一、全球超高分子量聚乙烯(UPE)市場

根據IHS Markit的市場資料，全球乙烯供過於求，乙烯的產能利用率從2019年89%到2020年降至85%。加上2020-2022年中國將啟動約2,200萬公噸的新產能，美國則將投產700萬公噸的新產能，短期內全球乙烯產能的成長率將超過需求的成長率，因此IHS預估至2025年前產能利用率會落在80-89%的範圍。乙烯長期產能過剩以及價格走跌的情況下，如何去化乙烯與高值化乙烯衍生物成為石化業者的共同挑戰。

超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene，簡稱UPE)為分子量超過150萬的聚乙烯，最高可達到800萬-1,000萬。UPE在1950年代即達到商業化量產，由於其耐衝擊性、耐磨性、自潤滑性與耐低溫性等特性皆優於其他工程塑膠，可廣泛被應用於醫材、機械輸送、漁業與軍用防護等產業，為去化乙烯的途徑之一。直至今日UPE的市場需求仍不斷成長，國際大廠持續投產布局。

 

(一) 2020年全球UPE市場規模約292千公噸，未來五年UPE的市場成長率高於泛用PE

如圖1國際市場研究機構Grand View Research估計，2020年全球UPE的市場規模約292千公噸(18億美元)，並以CAGR 10.0%成長至2025年的471千公噸(30億美元)。UPE的金額市場規模約為大宗聚乙烯PE(HDPE/LDPE/LLDPE)的1/100，但其市場成長率則比大宗PE高3倍。

圖1、2020-2025年全球UPE市場規模

 

(二) 2020年全球UPE產能粗估474千公噸，近年領導廠商持續新增產能

2020年全球UPE原料總產能約474千公噸，其中UPE原料分為粉末及纖維兩種類型，過去UPE粉末的主要供應商為Celanese、Braskem和LyondellBasell，皆為乙烯和聚乙烯化學品的生產商。然而在2020年韓國的石化公司Hanwha Total Petrochemical新增UPE產能140千公噸/年，成為目前UPE粉末最大供應商(圖2)；UPE纖維的主要供應商則為DSM、Honeywell和中國廠商，年產能總計約36千公噸。

Celanese預計在2022年於美國德州新增UPE產能15千公噸/年，2024年於歐洲新增UPE產能34千公噸/年，屆時Celanese的UPE年產能可達到159千公噸。近年隨著UPE供應商不斷擴增產能，UPE的市場價格競爭激烈，從Celanese未來設廠佈局在美洲與歐洲地區，可看出其積極爭取在地供應的競爭優勢。

圖2、2020年全球UPE供應商年產能占比

 

二、UPE應用市場現況

(一) UPE應用於醫材的市場最大且成長率最高

如圖3所示，UPE終端應用於醫材的市場規模最大佔UPE總需求32%，且市場成長率最高。UPE原料擁有生物相容性可應用於醫材領域，耐磨與耐衝擊的特性可延長醫材植入物的使用年限滿足市場需求，此外其自潤滑性提高使用者的舒適性，因此UPE製成的膝/髖/肩/踝人工關節和義肢在1960年代便在市場上應用，後有添加維他命E處理高交聯UPE的技術，提高醫材的抗氧化性。隨著年紀的老化，人體的骨骼與肌肉系統將逐漸退化，引發骨質疏鬆和關節炎等病灶。在全球高齡化的趨勢下，高齡人口快速成長，需要人工關節置換的人數從而增加，再加上手術技術成熟與醫療支出持續增加，實際執行人工關節置換手術的數量也上升，使得UPE人工關節未來的市場需求將持續成長。

UPE的纖維應用亦為規模大且成長率高的市場，主要用來製備軍警防護用的防彈衣和防彈頭盔，全球國防裝備需求大並持續成長，要求防護裝備須符合美國NIJ標準高等級規格，市場上需要高強度且輕量化的防護裝備，UPE的強韌度與耐衝擊性佳，兼具防護力和穿著彈性舒適性，大量取代過去使用的聚醯胺材料。另外，UPE纖維也應用在醫療級縫線，微創手術的醫療趨勢對於細小且強韌的縫線需求增加，因此在市場上UPE逐漸部分取代PET材料。

圖3、全球UPE終端應用領域市場發展趨勢

 

(二) UPE醫材植入物的供應鏈模式與認證規範

UPE醫材應用的市場龐大，但UPE工人關節須通過風險與取得難度最高等級FDA Class III醫材認證，同時UPE原料也須依循ASTM F648、ISO 5834-1、ISO 5834-2的標準規範與測試方法。因此在UPE醫材植入物的供應鏈上觀察到上游UPE供應商僅供應原料，不會延伸至中、下游附加價值較高的製品，目前UPE醫材應用的最大供應商為Celanese，供應分子量約470-870萬的產品GUR 1020、GUR1050和GUR 1020-E，再由中游加工製造商MediTECH和Orthoplastics透過壓縮製程(Compression molding)製成板材或押出製程(Ram extrusion)製成桿材，最後交由下游Zimmer和DePuy等醫材製造商加工成醫材植入物(圖4)。

圖4、UPE醫材植入物供應鏈

 

三、UPE未來發展趨勢

國際UPE領導廠商近年積極布局未來潛在市場，分別瞄準UPE電池隔離膜、UPE纖維和低碳UPE原料三種發展方向(圖5)。

圖5、近年UPE供應商之布局與發展動態

 

(一) UPE電池隔離膜

UPE原料製成的電池隔離膜比起傳統PE和PP電池隔離膜，能夠在厚度更薄的條件下，具有高防穿刺強度，提升電池的安全性。在未來全球電動車市場大幅成長(2020-2024年CAGR 36.9%)的趨勢下，UPE電池隔離膜的需求將隨之增加，成為UPE廠商爭相布局的藍海市場。Celanese在2018年率先於中國新增年產能15千公噸，以因應工業材料與電動車市場需求，今年(2021)更宣布看好未來電動車用鋰離子電池和零組件的市場，將在2022年和2024年分別於美國和歐洲新增UPE產能。Mitsui Chemicals為了滿足電動車和工業電池應用市場，在2018年也新增年產能1千公噸。2020年Hanwha Total Petrochemical約斥資3,690萬美金新增UPE年產能140千公噸，以因應電池隔離膜市場。由於電池隔離膜對於UPE原料的雜質含量和粒徑均勻度的要求高，導入電池供應商前須通過測試與評價，耗費時程較長，具一定的技術門檻與挑戰，因此目前仍以美韓歐日的UPE供應商領導市場。

 

(二) UPE纖維

DSM為UPE纖維技術的領導廠商，具有生產輕量化防彈衣的先進技術(Force multiplier technology)，包含凝膠抽絲技術(Gel-spun)、單層同方向，上下層使用黏著劑交錯接合的紡織技術(Unidirectional engineering)，提供更強韌、更有彈性、穿著更舒適的防彈衣與防彈頭盔，漸取代傳統芳香聚醯胺纖維(Aramid)材料，大幅提高UPE纖維在軍事防護應用的市場需求。2019年Honeywell便推出UPE纖維新產品Spectra Shield 6360，新增UPE纖維產能20%，以因應軍用防彈衣的市場需求。

另外，漁業用的繩索(如：箱網養殖的漁網、岩盤固定繩與主繩)和工業用的繩網(如：貨櫃固定網)在近年UPE價格降低後，部分取代過去常用的聚丙烯材料。近年戶外用品、機能服、釣魚線和安全背帶等新應用越來越多，通常將UPE混摻在尼龍、聚酯中提高纖維材料的強韌度。2020年DSM推出UPE纖維高值新產品Trosar因應上述市場需求。

 

(三) 低碳UPE原料

在全球低碳發展的趨勢下，DSM首先布局兩項低碳UPE原料的生產技術：生物基UPE纖維和UPE回收再生技術。

2020年DSM與SABIC、UPM Biofuels合作開發生物基UPE如圖6所示，由UPM Biofuels提供生物基原料，從紙漿製程中的剩餘殘渣松油(tall oil)生物精煉成生質輕油，交由SABIC透過循環模式TRUCIRCLE™加工製成可再生乙烯，最後供應給DSM生產生物基UPE纖維(bio-based Dyneema)。此生物基UPE纖維獲ISCC認證具有與傳統石化原料製成的UPE纖維相同性能，生產每公噸的生物基UPE纖維可減少29公噸碳排放量。預計2030年生產原料中將有60%使用生物基原料，產品規格從110-2,640 dtex，可廣泛應用於釣魚線至重載繩索。

圖6、DSM與SABIC、UPM Biofuels合作開發低碳生質UPE纖維

 

今年(2021)DSM和Clariter合作開發生物化學回收技術如圖7所示，將DSM不易回收的繩索、繩網和防彈護具等UPE纖維廢棄物運至Clariter進行化學回收，轉化成油、蠟和溶劑三種產品線。預計2021年於南非設立商業規模的工廠，並將回收料應用於歐洲所有工廠。

圖7、DSM與Clariter合作開發UPE纖維化學回收再利用技術

 

IEKView

2020年全球UPE市場規模約292千公噸，預估將以CAGR 10.0%成長至2025年的471千公噸，其中UPE人工關節和UPE纖維軍事防彈護具的市場規模與成長率大，為未來UPE的市場高成長的重要驅動因素。另外，在未來全球電動車市場大幅成長(2020-2024年CAGR 36.9%)的趨勢下，UPE供應商先後新增產能，積極布局電池隔離膜的藍海市場，2020年全球UPE產能粗估474千公噸(未包含Celanese已投產但未啟動之產能)，大致與2025年的需求量平衡，導致UPE的市場價格競爭激烈。

目前國內無廠商生產供應UPE原料，若國內相關單位欲開發UPE原料，依據目前國際上的UPE供應鏈模式，上游UPE供應商僅供應原料，不會延伸至中、下游附加價值較高的製品，則供應量須達到一定規模量(Celanese約159千公噸；Hanwha Total約140千公噸)，才有機會創造市場規模與利潤。