Состояние разработки и прогресс исследований в области технологии переработки пластмасс

Технология обработки пластмассовых изделий переживает глубокую трансформацию, переходя от традиционных процессов к интеллектуальным, экологичным и высокоточным. Следующий анализ проводится по трём направлениям: технологический статус, передовой прогресс и основные проблемы:

1. Текущее состояние технологического развития

1. Постоянная оптимизация традиционной технологии формования

Литье под давлением: на долю которого приходится более 35% объёма переработки пластмасс, оборудование развивается в сторону высокой скорости и точности. Например, интеллектуальный литьевой пресс Ижими UN160A6 обеспечивает динамическую оптимизацию параметров процесса благодаря системе МЭС, обеспечивая процент годности продукции более 99%. Технология литья под давлением с газовым соплом (например, для производства бамперов BMW) позволяет снизить усилие запирания пресс-формы на 40% и расход материала на 15–20%.

Экструзионное формование: Технология реакционной экструзии реализует интеграцию полимеризации и формования, например, линия непрерывной полимеризации и экструзии Дюпон Нейлон 6, увеличивающая производительность на 30%. Прецизионная экструзия позволяет контролировать допуск диаметра трубы в пределах ±0,05 мм благодаря замкнутому контуру обратной связи.

Выдувное формование: Технология трехмерного выдувного формования с отрицательным давлением (например, двухслойная экструзия Кулус) позволяет производить контейнеры сложной структуры, а выдувное формование с растяжением делает ПЭТ-бутылки устойчивыми к внутреннему давлению до 3,5 МПа.

2. Всеобъемлющее проникновение интеллектуального производства

Взаимодействие устройств: датчики Интернета вещей собирают более 300 параметров в режиме реального времени, сокращая время реагирования на аномальные ситуации с нескольких часов до 90 секунд. Например, на одной из линий по производству автомобильных деталей реализовано взаимодействие между литьевыми машинами, роботизированными манипуляторами и оборудованием для контроля качества через сети 5G, что позволяет снизить энергопотребление на 15%.

На основе искусственного интеллекта: модели машинного обучения прогнозируют оптимальные параметры впрыска, сокращая количество пробных форм на 60%; визуальный алгоритм распознаёт сварные швы толщиной 0,02 мм с точностью 99,7%. Интеллектуальная система управления процессами Ижими применяется на таких предприятиях, как Мидеа и Hisense, что позволило повысить эффективность отладки процессов на 40%.

Цифровой двойник: оптимизация планирования виртуальной модели производственной линии, сокращение времени переключения пресс-форм на 23%. Компания по производству бытовой техники повысила стабильность продукции на 50% за счет динамической компенсации изменений температуры и влажности окружающей среды.

3. Прорыв в технологиях экологичного производства

Переработка биопластика: Биопластик БХ, полученный методом микросборки смешанной биомассы (например, хлопковое волокно + оболочка пыльцы), имеет прочность на разрыв 52,22 МПа, может обрабатываться водой и полностью разлагается в течение 6 месяцев. Однако проблема плохой пластификации (например, нерасплавленных частиц из-за неправильного контроля температуры) по-прежнему требует решения путем оптимизации шнеков (например, путем добавления секций смешивания).

Переработка: Технология обработки микроволновым излучением обеспечивает деполимеризацию и регенерацию пластиковых отходов. Светоотверждаемая смола для 3D-печати, разработанная Чжэцзянским университетом, может перерабатываться бесконечно, а её механические свойства сохраняются более чем на 90%. Однако стоимость сортировки пластика после потребления высока, и в настоящее время только 12% пластика подвергаются эффективной переработке.

2. Прогресс передовых исследований

1. Технология экстремальной масштабной обработки

Ультратонкое формование: технология многоэтапного прерывистого растяжения (САМИС), разработанная командой Фу Цяна из Сычуаньского университета, уменьшает толщину полиэтиленовой пленки до 12 нанометров (теоретический предел), при этом соотношение длины к толщине составляет 10^7, а прочность на разрыв — 113,9 ГПа/(г/см³), что применяется в качестве материалов поддержки зажигания ядерного синтеза.

Микропористое вспенивание: MuCell™. Процесс формирует микропористую структуру диаметром 10–100 мкм в поликарбонате, снижая вес на 30% при сохранении ударопрочности. Этот метод используется в салоне Тесла Модель 3.

2. Инновации в новых процессах формования

Переработка пластика с помощью воды: технология разделения фаз с помощью воды, разработанная командой Университета Дунхуа, обеспечивает обратимое преобразование пластика между состоянием низкой гидратации (стеклообразное состояние, σ b = 211,2 МПа) и состоянием высокой гидратации (тестообразная консистенция, восстанавливаемая при комнатной температуре), преодолевая температурные ограничения традиционной переработки пластика.

УФ-отверждаемая 3D-печать: Группа под руководством Се Тао из Чжэцзянского университета открыла фотощелочную реакцию на основе тиолальдегида и разработала пригодную для вторичной переработки УФ-отверждаемую смолу с прочностью на разрыв до 150 МПа, решив проблему невозможности вторичной переработки традиционных материалов для 3D-печати.

3. Формование функционального материала

Обработка оптического КОК: циклоолефиновый сополимер (КОК) производится методом точного литья под давлением (контроль температуры пресс-формы ± 0,1 ℃) для производства оптических линз с коэффициентом пропускания 91–93% и мутностью <0,1%. Он используется в качестве замены для некоторых видов стекла в модулях камер мобильных телефонов.

Материал интеллектуального реагирования: термохромная полиимидная пленка формируется путем прокатки, снижая ее светопропускание с 85% до 15% при 60 ℃, и используется для энергосберегающих окон в интеллектуальных зданиях.

3. Основные проблемы и направления развития

1. Основные технические узкие места

Переработка биопластика: НОАК и другие материалы необходимо обрабатывать при температуре 170–230 °C, что способствует их окислению и деградации, а также добавлять 0,3–0,5% антиоксидантов (например, IrgaNOx 1010). Дефекты продукции, вызванные плохой пластификацией (например, шероховатость поверхности <7,94 мкм), по-прежнему требуют решения путем оптимизации комбинации шнеков (например, путем добавления барьерных сегментов).

Микронаноформование: Точность репликации наноструктур (например, решеток размером 50 нм) зависит от эластичности расплава, а скорость сдвига необходимо контролировать на уровне выше 10^4 с^-1, чтобы уменьшить упругое восстановление.

Циклическая экономика: низкая эффективность сортировки пластика после потребления (стоимость ручной сортировки 0,8 долл. США/кг), что требует разработки системы визуальной сортировки на базе ИИ (точность распознавания 98%) и технологии химической переработки (например, чистота деполимеризации ПЭТ 99,9%).

2. Тенденции будущего развития

Интеллектуальная глубокая интеграция: периферийные вычисления дают оборудованию возможность принимать локальные решения (например, время реагирования на прогностическое обслуживание <1 секунды), а технология блокчейна позволяет отслеживать сырье и готовую продукцию на протяжении всего их жизненного цикла.

Прорыв в области биоматериалов: гибридная технология микромасштабной сборки (например, целлюлоза+лигнин) может использоваться для получения биопластиков с прочностью на разрыв 60 МПа, а доля рынка, как ожидается, достигнет 15% к 2030 году.

Экстремальные условия эксплуатации: технология литья под давлением ПЭИ (полиэфиримида), способная выдерживать температуры свыше 200 ℃ (температура пресс-формы 180 ℃, давление выдержки 120 МПа), будет распространена на прозрачные компоненты в аэрокосмической отрасли.

4. Анализ типичного случая

1. Интеллектуальный завод литья под давлением

Цифровая производственная линия, развернутая определенным предприятием по производству бытовой техники, достигает повышения качества и эффективности за счет следующих технологий:

Уровень оборудования: 48-камерный соединенный водяной покров, высокоскоростной производственный блок (цикл 2,7 секунды), встроенный датчик давления (точность ± 0,1 МПа) и визуальный контроль (разрешение 0,01 мм).

Системный уровень: цифровые модели двойников имитируют различные схемы планирования производства, сокращая время переключения пресс-форм с 2 часов до 45 минут, а потребление энергии — на 15%.

Уровень приложений: алгоритм ИИ анализирует более 3 миллионов наборов исторических данных, прогнозирует оптимальные параметры впрыска (например, колебание температуры расплавленного клея ± 1 ℃) и снижает уровень дефектов с 3% до 0,5%.

2. Индустриализация биоматериалов

Биопластик БХ: материал, полученный путём соединения хлопковых волокон (30%) с оболочками пыльцы, с прочностью на разрыв 52,22 МПа. Его можно обрабатывать и формовать в воде при температуре 25 °C, он разрушается в почве на 100% через 6 месяцев, но стоимость производства на 20% выше, чем у полипропилена.

Обработка посуды из НОАК: Для предотвращения коробления необходимо контролировать температуру формы на уровне 50–70 °C и время охлаждения на уровне 8–12 секунд. В настоящее время только 12% продукции из НОАК во всем мире поступает на промышленные предприятия по компостированию.

5. Резюме

Технология переработки пластика в формовку внедряется на всех этапах дддххх применения оборудования для обработки материалов: молекулярный дизайн (например, динамическое ковалентное связывание), технологические инновации (например, формование с многополевой связью), модернизация оборудования (например, машины для литья под давлением с магнитореологическим механизмом) и расширение областей применения (например, гибкая электронная упаковка) составляют четыре основных момента технологических прорывов. В следующем десятилетии, благодаря глубокой интеграции ИИ, биотехнологий и производственных технологий, переработка пластика откроет больший потенциал в таких областях, как снижение веса, функциональная интеграция и углеродная нейтральность. В то же время необходимо преодолеть три основных узких места: стабильность обработки биоматериалов, точность воспроизведения микро/наноструктур и стоимость циклической экономики.