Мировой рынок полимерных композиционных материалов: состояние, тенденции, перспективы. Часть 1

Изображение: JEC Observer

Введение.

1. Мировой рынок ПКМ.

2. Региональные рынки ПКМ.

3. Применение ПКМ.

4. К вопросу о рециклинге ПКМ.

Заключение.

Список основных принятых сокращений

КМ – композиционные материалы (иначе – композиты)
ПКМ – полимерные КМ
ТКМ – термопластичные КМ (ПКМ на основе термопластов в качестве матрицы)
РКМ – реактопластичные (термореактивные) КМ (ПКМ на основе реактопластов в качестве матрицы)

Введение

С 1960–70-х гг. полимерные композиты все более активно применяются в различных отраслях промышленности, и можно уверенно сказать, что производство ПКМ и изделий из них стало с тех пор достаточно устоявшейся индустрией, и в той или иной степени эти полимерные материалы используются во всех ключевых отраслях экономики. Вместе с тем потенциал ПКМ еще далеко не выработан, и можно предположить, что сейчас композитная индустрия находится в переходном периоде от ограниченного и специализированного применения ПКМ к их широкомасштабному использованию. Как этот процесс отражается на текущем состоянии индустрии и какие долгосрочные тренды ему способствуют? Для ответа на эти вопросы в статье последовательно рассматриваются динамика развития и современное состояние мирового рынка ПКМ, а также структура спроса на ПКМ со стороны регионов-потребителей и основных отраслей. В конце статьи выделяются отрасли, обладающие наибольшим потенциалом использования изделий из ПКМ и способные стать драйверами перехода к их массовому выпуску.

Базовым источником информации послужил специальный номер (Special issue) JEC Observer журнала JEC Composite Magazine, опубликованный в текущем году [1]. Выборочно были использованы также данные из предыдущих специальных номеров, которые издаются ежегодно начиная с 2019 г. и посвящены анализу состояния мирового рынка ПКМ перед очередной публикацией и перспектив его развития на ближайшие пять лет [2–5].

1. Мировой рынок ПКМ

По объемам потребления ПКМ занимают последнее место в мире среди конструкционных материалов. Например, если, согласно [1, с. 27], объем потребления ПКМ в мире составил 13,5 млн т, то стали, древесины, а также бетона с кирпичом – около 2000, 6000 и 42 000 млн т соответственно. Но по удельным упруго-прочностным характеристикам лучших представителей ПКМ с ними не сравнится никакой другой материал. Именно по этой основной причине полимерные композиты заняли свою хотя и небольшую, но в ряде случаев незаменимую нишу на мировом рынке. Объем рынка ПКМ показывает устойчивый рост (рис. 1), увеличившись за последнюю четверть века на 70 %. Хотя темпы роста были различными в различные периоды времени. По прогнозам JEC Observer, в ближайшие 5 лет рынок ПКМ должен вырасти с 13,5 млн т в 2024 г. до 16,3 млн т в 2029 г.

С точки зрения динамики роста в источнике [1, с. 16] выделяют 3 периода развития рынка ПКМ в зависимости от совокупного среднегодового темпа роста (CAGR). Так, в 1960–2010 гг. среднегодовой темп роста мирового потребления полимерных композитов составил 8,3 %, в 2010–2019 гг. – 3,7 % и в 2019–2024 гг. – 2,7 % (см. рис. 1). Обращает на себя при этом некоторый спад спроса на ПКМ в 2020 г., причиной которого является кризис мировой экономики, вызванный пандемией COVID-19.

Большая часть указанного прироста была обеспечена выпуском ПКМ на основе стеклянных волокон, и к середине 2020-х гг. они сохранили роль доминирующего армирующего волокнистого наполнителя (рис. 2). В период 2018–2023 гг. стеклопластики нарастили свою долю как в физическом объеме выпуска, так и в общей стоимости ПКМ (рис. 3).

Производство других основных видов ПКМ – композитов на основе углеродных и натуральных волокон – в абсолютных показателях двукратно увеличилось по сравнению с началом 2010-х гг. Однако тенденции развития этих двух материалов заметно различаются между собой.

Доля ПКМ на основе натурального волокна снизилась и в объеме физического выпуска, и в стоимости (см. рис. 3), что говорит об относительной стагнации производства данного вида ПКМ. С одной стороны, рост выпуска ПКМ на основе натуральных волокон в абсолютном выражении был вызван скорее не их качеством, а дешевизной, низкой плотностью и возобновляемостью природного сырья, что важно с экологической точки зрения. Чаще всего речь идет о волокнах льна, джута, кокоса, сизаля, конопли и др. [6]. С другой стороны, их массовому применению препятствует ряд проблем, одним из которых являются относительно плохая совместимость полимерного связующего и натурального волокна и, как следствие, их невысокое адгезионное взаимодействие. В результате полимерная матрица не так эффективно перераспределяет нагрузку на волокнистый наполнитель. Кроме того, натуральные волокна имеет плохую влаго- и термостойкость в сравнении не только с альтернативными армирующими волокнами, но и с полимерной матрицей. Наконец, существенной проблемой является высокое колебание физических свойств и уровня качества конечного продукта из-за особенностей натурального волокна [6].

Поэтому дальнейший рост выпуска ПКМ на основе натуральных волокон имеет наибольшие перспективы в областях применения со сравнительно невысокими требованиями к стабильности характеристик конечной продукции, позволяя увеличить ее прочность без наращивания массы. Особенно это актуально в автомобильной индустрии [7], где полимерные композиты на основе льняных, сизальных, древесных и других натуральных. волокон используются в дверных панелях и конструкциях сидений. Более того, в некоторых случаях возможно также использование уже существующих производственных линий для простого добавления натуральных волокон в пластики – например, для усиления полимерных досок [8].

В то же время доля углепластиков в натуральном выражении увеличилась, а в стоимостном – снизилась (см. рис. 3). Это косвенно говорит о постепенном удешевлении углепластиков, что может иметь важное значение в долгосрочной перспективе для перехода от мелкосерийного производства к крупносерийному. Рост выпуска изделий из углепластиков обусловлен, очевидно, тем, что на сегодня они являются одним из наиболее оптимальных материалов по удельным упруго-прочностным характеристикам (соотношению модуля упругости и прочности к плотности). Именно они являются основным композитом, используемым в авиационной и космической промышленности, а также в энергетическом машиностроении, что вызвало рост потребления углепластика в два раза в последние десять лет. Дальнейший рост выпуска углепластиков напрямую связан с развитием указанных отраслей, отличающихся высокими требованиями к качеству и стабильности свойств компонентов.

Однако, ввиду сложной технологии производства углеродных волокон (в частности, стоимость только одного прекурсора в виде ПАН-волокна составляет примерно половину себестоимости материала [9]) на углепластики приходилось 18 % от всей стоимости ПКМ в 2023 г. – при том, что в общей массе выпуска они занимали всего 1,5 % (см. рис. 3). В результате углепластик остается одним из наиболее дорогих материалов для промышленного использования (см. таблицу), так что дальнейшее удешевление стоимости высокомодульных и высокопрочных углеродных волокон будет служить стимулом для увеличения потребления углепластиков в натуральном выражении.

Сравнение стоимости армирующего волокна, ПКМ и металлов

Среди прочих долгосрочных трендов можно назвать расширение производства термопластичных КМ (ТКМ). Данные, приведенные на рис. 4, показывают, что существенная доля прироста выпуска ПКМ в последние четверть века пришлась именно на ТКМ, преимущественно на основе стекловолокна. Если в 1990-х гг. доля ТКМ составляла всего около 9 % в общем объеме производства, то к 2015 г. их производство выросло в 10 раз, почти до 40 % от общего объема производства. При этом наибольшая, но уже не «львиная», как ранее, доля продолжает оставаться за реактопластичными (иначе – термореактивными) композиционными материалами (РКМ), производимыми на основе реактопластов в качестве матрицы (эпоксидной, полиэфирной, фенольной и др.). Начиная с 2015 г. соотношение РКМ и ТКМ стабилизировалось на уровне около 60 и 40 % соответственно.

Сдвиг в сторону ТКМ произошел ввиду более простого, экономичного и легко масштабируемого способа производства изделий на основе коротких (длиной до 15 мм) армирующих волокон (рис. 5), которые перерабатываются в основном самым массовым методом – литьем под давлением (до 40 % всех пластиков перерабатываются данным методом). В итоге производство изделий из подобных ТКМ обходится дешевле, чем из РКМ на основе непрерывных (иначе – бесконечных) волокнистых наполнителей (жгут, нить, лента, ткань и т.п) [14], занимая в среднем на 80 % меньше времени. Поэтому, по согласно JEC Observer [1, c. 13], масштабный рост выпуска ТКМ связан с развитием отраслей, сфокусированным на крупносерийное и массовое производство, т.е. в первую очередь с развитием автомобилестроения и производства потребительских товаров.

В заключение следует отметить, что в источнике [1] отсутствуют статистические данные об объемах мирового рынка ПКМ и изделий из них в 2024 г. в стоимостном выражении. И лишь в первом приближении можно судить о порядке этих цифр из данных за 2023 г., когда потребление полимерных композитов в мире было ненамного меньше, чем в 2024 г. Так, в том году, согласно [5, с. 13], объемы мировых рынков ПКМ и изделий из них составили 41 и 105 млрд долл. США соответственно.

2. Региональные рынки ПКМ

Подавляющая часть глобального рынка ПКМ формируется спросом из трех регионов, в каждом из которых выделяются ведущие страны Восточной Азии (Китай), Северной Америки (США) и Европы (Германия, Италия, Испания и Великобритания) (рис. 6). Эти три региона охватывают более 90 % всей стоимости и всего физического объема произведенных ПКМ.

На Северную Америку и Европу приходится применение полимерных композитов с наиболее высокой добавленной стоимостью. Хотя в 2023 г. Европа и Северная Америка потребили 45 % от физического объема полимерных композитов (5,9 млн т), в стоимостном выражении объем их рынка составил 58 % от мирового (24 млрд долл. США), что говорит, скорее всего, о преимущественном спросе в этих регионах на более дорогие конструкционные ПКМ, такие как углепластики.

При этом в регионах-лидерах – Северной Америке, Европе и Китае – значительно различается структура потребления композитных материалов (рис. 7). Так, в США в последнее время драйверами роста потребления полимерных материалов являются бум в строительном секторе и крупные проекты обновления инфраструктуры, в которых наблюдается активный переход с использования традиционных материалов (обычный пластик, металл и др.) на широкое применение полимерных композитов. В 2021 г. был принят Закон об инфраструктуре, предусматривающий инвестиции в размере более 185 млрд долл. США на ремонт мостов и шоссейных дорог, железных дорог, строительство зарядных станций для электротранспорта, модернизацию общественного транспорта, электросетей и других объектов инфраструктуры. Например, в проекте реконструкции моста Внешней гавани г. Балтимора, который был разрушен в результате столкновения с контейнеровозом в марте 2024 г., планируется активно использовать балки и арматурные стержни из углепластика. Поэтому в США около 32 % от всей массы ПКМ пришлись на строительный сектор (в ЕС – всего 19 %).

В то же время в Европе главным направлением применения ПКМ является транспортное машиностроение, включая автомобилестроение, – на него пришлось 42 % от всей массы ПКМ в 2024 г. (в США – 28 %). Большой размер транспортного сектора в потреблении ПКМ во многом вызван ростом спроса на гибридные и электромобили в европейских странах в последние годы. Эти виды автомобилей используют гораздо больше ПКМ, чем обычные машины с двигателями внутреннего сгорания.

В азиатском регионе главной силой в развитии потребления и производства полимерных композитов является Китай: только за десятилетие с 2010 по 2019 гг. потребление композитов в Китае ежегодно росло на 6 % [1, с. 33]. По состоянию на 2024 г. на Поднебесную приходилось 27 % (3,5 млн т) от всего физического объема полимерных композитов в мире, 22 % (9 млрд долл. США) от стоимости мирового рынка ПКМ и около 60 % от рынка азиатского региона. Наиболее значимыми направлениями применения ПКМ в Китае являются производство электроники и электротехники (26 % от всего объема рынка) и строительство (22 %). Интересно отметить большую роль энергетики в потреблении ПКМ (17 %) – это напрямую связано с тем, что Китай является мировым лидером и опережает США и ЕС в производстве композитных компонентов и крупногабаритных лопастей для ветряных турбин.

Прогнозируется, что к 2029 г. мировое потребление полимерных композитов увеличится до 16,3 млн т. При этом структура крупнейших регионов-потребителей сохранится почти без изменений: Азия, включая Китай, будет потреблять около половины всех ПКМ, а второе и третье места соответственно займут Северная Америка и Европа. (рис. 8).

Что касается текущего года, то авторы JEC Observer предполагают определенное влияние на индустрию ПКМ, как составную частью мировой экономики, сохраняющейся значительной неопределенности вследствие следующих глобальных факторов [1, с. 15]:

• риск продолжающихся потрясений в мировой экономике (деглобализация и торговые барьеры, тарифные войны, изменение климата, нехватка ресурсов, старение населения…);
• снижение экономического роста в Китае;
• стагнация ВВП на душу населения в Европе, оказывающая давление на национальные бюджеты и покупательную способность граждан.

В своем прогнозе на этот год и на краткосрочную перспективу, JEC Observer выделяет ряд следующих макроэкономических факторов, способных негативно сказаться на развитии отрасли [1, с. 15]:

• рост кризисных явлений в мировой экономике (деглобализация и рост торговых барьеров, рецессия в экономике и др.);
• снижение темпов экономического роста в Китае – главном потребителе и производителе промышленных товаров;
• стагнация экономик европейских стран, снижающая размер их государственных бюджетов и покупательную способность граждан.

Вместе с тем, как и в прошлом веке, всю более существенную роль для развития отрасли играет глобальный рост расходов на оборону, способный частично компенсировать макроэкономические проблемы.

Хотя Россия представляет лишь крайне малую долю мирового рынка ПКМ в денежном выражении (около 100 млрд руб. в начале 2020-х гг. [15, с. 8]), она является одной из немногих стран с практически полным циклом их производства [15, с. 7]. Несомненным достижением является также расширение применения ПКМ в авиакосмической промышленности за последнее десятилетие. Но как мировые тренды, так и тренды крупнейших стран-производителей и потребителей ПКМ (Китай, США и ЕС) показывают необходимость дальнейшей диверсификации и массового использования композитов в других отраслях экономики, что является фундаментальной предпосылкой дальнейшего роста индустрии ПКМ в России.

Литература

1. JEC Observer. Overview of the global composites market 2024–2029 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2025. – 72 p.
2. JEC Observer. Overview of the global composites market // JEC Composite Magazine. Special issue. – March 2019. – 60 p.
3. JEC Observer. Current trends in the global composites market 2021–2026 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2022. – 60 p.
4. JEC Observer. Overview of the global composites market 2022–2027 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2023. – 60 p.
5. JEC Observer. Overview of the global composites market 2023–2028 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2024. – 60 p.
6. Midani M. Natural fiber composites: What’s holding them back? // CompositesWorld [Электронный ресурс]. – June 2019. – URL: https://web.archive.org/web/20221224053956/https:/www.compositesworld.com/articles/natural-fiber-composites-whats-holding-them-back (дата обращения: 30.05.2025).
7. Elfaleh I. et al. A comprehensive review of natural fibers and their composites: An eco-friendly alternative to conventional materials // Results in Engineering. – 2023. – Т. 19. – С. 101271.
8. Композиты на основе натуральных волокон и полипропилена // Polymery.ru [Электронный ресурс]. – URL: https://www.polymery.ru/letter.php?n_id=4195&cat_id=3&page_id=1 (дата обращения: 30.05.2025).
9. Способ изготовления углеродного волокна // ООО «НПО Практик». [Электронный ресурс]. – URL: https://npopraktik.ru/armiruyushchij-napolnitel-i-matrica-sistemy (дата обращения: 30.05.2025).
10. Glass Fiber Price Trend and Forecast // ChemAnalyst [Электронный ресурс]. – URL: https://www.chemanalyst.com/Pricing-data/glass-fiber-1558 (дата обращения: 30.05.2025).
11. Carbon Fiber Price Trend and Forecast // Procurement Resource [Электронный ресурс]. – URL: https://www.procurementresource.com/resource-center/carbon-fibre-price-trends (дата обращения: 30.05.2025).
12. BMI raises average aluminum price forecast for 2024 // Steel News [Электронный ресурс]. – URL: https://yieh.com/en/News/NewsItem //151085 (дата обращения: 30.05.2025).
13. Fitch Solutions downgrades global steel price forecast for 2024 // SteelOrbis [Электронный ресурс]. – URL: https://www.steelorbis.com/steel-news/latest-news/fitch-solutions-downgrades-global-steel-price-forecast-for-2024-1356645.htm (дата обращения: 30.05.2025).
14. What Are Thermoplastic Composites? // Collins Aerospace [Электронный ресурс]. – URL: https://www.collinsaerospace.com/what-we-do/industries/commercial-aviation/aerostructures/advanced-structural-materials/thermoplastic-composites/feature-stories/2022/what-are-thermoplastic-composites (дата обращения: 30.05.2025).
15. Тюнин А. В. «Наша цель – сделать Россию передовой страной в области композитных технологий» // Вестник Атомпрома. – № 2. – Март 2024. – 58 с.

(Продолжение следует)

The Global Market of Polymer Composites: State, Trends, Prospects

A. I. Filatov

Based on detailed statistical data, this article examines the structure and trends of the polymer composites market and its products. One of the main trends is the transition from small-scale to large-scale production. This is reflected in the widespread use of polymer composites by the main regions of the polymer composites industry (North America, Europe and China) in key industries such as automotive, construction, energy, electronics and electrical engineering. It is in these material-intensive industries that the greatest prospects for the long-term development of the composite industry.

(To be continued)

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 7 (314) 2025 г., с. 24-29.