СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТМАСС
Пластмассы уже сейчас являются одним из основных видов промышленных материалов; далее их производство получит еще большее развитие. В настоящее время в промышленности существенно изменяется соотношение объемов применения различных материалов, причем доля применения пластмасс значительно возрастает.
Применение пластмасс при правильной его организации характеризуется более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с применением других материалов — более высокой производительностью труда при изготовлении деталей, меньшими энергозатратами, более благоприятным экологическим воздействием на окружающую среду.
Мировое производство пластмасс и синтетических смол характеризуется постоянным увеличением; в частности, в 1980 г. — 6,1 млн т, в 1990 г. — 90 млн т, в 1995 г. — 115 млн т, в 2000 г. — 145 млн. Даже в периоды спада экономики в развитых странах прирост производства пластмасс превышает прирост общего валового продукта в 1,5—3 раза [1].
Производство пластмасс будет перестраиваться в ориентации на более доступные, дешевые и перспективные по природным запасам виды природного сырья — такие, как сырье растительного происхождения, природный газ, уголь, отходы сельского хозяйства. В общем выпуске пластмасс будет возрастать доля композиционных материалов с неполимерными наполнителями. В еще большей степени возрастет эффективность применения пластмасс по сравнению с другими материалами вследствие того, что объем потребления нефти в производстве пластмасс сравнительно невысок и технология получения пластмасс позволяет организовать их производство вблизи места добычи нефти.
Понятно, что эффективность применения пластмасс как сырья возрастает по мере сокращения сроков амортизации различных изделий, основного и вспомогательного оборудования, куда входят детали из пластмасс, увеличения ассортимента изделий широкого потребления и сокращения сроков использования этих изделий в обиходе. Однако стимуляция роста потребления пластмасс только в результате сокращения сроков амортизации деталей и агрегатов постоянно проводиться не может, т. к. во всех странах уделяется все большее внимание рационализации потребления всех видов сырья и увеличению срока службы производимой продукции. Поэтому большое значение приобретают прочные и долговечные пластмассы, обеспечивающие более длительные сроки эксплуатации деталей. Кроме того, возрастает важность всех видов вторичного сырья, т. к. использование вторичного полимерного сырья — это большая сопутствующая проблема и огромный ресурс при производстве и применении полимерных материалов.
Общая структура производства конструкционных пластмасс и синтетических смол, сложившаяся в настоящее время в ряде стран, характеризуется следующими данными (в %) [1]:
| 1) конструкционные пластмассы............................................................... — термопласты..................................................................................... — реактопласты.................................................................................... 2) синтетические смолы и пластмассы для волокон, покрытий и пр.... — термопласты..................................................................................... — реактопласты.................................................................................... | 53,5—62 51—60 2—2,5 38—46,5 31—35 7—11,5 |
Главная особенность структуры производства пластмасс — существенное преобладание объема производства термопластов по сравнению с реактопластами: объем производства реактопластов на основе фенолоформальдегидных и карбамидных смол для изготовления деталей от общего объема пластмасс — в пределах 2—2,5 %, остальной объем составляют термореактивные смолы для пропитки, компаунды, клеи, герметики и т. д.
Структура производства пластмасс в отдельных крупных регионах, таких как США и Япония (табл. 1.1), позволяет оценить перспективы роста рынка пластмасс, т. к. этот рынок в указанных странах незначительно зависит от экспортно-импортных поставок полимерных изделий (практически все производимые в этих странах полимеры используются для удовлетворения внутренних нужд).
Крупнотоннажные материалы (полиолефины, поливинилхлорид, полистирольные пластики) составляют группу пластмасс общетехнического назначения (см. ниже табл. 1.5), применяемых главным образом для изготовления малонагруженных деталей, работающих при невысоких температурах, товаров хозяйственного обихода, различных видов тары и упаковки, изделий культурно-бытового назначения, спортинвентаря, пленок, строительных деталей, изделий санитарно-технического назначения, трубопроводов, шлангов, листов, покрытия кабеля и др. Сферы потребления этих материалов настолько емки, что еще достаточно далеки от насыщения, поэтому сбыт этих материалов в ближайшие десятилетия будет достаточно стабильным. Их применение в новых областях не требует существенных капитальных вложений и значительного изменения существующего уровня техники в сфере их применения.
Из приведенных в табл. 1.1 данных видно, что в общем объеме производства пластмасс основу составляют именно крупнотоннажные пластики, причем их производство во всех странах непрерывно увеличивается; однако это увеличение в предстоящие десятилетия стабилизируется и к 2010 году объем производства крупнотоннажных пластиков от всего объема производимых термопластов составит примерно 70—85 % как в мировом производстве, так и в производстве экономически развитых стран (табл. 1.2).
В настоящее время основной объем производства пластмасс приходится на следующие регионы мира: США, Западная Европа, Япония. Различия в структуре объемов производства отдельных полимеров и материалов на их основе по мере увеличения объема производства пластмасс в этих регионах постепенно уменьшаются. В последние годы намечается тенденция увеличения производства крупнотоннажных пластмасс в нефтедобывающих странах.
С 60-х годов наряду с производством крупнотоннажных пластмасс стало развиваться производство пластмасс инженерно-технического назначения (см. ниже табл. 1.5). Они успешно конкурируют с металлами и другими дефицитными материалами, т. к. характеризуются по сравнению с другими термопластами более высокими прочностными свойствами, теплостойкостью, меньшей деформируемостью под действием нагрузок. Эти материалы работают при более высоких температурах, характеризуются хорошими антифрикционными свойствами, на их основе создают многие композиционные материалы. Их применяют главным образом для изготовления деталей, которые ранее получали из алюминия и цветных металлов. Стоимость таких деталей из пластмасс примерно на 20 % меньше стоимости деталей из алюминия и на 45 % меньше стоимости деталей из цинка.
Таблица 1.1
Структура производства пластмасс в США и Японии [1]
| Пластмассы | 1985 г. | 1990 г. | 1995 г. | 2000 г. | ||||
| I* | II | I | II | I | II | I | II | |
| США | ||||||||
| Всего | — | — | — | — | ||||
| Термопласты | 85,3 | 86,5 | 87,5 | |||||
| Полиэтилены | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полипропилен | 
| 
| 
| 
| ||||
| Поливинилхлорид | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полистиролы | 
| 
| 
| 
| ||||
| Сополимеры стирола | 
| 
| 
| 
| ||||
| Поливинилацетат | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полиакрилаты | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полиамиды | 
| 
| 
| 
| ||||
| Фторопласты | 
| 
| 
| 
| ||||
| Поликарбонат | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полифениленоксид | 
| 
| 
|
| ||||
| Полифениленсульфид | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полисульфон | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полиалкаленте-рефталаты | 
| — | — | 
| — | — | ||
| Этролы | 
| 
| 
| 
| ||||
| Термореактивные материалы | 14,7 | 13,5 | 12,5 | |||||
| Феноло-формальдегидные | 
| 
| 
| 
| ||||
| Карбамидные | 
| 
| 
| 
| ||||
| Алкидные | 
| 
| 
| 
|
Окончание табл. 1.1
| Пластмасса | 1985 г. | 1990 г. | 1995 г. | 2000 г. | ||||
| I | II | I | II | I | II | I | II | |
| Ненасыщенные полиэфиры | 
| 
| 
| 
| ||||
| Эпоксидные смолы | 
| 
| 
| 
| ||||
| Силиконовые | 
| 
| 
| 
| ||||
| Пенополиуретаны | - | - | - | - | ||||
| Япония | ||||||||
| Всего | — | — | — | — | ||||
| Термопласты | 77,5 | |||||||
| Полиэтилены | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полипропилен | 
| 
| 
| 
| ||||
| Поливинилхлорид | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полистирол и сополимеры стирола | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полиметилметакрилат | 
| 
| 
| 
| ||||
| Полиамиды | 
| 
| 
| 
| ||||
| Поликарбонат | 
| 
| 
| 
| ||||
| Термореактивные материалы | 22,3 | |||||||
| Феноло-формальдегидные | 
| 
|
| 
| ||||
| Карбамидные | 
| 
| 
| 
| ||||
| Ненасыщенные полиэфиры | 
|
| 
| 
| ||||
| Элоксидные смолы | 
| 
| 
| 
| ||||
| Пенополиуретаны | — | — | — | — |
*I — объем производства, тыс. т; II — числитель: доля от общего производства, %; знаменатель: для термопластов — доля от объема производства термопластов, для термореактивных материалов — от объема производства термореактивных материалов, %
Таблица 1.2
Объем и структура производства крупнотоннажных пластмасс [1]
| Пластмассы | США | Япония | ФРГ | |||||||
| 1983 г. | 1985 г. | 1995 г. | 2000 г. | 1985 г. | 1995 г. | 2000 г. | 1985 г. | 1995 г. | 2000 г. | |
| Полиэтилен | 6226 (39)* | 6800 (37,6) | 12000 (40,5) | 15000 (44) | 1950 (29,4) | 3000 (31) | 3400 (30,2) | 1660 (31,6) | 2320 (30,7) | 2650 (31) |
| Полипропилен | 1965 (12,4) | 2250 (12,4) | 4150 (14) | 5200 (14,3) | 1100 (16,5) | 1520 (15,6) | 1740 (15,5) | 380 (7,25) | 590 (7,8) | 680 (7,6) |
| Поливинилхлорид | 3131 (19,7) | 3200 (17,7) | 4300 (14,5) | 4850 (13,3) | 1450 (21,8) | 1880 (19,3) | 2075 (18,5) | 1250 (23,7) | 1650 (21,8) | 1850 (21,8) |
| Полистирольные пластики | 2439 (15,4) | 2750 (15,2) | 4000 (13,5) | 4650 (12,8) | 1400 (21) | 2130 (22) | 2500 (21,2) | 670 (12,8) | 830 (11) | 910 (10,7) |
| Итого, тыс. т | ||||||||||
| Всего термопластов, тыс. т | ||||||||||
| Доля крупнотоннажных термопластов от общего объема производства термопластов, % | 82,5 | 81,5 | 71,6 | |||||||
| Доля термопластов от общего объема пластмасс, % | -- | - | - |
*вне скобок — объем выпуска пластмассы, тыс. т, в скобках — доля ее выпуска от объема производства пластмасс, %
Инженерно-технические пластмассы существенно повышают эффективность ведущих отраслей народного хозяйства: электротехники, электроники, приборостроения, средств связи, машиностроения, автомобилестроения, средств транспорта, т. к. с применением этих пластмасс снижается стоимость материалов, используемых для получения деталей, энергетические затраты и трудоемкость изготовления деталей, увеличивается надежность машин и агрегатов вследствие снижения массы и снижаются энергозатраты на эксплуатацию облегченных конструкций.
Основное производство конструкционных пластмасс инженерно-технического назначения сосредоточено в трех регионах: США, Западной Европе и Японии. Производство конструкционных пластмасс инженерно-технического назначения в настоящее время имеет тенденцию концентрироваться в экономически развитых странах в фирмах, которые ранее выпускали крупнотоннажные пластики. Например, фирма «Дженерал электрик» (США) производит 25 % мирового производства инженерно-технических пластиков, «Дюпон» (США) — 12 %, «Байер» (ФРГ) — 12 %, «Силанез» (США) — 13 %.
Производство крупнотоннажных пластмасс в целом характеризуется высокими темпами роста: в 1990-х годах — в среднем 5…6 % в год; ожидается, что и после 2000 г. рост объема выпуска будет составлять в среднем 4,5…5 % в год. Производство пластмасс инженерно-технического назначения развивается еще более быстрыми темпами: в 1990-х годах годовой прирост объема их выпуска составлял 7…10 %, после 2000 г. он составит в среднем не менее 5…9 %. Приведенные темпы роста объема производства конструкционных пластмасс инженерно-технического назначения усреднены и могут существенно меняться; так, в течение 1990-х годов прирост производства отдельных пластмасс инженерно-технического назначения составлял 15-20 % и удерживается на уровне вышеприведенных средних цифр. Предполагается, что в капиталистических странах Западной Европы вплоть до 2010 г. рост потребления конструкционных пластмасс инженерно-технического назначения будет в 3—4 раза превышать рост экономики в целом.
К 2000 г. объем производства конструкционных пластмасс инженерно-техни-ческого назначения в экономически развитых странах составил около 5—9 % от общего объема производства термопластов (около 4 млн т), в то время как в 1970-е годы их производство составляло не более 1— 1,5 %.
Примерное современное соотношение объемов производства отдельных видов конструкционных пластмасс инженерно-технического назначения видно из данных по объему их производства от общего объема производства пластмасс инженерно-технического назначения (в %), приведенных ниже [1]:
| Полиамиды............................................................................................... | 35—50 |
| Поликарбонат ................................................................................. | 14—30 |
| Полифениленоксид ......................................................................... | 14—19 |
| Полиформальдегид и сополимеры формальдегида............................. | 6—17 |
| Полиалкилентерефталаты (ПБТФ, ПЗТФ)........................................... | 6—10 |
| Полисульфон............................................................................................ | 1—4 |
| Прочие пластмассы (полиарилаты, полифениленсульфнд и др.)….. | 1—3 |
В настоящее время производство всех пластмасс, входящих в эту группу, интенсивно развивается, поэтому указанные данные в ближайшие десятилетия могут существенно измениться. Большой прогресс в ближайшем будущем намечается в производстве полимерных смесей термопластов — в США их производство к 2000 г. составляло более 2 млн. т.
Многие полимеры перспективны для создания на их основе композиционных материалов с армирующими наполнителями. К основным полимерам, на основе которых создают эти материалы, относятся полиамиды, полиалкилентерефталаты (полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат), полисульфон, полифениленоксид, поликарбонат, сополимеры формальдегида, полипропилен. Дальнейшее увеличение производства инженерно-технических пластиков приведет к росту объема композиционных материалов с армирующими наполнителями. Средние данные по выпуску композиционных материалов с армирующими наполнителями в % от объема выпуска пластмассы приведены ниже:
| Полиамиды (в общем)................................................................ | 30—40 |
| Полиамид ПА 66 ........................................................................ | 33—40 |
| Полиамид ПА 6 .......................................................................... | 20—35 |
| Полиамид ПА 11 и ПА 12 ......................................................... | 5—7 |
| Полиалкилентерефталаты (ПБТФ, ПЭТФ).............................. | 70—90 |
| Поликарбонат ..................................................................... | 7—15 |
| Полиформальдегид и сополимеры формальдегида................. | 5—7 |
| Полипропилен............................................................................. | 1,5—2 |
| Полистирольные пластики......................................................... |