Минимальная серийность изделий, шт., обеспечивающая достижение экономического эффекта при различных методах переработки (обработки) пластмасс [2]

Метод переработки (обработки)	Минимальная серийность (шт.)
Механическая обработка полуфабрикатов Формование из листов (штамповка) Экструзия Литье под давлением	1–100 100–1000 300–3000 10000–100000

Успехи химии и технологии пластмасс и синтетических смол в создании новых высокопрочных термостойких и легко перерабатываемых пластмасс, достижения в области физикохимии поверхностных явлений, обеспечивающие расширение возможностей регулирования свойств металлополимерного контакта, изготовление и эксплуатацию нагруженных деталей из ПМ, большие возможности современных прогрессивных технологических процессов и оборудования переработки пластмасс — все это является той основой, которая обеспечивает быстрое и эффективное развитие использования пластмасс в технике.

Применение пластмасс, в том числе в машиностроении, энергетически и экономически выгодно, однако использование пластмасс именно в нагруженных конструкциях сдерживается недостаточным знанием инженерами-машиностроителями специфики поведения полимерных материалов в таких условиях, ограниченностью и разобщенностью сведений о работоспособности деталей, подвергающихся различным видам нагружения, несовершенством или отсутствием соответствующих методик расчета; этим вызывается необходимость развития методик расчета и конструирования изделий из ПМ и ПКМ, а также методов испытаний этих изделий и материалов.

Глава 1

СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВА, ПЕРЕРАБОТКИ

И ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАСТМАСС

1.1. 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	21000	—	27000	—	34000	—	41500	—
Термопласты	18100	86	23400	85,3	29700	86,5	36400	87,5
Полиэтилены	6800		9500		12000		15000
Полипропилен	2250		3150		4150		5200
Поливинилхлорид	3200		3800		4300		4850
Полистиролы	2100		2500		2900		3300
Сополимеры стирола	650		850		1100		1350
Поливинилацетат	370		450		570		640
Полиакрилаты	300		390		500		630
Полиамиды	200		270		350		450
Фторопласты	12		15		19		24
Поликарбонат	160		230		320		430
Полифениленоксид	126		200		300		450
Полифениленсульфид	15		30		60		100
Полисульфон	20		40		70		110
Полиалкаленте-рефталаты	35		—	—	159		—	—
Этролы	52		70		90		110
Термореактивные материалы	2900	14	3600	14,7	4300	13,5	5100	12,5
Феноло-формальдегидные	800		1000		1150		1300
Карбамидные	750		900		1050		1200
Алкидные	350		400		450		500

Окончание табл. 1.1

Пластмасса	1985 г.		1990 г.		1995 г.		2000 г.
	I	II	I	II	I	II	I	II
Ненасыщенные полиэфиры	630		810		1020		1270
Эпоксидные смолы	200		260		330		410
Силиконовые	10		14		19		25
Пенополиуретаны	1000	-	1400	-	1900	-	2500	-
Япония
Всего	8600	—	10500	—	12500	—	14400	—
Термопласты	6650	78	8120	77	9700	77,5	11200	78
Полиэтилены	1950		2490		3000		3400
Полипропилен	1160		1310		1520		1740
Поливинилхлорид	1450		1600		1880		2075
Полистирол и сополимеры стирола	1400		1750		2130		2500
Полиметилметакрилат	130		170		210		250
Полиамиды	80		120		155		190
Поликарбонат	45		35		90		120
Термореактивные материалы	1950	22	2380	23	2800	22,3	3150	22
Феноло-формальдегидные	320		385		460		530
Карбамидные	800		1060		1090		1200
Ненасыщенные полиэфиры	220		270		325		380
Элоксидные смолы	70		100		140		180
Пенополиуретаны	250	—	300	—	355	—	405	—

*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	13757	14650	24450	29700	5990	8530	9715	3960	5390	6090
Всего термопластов, тыс. т	15821	18100	29700	36400	6650	9700	11250	5250	7550	8500
Доля крупнотоннажных термопластов от общего объема производства термопластов, %	86	83	82,5	81,5	90	88	87	75	71	71,6
Доля термопластов от общего объема пластмасс, %	87	86	87	88	77	78	78	--	-	-

^*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.........................................................	2