Пластиковые изделия общего назначения: базовая система материалов, поддерживающая современную жизнь

Пластики общего назначения – это тип пластика, выпускаемый в больших объемах, обладающий широкой сферой применения, низкой ценой и умеренной механической и термической стойкостью. К ним относятся, в основном, пять категорий: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) и сополимер акрилонитрилбутадиенастирола (АБС). На этот тип материалов приходится более 70% мирового производства пластика. От повседневных сумок и столовой посуды до промышленных трубопроводов и упаковки – изделия из пластика общего назначения стали незаменимыми базовыми материалами для производства и жизни современного общества благодаря своей превосходной технологичности, разнообразию и экономичности.

1. Основные характеристики и система классификации пластмасс общего назначения

Универсальность универсальных пластиков обусловлена их сбалансированными характеристиками и широкой адаптивностью. Различные категории формируют взаимодополняющие сферы применения благодаря различиям в молекулярной структуре, в совокупности образуя систему материалов, охватывающую множество областей применения.

Общие черты: преимущества урожайности и экономической эффективности

Все пять основных видов пластика общего назначения характеризуются обильным сырьем (нефть или природный газ), отработанными производственными процессами (промышленная полимеризация, применяемая уже более полувека) и разнообразными методами переработки (литье под давлением, выдувное формование, экструзия и т.д.). Годовой объём производства превышает 10 миллионов тонн: на долю ПЭ и ПП в совокупности приходится более 50% мирового производства пластика, на долю ПВХ и ПС – около 10%, а на долю АБС – около 5%. Что касается цены, то стоимость пластика общего назначения обычно составляет от 8000 до 20000 юаней за тонну, что составляет всего лишь от одной трети до одной пятой от стоимости конструкционных пластиков, что делает его пригодным для крупномасштабного и недорогого производства продукции.

Что касается эксплуатационных характеристик, хотя обычные пластики могут не обладать такой же высокой прочностью и термостойкостью, как инженерные, они могут соответствовать большинству стандартных требований благодаря модификации: диапазон термостойкости составляет от -70 ℃ до 120 ℃, предел прочности на разрыв составляет 10–50 МПа, а предел эксплуатационных характеристик может быть расширен за счёт закалки, армирования и других методов. Эта особенность позволяет использовать их не только для изготовления простых упаковочных изделий, но и для изготовления конструкционных компонентов с использованием композитных технологий.

Индивидуальные различия между пятью основными категориями

Различные универсальные пластики обладают уникальными свойствами благодаря разной молекулярной структуре:

Полиэтилен (ПЭ): молекулярная цепь состоит из углерода и водорода и не содержит полярных групп. Он обладает превосходной химической стойкостью, гибкостью и устойчивостью к низким температурам, плотностью 0,91–0,97 г/см³. Это самый лёгкий универсальный пластик. По плотности его можно разделить на три категории: низкой плотности (ПЭНП, мягкий), высокой плотности (ПЭВП, твёрдый) и линейной низкой плотности (ЛПЭНП, обладающий исключительной прочностью).

Полипропилен (ПП): молекулярная цепь содержит метильные боковые группы, обладает высокой кристалличностью (50–70%) и температурой плавления 160–170 °C. Это единственный универсальный пластик, способный выдерживать температуры свыше 100 °C, с плотностью 0,90–0,91 г/см³. Он легче полиэтилена, обладает лучшей жёсткостью, но более выраженной низкотемпературной хрупкостью.

Поливинилхлорид (ПВХ): содержание хлора составляет 56%, он обладает огнестойкостью (кислородный индекс 24–28) и устойчивостью к химической коррозии, а его эксплуатационные характеристики можно регулировать с помощью пластификаторов. Жёсткий ПВХ (без пластификаторов) обладает высокой жёсткостью, в то время как мягкий ПВХ (содержащий 30–50% пластификаторов) обладает хорошей гибкостью, но низкой термостойкостью и требует добавления стабилизаторов.

Полистирол (ПС): молекулярная цепь содержит бензольные кольца, обладает высокой жёсткостью и хорошей прозрачностью (пропускание ПСГ составляет 90%), но хрупкий. Добавление каучуковой фазы позволяет получить ударопрочный полистирол (УПС), который увеличивает ударную вязкость в 3–5 раз, но снижает прозрачность.

АБС: тройной сополимер, сочетающий в себе химическую стойкость акрилонитрила, прочность бутадиена и технологичность стирола. Он обладает ударной вязкостью 10–40 кДж/м² и легко поддается гальваническому осаждению. Это наиболее сбалансированный по эксплуатационным характеристикам вид пластиков общего назначения, часто рассматриваемый как квазиинженерный пластик.

2. Основные виды пластиковых изделий и сферы их применения

Пластиковые изделия общего назначения сформировали полную систему категорий от пленок и труб до конструктивных компонентов посредством разнообразных методов обработки, проникая практически во все отрасли промышленности, такие как производство упаковки, строительных материалов, автомобилей и товаров повседневного спроса.

Область упаковки: крупнейший рынок применения

Упаковка является основной областью применения пластика, на долю которой приходится более 40%. Различные виды пластика заменяют традиционную бумажную и стеклянную упаковку благодаря своим барьерным свойствам, лёгкости и низкой стоимости.

Изделия из ПЭ: Пленка ПЭНП (толщиной 0,01–0,1 мм) используется для пищевых пакетов и пленок, обладает самоклеящимися и полупрозрачными свойствами; стрейч-пленка ЛПЭНП (удлинение 500–800%) используется для упаковки поддонов, обладает превосходной прочностью на разрыв; Бутылки ПЭВП (емкостью 500 мл–20 л) используются для упаковки моющих средств и косметики, обладают как химической стойкостью, так и жесткостью.

Изделия из ПП: пленка БОПП (двуосноориентированный полипропилен, толщина 10-30 мкм) используется для упаковки печенья и сигарет, отличается высоким глянцем и хорошими барьерными свойствами; формованные стаканчики из ПП (например, для йогурта, молочного чая) выдерживают высокие температуры свыше 80 ℃ и подходят для горячих напитков; плетеные мешки из ПП (грузоподъемностью 5-50 кг) используются для упаковки удобрений и зерна, их прочность в 3-5 раз превышает прочность бумажных пакетов.

Изделия из ПС: коробки из вакуумформованного GPPS (толщина 0,2–1 мм) используются для упаковки фруктов и электронных компонентов, обладают хорошей прозрачностью; коробки из вспененного EPS (плотность 10–30 кг/м³) используются для транспортировки в холодильной цепи, обладают отличными теплоизоляционными характеристиками, а их стоимость составляет всего 60% от стоимости пенополиуретана.

Изделия из ПВХ: термоусадочная пленка ПВХ (усадка 50% -70%) используется для этикеток на бутылки с напитками, которые плотно прилегают после нагревания; мягкая пленка ПВХ используется для вакуумной упаковки мяса, отличается исключительной гибкостью и герметичностью.

Архитектура и строительные материалы: интеграция структуры и функции

Универсальные пластики заменяют традиционные материалы (дерево, металл, цемент) в строительстве, гарантируя долговечность и простоту монтажа:

Изделия из ПВХ: Трубы из жесткого ПВХ (диаметром 16–630 мм) занимают 80% рынка труб для дренажа зданий, они устойчивы к кислотной и щелочной коррозии и имеют срок службы более 50 лет; профили из ПВХ (дверные и оконные рамы, декоративные линии) модифицированы по специальной формуле, обладают атмосферостойкостью более 10 лет и лучшими изоляционными характеристиками по сравнению с алюминиевыми сплавами.

Изделие из полиэтилена: двустенные гофрированные трубы из ПНД (диаметром 200–2000 мм) для коммунальной канализации с кольцевой жёсткостью 8 кН/м² и выше; трубы из термостойкого полиэтилена ЧП-РТ (полиэтилен высокой термостойкости) используются для систем тёплого пола и выдерживают длительное воздействие горячей воды температурой до 70 °C. Они обладают хорошей гибкостью, легко гнутся и укладываются.

Изделия из ПП: трубы ПП-R (рандом-сополимер полипропилена) используются для трубопроводов горячего и холодного водоснабжения, отличаются удобством сварки и гигиеническими характеристиками, соответствующими пищевым стандартам; пустотные плиты ПП (толщиной 2-10 мм) используются для опалубки зданий, весят всего 1/5 от стальной опалубки и могут быть использованы повторно более 50 раз.

Автомобильный и транспортный сектор: легкие основные силы

Пластик общего назначения является основным материалом для облегчения автомобилей, его расход составляет 100–150 кг на автомобиль, что составляет 70 % от общего объема использования пластика в автомобиле.

Изделия из полипропилена: на их долю приходится 40% от общего объема использования пластика в автомобилях, включая бамперы (армированные 20–30% талькового порошка), приборные панели (смесь полипропилена и этиленпропиленового дипропилена) и дверные панели, что позволяет снизить вес на 30–50% по сравнению с металлом.

Изделия из полиэтилена: полиэтилен высокой плотности (ПНД) используется для масляных баков (улучшенная маслостойкость) и воздуховодов; полиэтилен низкой плотности (ПВД) используется для оболочки жгутов проводов, обеспечивая хорошую изоляцию и гибкость.

Изделия из АБС: используются для деталей внутренней отделки салона автомобиля (например, рулевое колесо, центральная консоль), поверхность может быть окрашена или гальванизирована, обеспечивая как эстетичный вид, так и ударопрочность; УПС используется для внутренней отделки дверных панелей, отличается низкой стоимостью и простотой формования сложных форм.

Изделия из ПВХ: используются для изготовления автомобильных уплотнителей (мягкий ПВХ) и ковриков (вспененный ПВХ), обладающих атмосферостойкостью и износостойкостью, которые соответствуют требованиям автомобильной среды использования.

В сфере товаров повседневного спроса и бытовой техники: разнообразные товары, приближенные к повседневной жизни

Универсальные пластики, благодаря своей насыщенной цветовой гамме и простоте обработки, стали основным сырьем для производства предметов первой необходимости и бытовой техники.

Изделия из полипропилена: занимают 30% рынка товаров повседневного спроса, в том числе контейнеры для сохранения свежести (стойкие к воздействию микроволновой печи), ручки зубных щеток, вешалки, устойчивые к высоким температурам и не способствующие размножению бактерий; компоненты бытовой техники, такие как внутренняя трубка стиральных машин (армированный полипропилен) и внешняя оболочка кондиционера (огнестойкий полипропилен).

Изделия из ПЭ: шланги из ПЭНП (например, тюбики для зубной пасты и косметических средств) можно экструдировать для извлечения содержимого; бочки из ПЭВП (5–50 л) используются для хранения воды и химикатов, они ударопрочные и их нелегко сломать.

Изделия из ПС: из ОППС изготавливают прозрачные канцелярские принадлежности (линейки, папки), абажуры; УПС используется для игрушек, таких как строительные блоки и куклы, отличается хорошей прочностью и легкостью окрашивания, соответствует стандартам безопасности для детских товаров.

Изделия из АБС: Корпуса бытовой техники (например, телевизоров и принтеров) составляют 25% от общего объема использования АБС, обеспечивая как жесткость, так и ударопрочность; мелкие компоненты бытовой техники, например, держатели ножей соковыжималки, изготавливаются методом литья под давлением с высокой точностью.

3. Производственный процесс: полная цепочка переработки от смолы до готового продукта.

Диверсификация изделий из пластика общего назначения обусловлена развитой системой переработки — от производства базовой смолы до формования изделий, что формирует стандартизированный и крупномасштабный промышленный процесс.

Полимеризация смол: зрелый промышленный процесс

Процессы полимеризации пяти основных видов пластика в значительной степени автоматизированы, и для разных видов применяются различные технические схемы:

ПЭ: ПЭНП производится методом трубчатой полимеризации под высоким давлением (100-300 МПа, 200-300 ℃) с высокой степенью разветвленности молекулярной цепи; ПЭВП и ЛПЭНП производятся методом низкодавления (0,1-5 МПа) путем суспензионной полимеризации и газофазной полимеризации соответственно с хорошей регулярностью молекулярной цепи.

ПП: Основным процессом является газофазная полимеризация в массе (например, процесс «Сферипол»), в которой в качестве мономера используется пропилен, полимеризующийся под действием катализатора Циглера-Натта. Продукты с различным индексом расплава получаются путем регулирования молекулярно-массового распределения.

ПВХ: более 80% материала подвергается суспензионной полимеризации, при которой мономер винилхлорида диспергируется в воде в виде капель, что запускает полимеризацию с образованием порошкообразной смолы с размером частиц 0,1–2 мм. Мягкость и твёрдость регулируются добавлением добавок.

PS: GPPS использует полимеризацию в массе, тогда как БЕДРА вводит каучуковую фазу (полибутадиен) посредством привитой сополимеризации, образуя островную структуру дддхххсеа для повышения ударопрочности.

АБС: Основной процесс — это метод прививки лосьона методом смешивания в массе. Сначала готовится лосьон бутадиенового каучука, затем прививаются стирол и акрилонитрил, а затем сплавляется со смолой САН (сополимер стирола и акрилонитрила).

Обработка продукции: разнообразные технологии формования

Формование изделий из пластика общего назначения осуществляется с помощью четырех основных процессов, которые можно выбрать в зависимости от формы изделия:

Экструзионное формование: подходит для производства труб (ПВХ, ПЭ), листов (ПС, ПП) и плёнок (ПЭ, БОПП). Расплавленный пластик экструдируется через формы с помощью шнеков для непрерывного производства линейных изделий со скоростью 10–100 м/мин.

Литье под давлением: используется для 3D-изделий (например, стаканчиков из ПП, корпусов из АБС-пластика), впрыскивание расплавленного пластика в закрытую форму, охлаждение и формование перед извлечением из формы, короткий цикл (10–60 секунд на форму), подходит для массового производства и обеспечивает точность размеров до ± 0,1 мм.

Выдувное формование: разделяется на формование полых изделий выдувом (например, бутылок из полиэтилена высокой плотности) и формование плёнок выдувом (например, пакетов из полиэтилена низкой плотности). Расплавленный пластик расширяется и формуется под давлением воздуха, что подходит для производства полых изделий. Скорость производства бутылок может достигать 1000–6000 шт./час.

Вспенивание: используется для вспенивания полистирола (ПС) и полиэтилена (ПЭ). Добавление вспенивающего агента (например, пентана) формирует внутри пластика закрытую ячеистую структуру, что снижает плотность (до 0,01–0,1 г/см³) и улучшает теплоизоляционные и амортизационные свойства.

В процессе переработки параметры необходимо корректировать в соответствии с характеристиками пластика: температура переработки ПЭ и ПП должна составлять 150–250 °C, ПВХ – 160–200 °C (для предотвращения разложения), а ПС и АБС – 200–250 °C. Добавление красящего концентрата, антиоксидантов, смазочных веществ и других добавок позволяет добиться таких свойств, как окрашивание, устойчивость к старению и лёгкость извлечения из формы.

4. Экологические проблемы и пути устойчивого развития

Пластиковые изделия общего назначения долгое время вызывали споры по поводу загрязнения окружающей среды (дддхххбелый загрязнение) из-за их широкого использования и сложности разложения. В последние годы благодаря переработке, инновационным материалам и разработке политических рекомендаций постепенно была создана система устойчивого развития.

Экологические проблемы: загрязнение и давление со стороны правительства

Экологические проблемы, связанные с универсальными пластиками, в основном отражаются в трех аспектах:

Загрязнение одноразовыми изделиями: одноразовые изделия, такие как полиэтиленовые пакеты и ланч-боксы из вспененного полистирола, имеют короткий срок службы (всего несколько часов), но естественный процесс разложения занимает сотни лет. Беспорядочный выброс приводит к загрязнению почвы и морской среды. Ежегодно в море попадает около 8 миллионов тонн пластика.

Система переработки не идеальна: общая переработка пластика в основном основана на физической переработке, но из-за трудностей классификации (например, внешнего сходства ПЭ и ПП), высокого содержания примесей и больших колебаний в качестве переработанных материалов глобальный уровень переработки составляет всего 15–20 %, что намного ниже, чем у металлов и стекла.

Конкретные риски, связанные с материалами: ПВХ содержит хлор, и если температура во время сжигания недостаточна, будут выделяться диоксины; Традиционный полистирольный пенопласт имеет большой объем и высокие затраты на транспортировку и утилизацию; Некоторые пластификаторы, такие как фталаты в ПВХ, представляют опасность нарушения эндокринной системы.

Переработка: технологический переход от физики к химии

Технология переработки пластика в целом продолжает развиваться, формируя многоуровневую систему переработки:

Физическая переработка: Самый отработанный метод переработки: отходы сортируются, очищаются, измельчаются, плавятся и гранулируются. Переработанный полиэтилен может использоваться для производства мусорных мешков и трубопроводов; переработанный полипропилен используется для производства автомобильных салонов и пластиковых стульев; регенерированный полистирол используется для производства фоторамок и декоративных полос. Благодаря интеллектуальным технологиям сортировки, таким как выбор цвета и магнитная сепарация, эффективность сортировки возросла до более чем 90%.

Химическая переработка: Для сильно загрязненных или смешанных отходов пластик разлагается на мономеры или топливо путем пиролиза (300–800 ℃), например, ПЭ и ПП, которые могут быть разложены на компоненты бензина и дизельного топлива; ПС может быть деполимеризован в мономер стирола с чистотой более 99% и повторно использован для полимеризации, обеспечивая замкнутый цикл циркуляции.

Рекуперация энергии: отходы, которые невозможно переработать, сжигаются для выработки электроэнергии с теплотворной способностью около 40 МДж на килограмм пластика (что в 1,5 раза больше, чем у угля), но для этого требуются вспомогательные установки по очистке отходящих газов для контроля выбросов диоксинов.

Инновации в области материалов: альтернативное и экологичное направление

Экологические инновации в области пластика сосредоточены в трех направлениях:

Разлагаемые альтернативы: введение разлагаемых компонентов путем смешивания или сополимеризации, таких как ПЭ и ПБАТ (полибутилентадипинаттерефталат), смешанных для изготовления компостируемых пластиковых пакетов, которые разлагаются в естественной среде в течение 6–12 месяцев; ПС заменяется пеной на основе крахмала для амортизирующей упаковки.

Универсальные биопластики: использование биосырья для производства пластика, например, биополиэтилена (с использованием этанола из сахарного тростника) и биополипропилена (с использованием растительного масла), обеспечивает производительность, сопоставимую с традиционными продуктами, а углеродный след сокращается более чем на 50%. Кока Кола, Нестле и другие предприятия уже применяют их в крупных масштабах.

Значительное снижение производительности: снижение расхода материала за счет структурной оптимизации, например, облегчения веса ПЭТ-бутылок (с 30 г до 9 г); ПП повышает прочность за счет нанокомпозитов, уменьшая толщину стенок изделия на 20 % при сохранении тех же эксплуатационных характеристик.

5. Будущие тенденции: технологическая итерация и промышленная модернизация

Пластиковые изделия общего назначения развиваются в направлении высокой производительности, низкого потребления и пригодности к переработке, а технологические инновации и политика изменят промышленный ландшафт.

Повышение производительности: от универсального к специализированному

Благодаря точной модификации универсальные пластики постепенно проникают в средний и высший ценовой сегмент:

Функционализация: разработать антибактериальную полиэтиленовую пленку (с добавлением ионов серебра) для консервации продуктов питания, продлевая срок годности на 3–5 дней; огнестойкий полипропилен используется для упаковки электроники, достигая уровня УЛ94 V0; атмосферостойкий полистирол продлевает срок службы на открытом воздухе с 1 года до 5 лет за счет добавления поглотителей УФ-излучения.

Легирование: смесь АБС/ПК (сплав АБС/ПК) повышает термостойкость и используется для корпусов аккумуляторных батарей новых транспортных средств; смесь ПП/ПА (сплав ПП/ПА) повышает маслостойкость и используется для деталей двигателей.

Циклическая экономика: управление полным жизненным циклом

В рамках проводимой политики общая цепочка производства пластика трансформируется в модель замкнутого цикла:

Расширенная ответственность производителя (РОП): предприятия обязаны брать на себя ответственность за переработку продукции, например, требование ЕС о достижении уровня переработки пластиковых бутылок в 90% к 2030 году, политика Китая в отношении двухуглеродных технологий, поощряющая использование переработанных материалов, а также требование о том, чтобы использование переработанного пластика автомобильными компаниями достигло 30% и более.

Масштабы химической переработки: по всему миру построены предприятия по переработке химических отходов мощностью в миллионы тонн, например, процесс химической переработки ПЭ/ПП компании Оболочка, который позволяет преобразовывать смешанные отходы в первичное сырье по стоимости, постепенно приближающейся к стоимости традиционных процессов.

Интеллектуальное производство: повышение эффективности и качества

Интеллектуальные производственные технологии обеспечивают универсальное производство пластика:

Оптимизация ИИ: Оптимизация параметров впрыска с помощью машинного обучения позволяет сократить количество брака на 50%; Мониторинг толщины преформы в режиме реального времени во время процесса выдувного формования, автоматическая регулировка давления воздуха и повышение однородности толщины стенок в пределах ± 5%.

Цифровой двойник: создание виртуальных производственных моделей для имитации характеристик продукции при использовании различного сырья и процессов, а также сокращение цикла разработки новых продуктов (с 3 до 1 месяца).

Будучи краеугольным камнем современной промышленности, разработка универсальных пластиковых изделий отражает согласованный прогресс материаловедения и социальных потребностей. От простой упаковки до сложных автомобильных компонентов, от одноразовых изделий до перерабатываемых материалов, Общий Пластики преодолевает экологические барьеры благодаря технологическим инновациям и продолжает играть незаменимую роль в устойчивом развитии. В будущем, с развитием биоматериалов, химической переработки и интеллектуального производства, универсальные пластики получат двойной уровень модернизации: "высокуюпроизводительность" и "hэкологичность", способствуя более экологичному и эффективному современному образу жизни.