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跟上潮流!工程塑料四大改性趋势大有可为│工程塑料创新应用系列(一)

由于单一树脂性能存在局限,而人们对材料低成本化、高性能化和性能多样化等方面的要求越来越高,各种工程塑料改性品种应运而生。本文分析了工程塑料的改性趋势以及在汽车、电子、电气、通讯、交通、航天航空、机械等领域的广泛应用。


工程塑料是指一类可以作为工程结构件的塑料,因其具有密度小、比强度高、优良的耐磨性和低摩擦系数、高耐热性、电绝缘性、化学稳定性、耐酸/碱、可自由着色、易改性、加工性好等明显优势,在汽车、电子、电气、通讯、交通、航天航空、机械等领域得到广泛应用,已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志之一。


改性可使工程塑料的性能得到明显改善,另外可以使得一种聚合物基体生产多种不同用途的产品。


工程塑料的改性


由于单一树脂性能存在局限,而人们对材料低成本化、高性能化和性能多样化等方面的要求越来越高,各种工程塑料改性品种应运而生。工程塑料可通过物理、化学或者物理和化学相结合的方法实现,包括共混(合金化)、共聚(接枝)和填充增强等。改性可使工程塑料的性能得到明显改善,另外可以使得一种聚合物基体生产多种不同用途的产品,生产操作弹性大,易于实现一机多用,实现产品的系列化和专用化。


工程塑料改性的趋势在于


1.通用塑料工程化。热塑性通用塑料产量大、成本低,为提高力学性能和耐热性,可采用增强、填充和合金化等技术实现高性能化,在一定场合替代工程塑料,同时降低成本。特别是PP复合材料及合金,由于其高性价比,已成为汽车领域中用量最大的塑料品种。


2.通用工程塑料高性能化。通用工程塑料通过共聚、共混合金化和复合材料化,其力学性能、耐热性、耐久性等得到较大幅度提高,在一些场合可替代特种工程塑料使用。另外,通过改性,赋予工程塑料磁、电、抗菌等功能性是今后高性能化的重要方向,特别是随着高性能碳纤维、碳纳米管、石墨烯制备工艺的成熟,工程塑料的高性能化、多功能化更加大有可为。


3.特种工程塑料低成本化。由于高昂的市场价格,特种工程塑料的应用往往局限于军工产品,而只有低成本化后才能实现在民用产品的规模推广,从而扩大应用范围和领域。低成本化的路径有以下几种,一是与通用塑料和通用工程塑料共混、合金化,填充、增强等;二是单体来源的低成本路径;三是大规模生产。


4.原料、工艺和产品绿色化。随着全社会环保意识的增强,来自可再生资源、绿色工艺制备的工程塑料才是符合大众预期的安全产品,可降解、可再生产品的需求越来越迫切。未来的工程塑料不仅可以回收利用,还可以做到原料和工艺的绿色化。


专家们认为,未来5年工程塑料发展的潮流将是高性能化和低成本化。一些具有耐高温、耐磨、导电、电磁遮罩功能的高性能工程塑料将获得较快发展。此外,在工程塑料分子设计与制造过程中会特别注意保护环境、重复利用等理念。


工程塑料应用


工程塑料主要应用在汽车、电子电气、机械、交通运输、建筑、化工、国防军工等领域。据统计,2015年全球工程塑料需求已经达到2000万吨,预计2020年将达到2910万吨。


工程塑料作为最重要的汽车轻量化材料,在汽车行业的使用量增长迅速。



在汽车领域的应用


工程塑料作为最重要的汽车轻量化材料,在汽车行业的使用量增长迅速,它能使零部件的品质减轻40%左右。汽车每减少100kg自重,每百公里油耗可节省0.3~0.5升,每公里CO2排放可减少8~11克。此外,汽车零部件塑料化目的还在于提高零部件的功能、简化制造工艺、提高汽车的舒适性和安全性、降低生产和维护成本,并赋予更高的设计自由度。从应用的部件来看,无论是外装饰件、内装饰件,还是功能与结构件,随处可见工程塑料制件的身影。随着工程塑料硬度、强度、韧性等性能的不断提高,塑料车窗、车门、骨架乃至全塑汽车随之出现,汽车塑化进程也将进一步加快。


工程塑料在汽车中的应用。


在电子电气中的应用


工程塑料制造电子电气零部件的消耗量占工程塑料总量的30%左右,已用作电子电气设备及元器件的壳体材料、包覆材料、基质材料、绝缘层材料等,它还将继续取代金属和热固性塑料,如生产插头零部件的塑料正从热固性塑料迅速向热塑性工程塑料过渡。近年来具有导电、导磁、电磁遮罩等功能的塑料也正在逐步取代一些传统电子电气材料。此外,智能手机和智能手表等时尚电子产品的井喷式发展也推动了工程塑料在该领域的应用。


工程塑料在电子电气领域的典型应用实例。



在建筑中的应用


塑料建材具有质轻、价廉等优点,在建筑中具有广泛的应用,主要包括塑料门窗、塑料管道、塑料地板等。目前,中国塑料管材市场年增长率达15%。门窗方面,除了新建建筑,未来十年对既有建筑门窗改造市场规模就将超过万亿元人民币;保温材料方面,预计在未来的3-5年,其在建筑领域应用比例将达到30%-40%,甚至可能达到50%。节能减排为塑料建材行业提供了重大的发展机遇。工程塑料在建材行业的应用以PC板材为主,暖房、采光走廊、穹顶、庭院照明、社区标示牌、路标、看板、灯箱、电话亭、自动售货机、开关面板等均有使用,公路防噪隔板也是PC板材加工而来。更加个性化与高档化的电器开关、开关面板大量使用工程塑料来制造。在管件方面,随着塑料管材使用率的提升,尼龙将取代金属作为主要连接件材料,而铝合金门窗的隔热条将会大量使用PA66。


在机械工程中的应用


工程塑料在机械工程中的应用占总产量的比例一直维持在11-12%左右,主要包括齿轮、轴承、轴承保持架、罩体、滑轮、滑块、阀门、螺旋桨或风机叶片等。除了轻质高强、良好的加工成型性和价格低廉之外,工程塑料在机械工程中的广泛应用还得益于良好的耐磨性、自润滑、吸能降噪等优异特性。电动工具用工程塑料要求具有良好的阻燃性和电绝缘性,所使用的主要品种中包括PC、增强PC、增强PA6和PA66、以及阻燃增强PP、PBT等,在机械行业工程塑料中占比约为50%。


在3D打印材料中的应用


塑料3D打印材料相较于金属更易于制备,对存放环境要求小,打印温度低,发展迅速。有统计显示,未来5年全球3D打印材料市场将会以每年17.9%的速度增长,热塑性材料的种类也将以年均20%的速度高速增长。ABS、聚乳酸、尼龙、聚碳酸酯等这些热塑性材料的市场额也将从2013年的6450万美元增加到2019年的1.926亿美元。3D打印材料最大的市场是汽车行业,在2013年占到了26%。但是3D打印的汽车终端产品的增长率仅为12.3%,低于其它主要领域的增长率。随PEEK等特种3D打印材料及其设备的开发成功,未来医疗设备和牙科3D打印工程塑料的产值将会快速发展并可能超过汽车行业。另外,航空航天领域也是3D打印工程塑料的重要应用领域,最近佛吉尼亚理工学院和科学院研究人员共同开发了3D打印的超高强度的聚酰亚胺聚合物材料(Kapton),在极端温度下依然保持很好的性能,可用作隔离飞船和卫星等空间飞行器的高温聚合物材料,这使得飞行器等在空间极端大温差环境下仍然正常运作。


塑料3D打印材料相较于金属更易于制备。 


工程塑料发展趋势


工程塑料发展机遇与挑战并存。中国工程塑料正处在高速发展阶段,强劲的国内需求为中国工程塑料行业的发展提供了难得的机遇,但我们必须清楚意识到所面临的严峻挑战,建议采取有效措施来应对这些挑战:


(1) 加大工程塑料合成树脂的开发力度。中国工程塑料行业的产业链已经逐步形成,包括树脂合成、复合材料与合金、加工应用,具有一定配套能力。中国现有工程塑料树脂生产企业或大型化工企业要通过产学研合作或者引进消化吸收等办法,有选择性的重点突破一些品种。


2)从材料组成、结构性能关系、制品设计、加工应用全产业链上进行自主创新,不断推出自主开发的新产品、新加工工艺和新应用来参与高端工程塑料市场的竞争。同时,各企业也应当加强行业自律,通过提高品质而不是搞恶性竞争的方式来增加本企业利益,促进工程塑料行业持续健康发展。


并购正在改变世界工程塑料产业格局。近年来,并购已成为当前世界塑料产业的潮流,从而对世界工程塑料的产业格局产生重大影响。业内企业将专注于产能扩张和并购,以挖掘产品应用机会,包括汽车和运输、电子电气等。同时,中国已经成为全球工程塑料需求量增长最快的国家。外企纷纷抢占中国市场,拜耳、帝人、宝理、旭化成/杜邦、DSM等跨国公司进入合成树脂领域,建设PC、POM等生产装置,扩大PA产能,并在复合材料及合金化中高档产品领域形成明显的竞争优势。


材料基因组计划将改变工程塑料商业模式。“材料基因工程”旨在寻找和建立材料从原子排列、到相的形成、到显微组织的形成再到材料性能与使用寿命之间的相互关系,把成分-结构-性能关系的资料库与计算材料设计结合起来,这样就可以大大加快材料研发速度、降低材料研发的成本、提高材料设计的成功率。


本文来源: CPRJ塑料橡胶 作者:上海杰事杰新材料股份有限公司董事长 杨桂生

#材料,汽车#


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