸甸”。

PI膜薄如蝉翼，厚度仅有15微米至20微米，在零下269℃至400℃的温度范围内，具有稳定而优异的物理、化学、电学和力学性能，是电子、电力电器的关键绝缘材料。

在过去50年里，PI膜一直被国外公司垄断，并对我国限量供货，极大制约了国内相关战略产业发展。“中国从美国杜邦公司购买高性能PI膜，不仅要出高价，还要提前6个月报计划，并付完全款，甚至6个月后不能保证拿到货。”张步峰坦言，这样的局面严重阻碍了我国轨道交通、航空航天等国家高端领域产业的发展。

2010年，不甘“受制于人”的株洲华鑫新材料公司总经理张步峰带领团队走上技术攻关之路。

PI膜的主要合成工艺有两种：一种是热亚胺法，另一种是化学亚胺法。张步峰的团队最初选择热亚胺法。2013年建成生产线后，发现热亚胺法生产的PI膜，品质不稳定，产品性能偏低，与高铁列车所需的高性能PI膜，存在一定差距。

于是，张步峰带领团队转向化学亚胺法生产工艺研究，从零开始，研发具有自主知识产权的工艺。从材料设计、制备工艺，到装备系统集成设计，再到装备系统调试……每个技术环节都是摸着石头过河。攻关关键时刻，即装备系统集成设计和调试，张步峰团队每天要面对海量数据，工作到凌晨是常态。

经过8年多的努力，张步峰团队攻克了配方技术、制膜工艺和生产线装备等一系列难题。2017年底，建成了国内首条化学亚胺法PI薄膜生产线，成功实现了高性能PI膜“中国制造”，破解了困扰国内高分子化工行业50余年的难题。

“中国薄膜”还走出了国门。“当时，韩国三星找到了我们，也找了韩国公司，看谁能率先突破高性能PI膜制造工艺。”张步峰说，最终，株洲华鑫新材料率先实现高性能PI膜的量产，经过批量试用，产品品质达到了美国、日本同类产品水平，凭借其性能优良、性价比高，赢得了韩国三星的青睐，成为三星旗舰手机Galaxy S10系列的PI膜独家供应商。

PI膜可以用在哪里？

按应用类别的不同，PI薄膜可分为电工PI薄膜、电子PI薄膜、热控PI薄膜、航天航空用PI薄膜、柔性显示用CPI薄膜等。

●电工PI薄膜

主要用于电气绝缘领域，包含电机、变压器等的高等级绝缘系统，关键特性包括耐温等级、绝缘强度，具备耐电晕性能的产品，还可用于高速轨道交通和风力发电等领域的绝缘系统。

●电子PI薄膜

主要用于电子基材领域，作为绝缘基膜与铜箔贴合构成FCCL的基板部分，也可覆盖于FPC表面起到保护作用，满足高频高速传输要求的产品，还可用于5G通信领域。

●热控PI薄膜

主要用于电器热管控系统领域，如高导热石墨膜前驱体PI薄膜经碳化、石墨化等加工工序后制成高导热石墨膜用于散热和导热，特殊设计的PI薄膜结构具备易石墨化、适合整卷烧制等特性。

●航天航空用PI薄膜

主要用于空间飞行器的热控或防护材料等，需具备优异的耐高低温、耐辐照、低真空质量损失和低可凝挥发物等特性。

●柔性显示用CPI薄膜

用于器件光学盖板等领域，主要用作OLED屏幕盖板、触控传感器面板等，需具备高透光率、耐弯折等特性。

“PI薄膜在半导体、电子、汽车、医疗设备、航空航天等领域的应用越来越广泛，在很多不被人注意的地方都有PI的身影。这种新材料的市场空间非常大。”瑞华泰公司总经理汤昌丹说。

国家大力支持PI薄膜发展

PI薄膜长期被国外少数企业垄断，成为制约我国的关键瓶颈性高分子材料。国家政策持续支持PI薄膜业务发展，国产替代进程有望进一步加快。

近年来，各国都在将PI的研究、开发及利用列入21世纪化工新材料的发展重点之一。此前相关政策明确表示将PI列为先进结构与复合材料的发展重点，此后进一步将柔性显示用PI列为新型显示与战略性电子材料的重点专项和关键技术。国家政策导向对PI及PI薄膜的开发和生产予以足够的重视和支持，为国产高性能PI产业的发展创造了有利条件。

PI薄膜是制约我国高技术产业发展的关键高分子材料，国际巨头长期以来在PI薄膜市场占据主导地位，国内厂商在打破垄断方面虽取得了明显突破，但产能不足和技术难点尚未攻克仍是制约国内厂商进入高端PI薄膜市场的核心原因。在国家政策的大力支持下，国内厂商积极进行产能扩张和高端产品研发，打破国际巨头垄断。

哪些企业在布局？

全球高性能PI薄膜的研发和制造技术，主要由美国、日本和韩国企业掌握，美国杜邦、日本东丽、日本宇部兴产、日本钟渊化学和韩国SKPI（现更名为 PIAM）等厂商占据全球80%以上的市场份额。

目前，中国PI薄膜厂家在传统电工绝缘领域形成了较强的产业能力，但在高端电工绝缘、电子等其他应用领域的产业化能力较弱；少数企业具备高性能PI薄膜的批量稳定供应能力。从事该业务的主要有瑞华泰、时代新材、国风塑业、达迈科技、达胜科技等。

瑞华泰

2010年，国家发改委“1000毫米幅宽双向拉伸连续生产聚酰亚胺薄膜生产线”示范工程项目，花落已具备一定技术基础的瑞华泰。这是中国第一条大幅宽PI薄膜生产线。

近几年，瑞华泰陆续承担了国家多个重大项目的材料研制工作，包括火箭、登月、探星、载人空间站、大飞机、高铁等关键材料研制和预研。

时代新材

时代新材于2011年启动PI薄膜项目研发，先后攻克了配方技术、装备技术及制膜工艺难题，并于2017年底建成了中国首条化学亚胺法PI薄膜生产线。

2019年三星推出的全新旗舰手机Galaxy S10系列，该系列手机上高导热石墨片所使用的高性能PI薄膜，70%来自株洲时代新材料科技股份有限公司的PI薄膜生产线。

对于研究所和企业来讲，PI薄膜产业做大面临的难题是什么

研究所一般均在PI薄膜进行结构设计和基础性研究工作，因为设备投入太大，国内没有哪个研究所真正具有生产线的。我们一直强调做新结构设计，不能完全抄袭国外的，因为现在CPI只是雷声大雨点小，企业做的大小都没有问题，你抄了也不会有日本人跟你打官司，如果你一旦做的够大或者上市，很快就被以知识产权的纠纷的方式干掉，打官司都打不起来。结构设计方面的研究很多，我们结合国外一些综述和自己这几年的理解，做了总结和归纳。现在大家做CPI都逃脱不了TMFB和6FDA等含氟的单元，为了提升盖板的模量，通常引入酰胺结构等。

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