■ 郭永峰
石化與生活
工程塑料“飛入尋常百姓家”
■ 郭永峰
石化產(chǎn)品種類數(shù)以萬計,“工程塑料”是其中一個重要分支,以其堅韌的剛度、豐富艷麗的色彩和輕盈多姿的形態(tài)而聞名于世。這些精巧的工程塑料產(chǎn)品,具有“鐵之剛硬”、“銅之精巧”、“瓷之亮麗”,放在古代大抵是“奇技淫巧”之物,會放置在皇宮里以供達官貴人享用。如今這些工程塑料已進入尋常百姓家,成為人們的生活必需品。
工程塑料,其全稱是工程用途塑料,指被用做工程機器零件或外殼的塑料制品,主要是相對于通用塑料而言。而通用塑料,則是生活用途塑料的別稱,一般用于制成百姓日常生活使用的塑料制品,如塑料臉盆與塑料玩具等。
相對于通用塑料,工程塑料有三大特點,即物理穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
物理穩(wěn)定性能,主要包括材料穩(wěn)定性與電穩(wěn)定性,有高強度與硬度、高耐沖擊性以及良好的耐熱和耐寒性能,一般耐熱達150℃以上。化學穩(wěn)定性能包括材料化學性質(zhì)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性,即有高耐熱性、高抗老化性、耐磨損及耐疲勞性,熔點較高,熱膨脹系數(shù)較小,以及耐化學藥品性、電絕緣性、耐燃性。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性即有精確的尺寸加工性能與穩(wěn)定的構(gòu)件組合性能。
說工程塑料飛入尋常百姓家,是因為它的用途十分廣泛,主要應用在以下領域:
(1)汽車制造。工程塑料在汽車上的應用日益增多,主要用作保險杠、燃油箱、儀表板、車身板、車門、車燈罩、燃油管、散熱器以及發(fā)動機相關零部件等(圖1)。據(jù)英國國家統(tǒng)計局(UK's Office for National Statistics)資料顯示,1950年英國生產(chǎn)汽車只有1.6%是非金屬材料,而到2015年,英國生產(chǎn)汽車所使用的非金屬材料,即合成材料已達到約83%,其中一部分為工程塑料。
圖2 工程塑料在通用機械與醫(yī)療用具的應用
圖1 工程塑料在汽車儀表盤的應用
(2)通用機械產(chǎn)品。工程塑料可用于軸承、齒輪、絲杠螺母、密封件等機械零件和殼體、蓋板、手輪、手柄、緊固件及管接頭等機械結(jié)構(gòu)件上(圖2)。這里著重提到石油機械產(chǎn)品,包括鉆井機械與采油機械,其外殼與受力不大的齒輪等聯(lián)接部件,越來越多 地使用工程塑料制造。
(3) 通用電子產(chǎn)品。工程塑料可用于電線電纜包覆、印刷線路板、絕緣薄膜等絕緣材料和電器設備結(jié)構(gòu)件,以及醫(yī)療用品方面。具體在家用電器上,工程塑料可用于電冰箱、洗衣機、空調(diào)器、電視機、電風扇、吸塵器、電熨斗、微波爐、電飯煲、收音機、組合音響設備與照明器具上。
(4)化工工藝設備。工程塑料可用于熱交換器、化工設備襯里等化工設備上和管材及管配件、閥門、泵等化工管路中。
和通用塑料相比,工程塑料在機械性能、耐久性、耐腐蝕性、耐熱性等方面能達到更高的要求,而且加工方便,并可替代金屬材料。工程塑料被廣泛應用于電子電氣、汽車、建筑、辦公設備、機械、航空航天等行業(yè),“以塑代鋼”、“以塑代木”已成為國際流行趨勢。據(jù)美國塑料行業(yè)學會(Society of the Plastics Industry)2012年發(fā)布的報告,美國國內(nèi)塑料工業(yè),主要是工程塑料業(yè),已成為美國4大制造業(yè)之一,僅排在汽車、電子與石油煉制業(yè)之后,全國有21000家塑料制造廠商。作為近年國際高新科技成果的“驕子”——3D打印技術使用的打印噴涂媒介即為工程塑料。所以,業(yè)界所說的“無工程塑料就無3D打印技術的概念”,反映出工程塑料在現(xiàn)代高科技領域的獨特地位。
1931年,美國杜邦(DuPont)公司的卡洛斯(W.H. Carothers),發(fā)明了“尼龍66”,開創(chuàng)了工程塑料工業(yè)化基礎。
1958年德國拜耳(Bayer)公司開發(fā)了聚酸酯(PC),作為結(jié)構(gòu)性工業(yè)塑料應用于工業(yè)界。聚碳酸酯是具有優(yōu)良綜合性能的透明工程塑料,應用廣泛,是發(fā)展最快的工程塑料之一,在工程塑料領域,其產(chǎn)量和消費量僅次于聚酰胺而居第二位。
1960年杜邦(DuPont)公司商業(yè)化生產(chǎn)聚甲醛(POM),由于其高剛性、低摩擦系數(shù)、高硬度與機械強度,部分場合替代金屬,因此被人稱為“塑料鋼”,目前多用于制作機械軸承,人造心臟瓣膜等。
1964年美國通用公司(General Electric Company)開發(fā)聚苯醚樹脂并投入了工業(yè)化生產(chǎn),聚苯醚的熱性質(zhì)與電氣性質(zhì)優(yōu)異。同年杜邦(DuPont)公司成功開發(fā)出聚亞酰胺(PI)為迄今耐熱性最佳的高分子材料。
1970年美國賽拉尼斯(Celanese)公司發(fā)展聚對苯二甲酸丁二酯(PBT),成為五大工程塑料之一。五大工程塑料為聚酰胺類(PA6,PA66)、聚熱塑酯類(PBT,PET)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚(PPO)和聚甲醛(POM)。
1976年柯達公司發(fā)表p-羥基安息香酸改性的液晶性聚酯后開啟了液晶聚酯的研發(fā),在半結(jié)晶與非晶性塑料之外另外有液晶行為的高分子材料,由于其特殊的自我補強、特殊取向行為與耐高溫特性,在航天與電子電器用途用量越來越高。
1980年,英國ICI((Imperial Chemical Industries)公司成功開發(fā)了熔點高達336℃的工程塑料聚醚醚酮(PEEK)。PEEK具有卓越的耐熱性、耐輻射性和耐化學藥品性,并能注射成型。
1985年,開發(fā)成功熱致液晶聚合物是特種工程塑料發(fā)展史上又一重大事件。液晶聚合物耐熱性優(yōu)異,使用溫度可達200℃以上,具有自增強、高強度、高模量、耐化學藥品等特性,熔體粘度低,成型方便,在電子工業(yè)領域具有非常廣闊的應用前景。
工程塑料已成為當今世界塑料工業(yè)中增長速度最快的領域,其發(fā)展不僅對國家支柱產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代高新技術產(chǎn)業(yè)起著支撐作用,同時也推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。
中國是全世界工程塑料需求增長最快的國家。我國工程塑料需求增長最快的年份為2012年,消費約750億元(RMB), 年度同比增長為23.9%。我國工程塑料消費量最高年份為2015年,消費約940億元(RMB),417萬噸,年度同比增長為1.5%,這與2012年以來,我國國民經(jīng)濟增長速度放緩的情形相吻合。但是今后國內(nèi)對工程塑料需求的絕對值穩(wěn)定增長的趨勢沒有變化。以我國家電行業(yè)為例,僅冰箱、冷柜、洗衣機、空調(diào)及各類小家電產(chǎn)品每年的工程塑料需求量將達60萬噸左右。而用于通信基礎設施建設以及鐵路、公路建設等方面的工程塑料用量則更為驚人,預計2017年以后,每年工程塑料的總需求量將達到450萬噸以上。
圖3 中國工程塑料年產(chǎn)量與增速
而在國際上,據(jù)相關研究報告稱,2013年,全球工程塑料市值約為535.8億美元,預計到2018年將達到790.3億美元,復合年增長率為8%。2014年,亞太地區(qū)占據(jù)了全球工程塑料市場主體,據(jù)統(tǒng)計2013年亞太地區(qū)占全球工程塑料市場需求的47.9%市場份額。預計2018年亞太地區(qū)將繼續(xù)保持世界最大工程塑料市場的地位,其次為西歐市場,未來5年,其工程塑料市場需求年均增速預計為7.8%。
工程塑料是當今世界上石油、石化產(chǎn)品的重要下游分支,并且隨著科技發(fā)展,工程塑料在石油、石化產(chǎn)品中的產(chǎn)量與份額會越來越大。發(fā)展工程塑料的重要意義,一是可以引領石油石化產(chǎn)品向高技術含量、高附加值方面轉(zhuǎn)型,將石油產(chǎn)品制成塑料,比起煉成汽油供汽車產(chǎn)生動力,產(chǎn)值與利潤要高得多(產(chǎn)值大約增大3.4倍,利潤增長約2.6倍),對于我國目前的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型工作有重大意義。二是豐富人民日常生活,促進人們的衣食住行向個性化、便利化和定制化方向發(fā)展。