Современное состояние и проблемы производства конструкционных пластиков

Многие формованные детали из сплавов легких металлов, реактопластов и некоторых других термопластов могут быть изготовлены из жидкокристаллического полимера. Ограничение – высокая стоимость материала.

В последние годы расширилось  и применение длинноволоконных термопластичных материалов (Цельстран, Тикона) и охватывает термопласты, усиленные длинным волокном, которые могут иметь различные свойства в зависимости от предъявляемых требований. В качестве термопластичной матрицы могут использоваться практически все частично кристаллические и аморфные термопластичные пластмассы.

Формованные детали из Цельстрана имеют максимально длинные волокна  и большую долю волокна и имеют  высокую стабильность размеров и  хорошие механические свойства, значения ударной вязкости, трещиностойкости, прочности, жесткости и усталостной прочности варьируются в зависимости от конкретных целей и могут регулироваться комбинацией и соотношением волокна и матрицы, что включает также разнообразие их химического соединения. Экономичный метод переработки и краткое время цикла при производстве деталей позволяют получить изделия с оптимальным соотношением цены и качества. Материал может многократно перерабатываться вторично. Сегодня выпускаются следующие марки материалов - марки, усиленные стекловолокном: доля стекловолокна: 30-60 %, а в качестве полимерной матрицы используется - ПП, ПА 66, ПЭНД; Цельстран S - содержит волокно нержавеющей стали для электрического экранирования; наполненные стекловолокном специальные марки на базе матриц: ПК/АБС, ПФС, ПУ, ПБТ, ПОМ; наполненные углеволокном (40%), матрицы: ПА, ПФС, ПУ; наполненные арамидом (30 %), матрицы: ПА, ПФС, ПОМ.

Область применения длинноволоконных термопластов достаточна широка, так  Цельстран предлагается к применению там, где предпочтительна замена металла на современные, более легкие, экономичные и подвергающиеся стопроцентной вторичной переработке материалы, а обычные наполненные или армированные коротким стекловолокном пластмассы не удовлетворяют поставленным требованиям это функциональные и декоративные детали в автомобиле (аккумуляторный отсек, педаль сцепления, рычаг коробки передач, впускные трубы, резервуары для кабеля и приборов управления), в электротехнике и электронике (экранированные к электромагнитному излучению корпуса), в машиностроении (износостойкие шестерни).

Такой имеющийся ассортимент  конструкционных пластиков позволяет  при конструировании изделий  использовать наиболее оптимальную  марку полимера для изготовления каждой деталей, что и решает вопрос долговечности изделия и повышения  усталостной прочности механизма, узла или конструкции.

Компания «Полюс-Пласт» (г. Зеленодольск, Татарстан) в феврале 2011 года запустила производство листов сотового поликарбоната под торговой маркой GreenDol. Согласно сообщению компании, планируемые объемы производства составят до 2000 т в год.

RocaGroup, ведущий мировой  бренд на рынке продуктов для  ванной комнаты, запустила новое  производство акриловых ванн  на территории России. Предприятие  расположено в городе Новочебоксарске  (Чувашская Республика) и будет  выпускать продукцию под торговыми марками Jika и Santek. Roca уже инвестировала в свой бизнес на территории России около 200 млн долл. Новый завод стал шестым предприятием RocaGroup в России и третьим, принадлежащим компании, на территории Чувашской Республики. Строительство было начато в июле 2009 года и закончилось в мае 2011-го. В Юрге, на заводе «ТехноНИКОЛЬ-Сибирь», был запущен в работу цех по производству пенополистирола. В ближайшие два-три года, по заявлениям компании, производственные мощности планируется увеличить в несколько раз.

В ноябре 2011 года «Кронос» (Омск) запустил дополнительные производственные мощности, которые позволят увеличить  объем производства листовых пластиков  сотовой структуры почти вдвое, а также значительно расширят ассортиментный ряд компании. Совокупный объем выпуска составит 14 тыс. т. В ассортименте производителя – сотовый поликарбонат, сотовый полипропилен и поликарбонатный профиль.

Компания LG Hausys запустила  второй российский завод по производству ПВХ-профиля в связи с нарастающей  популярностью окон LG на российском рынке. Мощность завода составляет 20 тыс. т ПВХ-профиля в год. В течение  двух лет мощность производства планируют  увеличить до 50 тыс. т. Первый завод компании находится в Новокузнецке.

Современное состояние конструкционных пластмасс в мире

В прошлом столетии пластмассы заняли существенное место в технологии, а также и в экономике. В мировом производстве и потреблении конструкционных материалов доля пластмасс продолжает увеличиваться. По своим техническим характеристикам (прочность, коррозионная стойкость, легкость и др.) они успешно конкурируют, в первую очередь с металлом и стеклом в производстве автомобилей, предметов бытового потребления, электронной и электротехнической промышленности. Эти направления использования, прежде всего автомобилестроение, потребляют основную массу производимых в мире конструкционных пластмасс - 54, 16, 14 % соответственно. Важным фактором опережающего использования пластмасс в автомобилестроении является возможность снижения веса автомобиля (на 15–30%) , обусловливающего сокращение расхода топлива и эмиссии СО2  К примеру, в Западной Европе за счет этого экономится около 12 млн.т нефти в год - 10% от всего топлива, потребляемого для пассажирских перевозок, а выбросы двуокиси углерода снижаются на 30 млн.т в год.

Табл. 1. Мировое потребление конструкционных  пластмасс на душу населения, кг

Табл. 2 Мировое производство конструкционных  пластмасс.

Наибольшую долю в  мировой торговле конструкционными пластмассами (около 40%) занимают термопластичные  полиэфиры, в основном это полиэтилентерефталат (ПЕТ). Затем следуют акрилонитрилбутадиенстироловые (АБС) пластики – 32%, полиамиды – 13%, поликарбонаты, полиацетали и, наконец, – термостойкие пластмассы специального назначения, занимающие всего лишь 1% в общемировой структуре производства (рис.1).

Таким образом, высокая  прочность, толщина и несложность  механической обработки конструкционных пластиков делает их оптимальным материалом для изготовления мебели (например, ученической или лабораторной) и элементов интерьера (например, офисных перегородок, подоконников, стеновых панелей). Применение конструкционных пластиков позволяет в ряде случаев отказаться от использования ДСП, МДФ и других несущих материалов. Сегодня без таких материалов, как полиамид, АБС, ПЭТФ, ПВХ, фторопласт, оргстекло, полиацеталь и др. немыслимо развитие индустрии. Они с успехом заменили и продолжают заменять металлы, дерево, стекло. И границы применения полимеров расширяются: появляются новые продукты с новыми свойствами. Производство  и потребление конструкционных материалов в РФ развивается, однако, объемы и доля в общем потреблении еще значительно уступают индустриальным странам.

Преимущества и проблемы производства конструкционных материалов

Полимерные материалы  характеризуются разнообразными и  вместе с тем специфичными физико-химическими  и механическими свойствами, легкостью  переработки в изделия, доступностью сырьевой базы.

Основные достоинства полимерных конструкционных пластмасс:

• небольшой удельный вес;
• удовлетворительная прочность;
• высокая ударная прочность;
• высокие фрикционные и антифрикционные характеристики;
• химическая стойкость;
• диэлектрические и теплоизоляционные свойства;
• оптическая прозрачность;
• хороший внешний вид;
• малая трудоемкость изготовления деталей, низкая себестоимость.

Важнейшее преимущество полимерных конструкционных пластмасс - возможность изготовления деталей сложной конфигурации при помощи высокопроизводительных, автоматизированных пластицирующих процессов -прессования, литья под давлением, выдавливания, прокатки, без трудоемкой обработки резанием и потери материала в стружку.

Производство таких  материалов в среднем в 2 раза легче алюминиевых сплавов и в 5 раз легче сталей, чугунов, медных сплавов.

Основные недостатки :

• ограниченная теплостойкость (в зависимости от состава удовлетворительно работают длительно большей частью при темп-рах 60—400°);
• старение (необратимые изменения структуры и состава, приводящие к потере ценных технических свойств);
• гигроскопичность;
• повышенная чувствительность уровня механических свойств к изменению температуры.

Многие недостатки пластмасс  могут быть устранены подбором соответствующего технологического процесса, удачным конструктивным решением, правильным выбором марки материала с учетом условий работы изделия, модификацией пластмасс.

Большая эластичность или  пластичность конструкционных пластмасс  понижает их чувствительность к концентраторам напряжений и повышает сопротивляемость разрушению при ударении могут быть опаснее, чем в металлах;

С понижением температуры (наиболее изучен диапазон до -196°) у большинства пластмасс статическая прочность и модуль упругости возрастают, ударная вязкость, и усталостная прочность заметно не ухудшаются, характеристики длительности, прочности и ползучести улучшаются. Повышение показателей у термопластов сильнее, чем у реактопластов, у ненаполненных полимеров сильнее, чем у наполненных.

При повышенных температурах механические свойства падают, но и в этих условиях конструкционные пластмассы способны конкурировать с металлами.

Наиболее распространенными  термопластичными антифрикционными материалами  являются полиамиды, полиэтилен и полипропилен.

Эти материалы имеют  как положительные характеристики, так и недостатки.

Наряду с достаточно низким коэффициентом трения (коэффициент трения по стали без смазки 0,1- 0,2 , со смазкой маслом - в пределах 0,05-0,10), они достаточно износостойкие, способны работать в интервале температур от –40 до +80°С (ПА) и до +60°С (ПЭ и ПП).

К недостаткам полиамидов можно отнести невысокую теплопроводность, низкую несущую способность. Полиамиды  не обладают стойкостью по отношению  к маслу и влаге.

Для улучшения физико-механических характеристик полиамиды армируют волокнистыми материалами (например, стекловолокном, углеродным волокном и т. д.), для улучшения антифрикционных свойств в полимер вводят твердые смазки (графит, дисульфид молибдена, и т. д.). Они могут применяться как в чистом виде, так и модифицированные добавками и наполнителями.

Полиолефины свыше температуры +60°С из-за невысокой теплопроводности в нагруженном режиме работать не могут. Это ограничивает область  их применения в качестве антифрикционных  материалов. Для повышения работоспособности  будущих изделий в полимер также вводят армирующие наполнители, повышающие его прочность, а также добавки, снижающие коэффициент трения, износ и температуру в зоне трения. При этом коэффициент трения у модифицированных полиолефинов может быть ниже 0,1. Компоненты, добавляемые к такой композиции, стандартны, однако существенно повысить температурную работоспособность материала можно только на 15- 20% и такие материалы применяют в слабонагруженных узлах, работающих в относительно мягких условиях эксплуатации.

Список используемой литературы.

1. Пластики конструкционного назначения (реактопласты) / [П. Г. Бабаевский, В. М. Виноградов, Г. С. Головкин и др.] ; под ред. Е. Б. Тростянской. — М. : Химия, 1974. — 304 с.
2. Бобович, Борис Борисович. Неметаллические конструкционные материалы : учебное пособие для вузов / Б. Б. Бобович ; Московский государственный индустриальный университет (МГИУ). — М. : Изд-во МГИУ, 2009. — 383 с.
3. http://www.ptl.by/documents-processing
4. Материалы приборостроения : учебное пособие для вузов / Э. Р. Галимов [и др.]. — М. : КолосС, 2010. — 284 с.
5. http://www.polymery.ru
6. Сутягин В.М. Общая химическая технология полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 195 с.