建材行业：硅基材料研究框架

01 硅基材料产业链一览：常见为有机硅体系，衍生硅基新材料值得关注 资料来源：国泰君安证券研究3 01 硅基材料产业链一览：常见为有机硅体系，衍生硅基新材料值得关注 资料来源：国泰君安证券研究4 01 硅基材料产业链一览：常见为有机硅体系，衍生硅基新材料值得关注 资料来源：国泰君安证券研究5 目录CONTENTS 01硅产业链：寻找有机硅体系之外的硅基新材料机会 02有机硅：规模效应+低成本工业硅资源是核心 03气凝胶：电池隔热需求驱动规模化 04高纯石英砂：原矿资源+提纯工艺高壁垒 05多种二氧化硅粉体：关注中高端产品国产替代 06风险提示 07附录 6 01 硅产业链：寻找有机硅体系之外的硅基新材料机会 7 01 有机硅发展史：结构决定性能，性能反映结构 有机硅的概念 有机硅化合物，是指含有Si—C键且至少有一个有机取代基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上将通过氧、硫、氮等有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。由于有机硅独特的结构，兼备无机材料（主链Si—O键）与有机材料（侧链有机基团）的性能，具有表面张力低、黏温系数小、渗气性好等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、抗氧化、耐辐射、难燃、憎水、无毒无味以及生理惰性等优异特性，广泛应用于建筑、汽车、电子电器、电力、新能源、医疗卫生、个人护理、航天航空、纺织、日用品等领域。 硅VS碳 碳和硅在元素周期表中属于IVA族的前两个元素，其化学结构有许多相似之处，因此它们应具有许多相似的化学性质，在化学中占有极其重要的地位碳的化学键类型丰富，而硅在自然界主要以稳定的Si—O健存在。1）碳原子可以有丰富的化学键类型，具有可以自身又可以和氢、氧、氮、硫、磷、金属等元素的原子以多种形式的化学键结合在一起的能力，统治着有机化学。2）硅在地壳中是含量仅次于氧的第二位元素，地壳中没有游离态的硅，它和氧构成稳定的Si一O键，以及与其他元素在一起结合形成硅酸盐，占地壳质量的80%以上。这些化合物都是属于无机硅化合物，在自然界中，至今还没有发现含Si一C键的化合物，即天然的有机硅化合物，只有在动物羽毛和禾本科植物中，发现有硅酸酯类化合物，但这类化合物不含Si一C键，而是含有Si一O一C键。可以说硅以其量大和特殊的Si一O键的稳定性，稳坐无机化合物的头把交椅，统治着无机化学。 有机硅的由来 有机化学工业的发展大量消耗碳资源，硅作为含量丰富且与碳化学结构相似的元素，被认为是替代之选。硅具有与碳相似的化学结构，其在自然界中的含量远超过碳，然而与碳相比，硅在自然界中的化合物种类有限，对人类的重要性相对较低。有机化学的发展丰富了化学学科，同时推动了有机化学工业的发展。然而，这个过程伴随着对不可再生碳资源（如石油、天然气、煤炭）的大量消耗，这使得碳资源面临枯竭的威胁。为了应对这一问题，人们开始思考硅的潜力。若将硅转化为有机硅化合物，将大大丰富有机化学的内容，促进有机化学工业的进一步发展。这一构想在1863年由法国化学家C.Friedel和美国化学家J.M.Crafts实现，他们首次人工合成了含Si一C键的有机硅化合物。 资料来源：ChemBeanGo、新亚强招股书、《碳和硅结构化学的比较》、8 国泰君安证券研究 01 有机硅发展史：国内外产业化发展均由军工需求推动 有机硅化合物的探索和研究可以追溯到18世纪。最早由法国化学家C.Fredel和J.M.Crafts以四氯化硅（SiCl4）为原料与二乙基锌（ZnEt2）在封管中高温反应， 创始阶段制得了有机硅化合物四乙基硅烷（SiEt4）。之后，陆续有不少学者或用封管或用格氏反应（Grignard反应）、钠缩合法（Wurtz反应）等又合成出一些有机硅化合物。 事件 发展阶段 实验室阶段 英国化学家F.S.Kipping对有机硅化合物进行了比较系统的研究，在1899~1944年间先后发表了54篇相关研究论文，为后人进一步研发打下良好的基础。F.S.Kipping的主要贡献之一是在1904年利用经典的格式反应合成有机硅化合物——有机氯硅烷。此外，Kipping还制定了有机硅化合物命名原则，他认为含硅氧键的有机化合物为酮型结构（Si=O），取名为“Silicone”。1904~1937年这一阶段不但合成了有机硅简单化合物而且也出现了环体和线形聚硅氧烷。 20世纪30年代，美国康宁玻璃公司的J.F.Hyde探索制备耐热的电绝缘用玻璃纤维的黏结剂，在1937年用格氏法合成出具有耐热特性的实用有机硅树脂，用于电器绝缘，使有机硅聚合物的一些特异性能收到关注。这种有机硅树脂用于康宁玻璃公司制备绝缘玻璃布带和通用电气公司（GE）作电器绝缘材料。二战期间，急需能在高温、高速条件下运行的电器设备使用的耐潮、耐热的绝缘材料，Hyde和通用电气公司的W.J.Patnode等学者再次在这类材料上进行尝试他们使用格氏法合成有机硅单体，再通过水解、缩聚制得有机硅聚合物，聚合物经过稠化制得有机硅绝缘脂，如用在汽车火花塞上的有机硅绝缘脂是最早的有机硅商品之一。此后，以格氏法和热缩合法等工艺合成出多种初期的有机硅产品，这些有机硅材料在二战中起了很大作用。 工业化阶段 20世纪40年代初期，美国通用电气公司学者E.G.Rochow和德国学者R.Müller各自独立发明了直接合成有机氯硅烷的工艺。直接法是有机硅化学史上划时代的成就之一，其作为主流工艺不断发展完善至今。后来，通用电气公司开发出有第一台合成甲基氯硅烷的流化床，为有机硅的大规模工业化生产奠定了基础。20世纪50年代，德国的瓦克、拜耳，日本的信越化学、东丽有机硅公司纷纷建立有机硅生产装置，中国的有机硅技术也于此时起步。中国的有机硅技术开发起步于1952年，为满足军工发展需求，我国组织专门的研究机构来攻克有机硅技术。重工业部的北京化工实验所（沈阳化工研究院前身）重点开发格利雅法合成有机氯硅烷技术，上海有机化学所（中国科学院化学研究所前身）侧重研究硅氧烷的平衡与聚合。1956年，沈阳化工研究院建成有机硅中间实验车间，开展了直接法搅拌床合成甲基氯硅烷及格利雅法合成苯基氯硅烷试验，并用于试制耐高温硅树脂。不久，中国科学院化学研究所及沈阳化工研究院等又相继研制硅油及硅橡胶。1958年，上海树脂厂建成直接法合成有机氯硅烷生产装置，并先后生产出硅树脂、硅油及硅橡胶。 资料来源：CAFSI公众号、中蓝晨光公众号、《有机硅工业及其在中国的9 发展》、国泰君安证券研究 01 有机硅材料体系：核心出路在于产业链一体化 有机硅产业链主要由上游工业硅-中游单体及中间体-下游有机硅制品构成。有机硅材料体系，以工业硅为起点，先合成单体氯硅烷，再由水解工序制成中间体硅氧烷，在此基础上制成110生胶或107胶等基础聚合物，再进而制得各种终端下游产品。1）有机硅上游工业硅生产核心在于电价差异带来的成本差异，随新疆、云南等低电价区域政策收紧，扩产规模受限，率先卡位的厂商或拥有无法复刻的资源优势；2）中游有机硅单体及中间体环节是有机硅体系下的大宗品，规模效应显著；3）下游有机硅深加工产品多样化、应用领域分散，应用场景的持续开拓能力以及领先于同行的研发能力是保有差异化带来的议价能力的关键。 有机硅产业链条相对简单，由分工逐步走向一体化是顺势而为。参照西方有机硅行业龙头的发展模式，我国有机硅行业要想未来在国际上拥有较大的话语权，产品想要获得一定的定价能力，企业需整合行业上游工业硅，中游通过自产有机硅单体、中间体来降本，以及下游研发生产具有产品区分度以及议价能力的有机硅产品，兼并与被兼并将成为未来一段时间内行业的主旋律。 图：有机硅产业链 有机硅原料有机硅单体有机硅中间体深加工产品 氯化氢 石英砂或硅石 氯甲烷 甲醇 硅粉 甲基氯硅烷 三氯氢硅 二甲 三甲 一甲 其他氯硅烷 烷氧基化 室温胶 聚合 硅油 水解 聚合 107胶 生胶 水解、聚合、交联 硅树脂 副产物 白炭黑 硅氧烷 （DMC/D4） 高温胶 功能性硅烷 资料来源：有机硅、百川盈孚、国泰君安证券研究10 01 硅基新材料：副产物四氯化硅的循环利用，衍生出细分品类多样的硅基材料 三氯氢硅是功能性硅烷和多晶硅的主要原料，制备过程伴随着四氯化硅的产生。传统的三氯氢硅生产方法是氯化氢与硅粉反应得到，主 反应是Si+3HCl→SiHCl3+H2，副反应是Si+4HCl→SiCl4+2H2。生成的混合气体中，85％左右为三氯氢硅，15％为四氯化硅。 四氯化硅衍生产品的制造，有助于提高资源利用率，适应循环经济需求。四氯化硅作为一种高度危险的化学品，不能用普通的方法进行处理，目前其综合利用方法主要包括：1）直接以副产四氯化硅为原料燃烧水解制备气相白炭黑，2）提纯为高纯四氯化硅，以制备光纤预制棒及电子特气、3）与醇类（常见为乙醇）进行酯化反应生产硅酸乙酯，硅酸乙酯还可进一步制备气凝胶、高纯石英等；4）还原制备三氯氢硅等。 图：功能性硅烷工艺流程 表：四氯化硅的综合利用 制备产物 下游应用 反应 气相白炭黑 硅橡胶、涂料等的填 料 SiCl4+2H2+O2→SiO2+4HCl 硅酸乙酯 用于胶粘剂、涂料等，还可进一步制备气凝 胶、高纯石英等 SiCl4+4C2H5OH→Si(OC2H5)4+4HCl 高纯四氯化硅 提纯 制备光纤预制棒、含硅电子特气等 三氯氢硅生产多晶硅、功能性 热氢化：SiCl4+H2→SiHCl3+HCl冷氢化：3SiCl4+Si+2H2→4SiHCl3 氯氢化：2SiCl4+H2+HCl+Si→3SiHCl3 资料来源：宏柏新材招股书 硅烷等 资料来源：《四氯化硅综合利用现状及发展趋势》、国泰君安证券研究 11 01 硅基新材料：多种SiO2粉体值得关注，核心趋势是纳米化和高纯化 液相法二氧化硅 沉淀法二氧化硅 四氯化硅综合利用下，多种终端产品回归“二氧化硅”。四氯化硅下游产品气相白炭黑、高纯石英、气凝胶本质上均为二氧化硅粉体。但显然各类二氧化硅粉体的用途各异，因而我们期望从二氧化硅粉体这一大类切入，厘清材料间异同，构建更为清晰的研究框架。 二氧化硅粉体多样，结构和成分差异是应用差异的主要来源。具体可以分为三类来看，1）注重纯度的高纯石英砂；2）注重孔道结构的气凝胶；3）不同等级产品应用跨度大，存在共性用途，同时根据产品特性各有侧重应用的硅微粉、气相法二氧化硅和液相法二氧化硅。 粉体材料结构的纳米化和成分的高纯化是核心趋势。在这个进程中可以关注：1）过去被海外龙头垄断的中高端产品开启国产替代；2） 国内外发展相对同步，正迎来规模化突破口的前沿材料。 二氧化硅 天然二氧化硅 气相法二氧化硅 硅微粉 天然高纯石英砂 图：二氧化硅粉体分类 合成二氧化硅 合成高纯石英砂 凝胶法二氧化硅 气凝胶 资料来源：国泰君安证券研究12 02 有机硅：规模效应+低成本工业硅资源是核心 13 02 单体产品同质化，规模效应+工业硅自供构筑成本壁垒 有机硅单体厂商主要为一体化企业，合盛规模断层领先。截至2023年9月，我国境内有机硅单体企业共13家（含外企），总产能达534万吨。其中，合盛硅业产能176万吨，占总产能比重达33%，地域分布来看分别为新疆140万吨、四川18万吨、浙江18万吨。 规模效应+工业硅自供带来核心成本优势。对主要单体厂商的有机硅产品毛利率进行比较，合盛的毛利率持续领先于同行，且近年差距有扩大趋势。即使排除了工业硅自供的成本优势，合盛的毛利率仍能于其他厂商处于同一水平。此外可以看到，新安2021年以前有机硅毛利率持续低于同行，2021年实现工业硅完全自供，毛利率的相对提升显著。 表：国内有机硅单体产能 企业 产能（万吨） 合盛硅业 176 东岳硅材 60 新安股份 55 江西星火 50 道康宁 40 兴发集团 34 内蒙古恒业成 24 三友化工 20 云南能投 20 恒星科技 20 中天东方 12 山东金岭 15