Специальные пластиковые изделия: основной материал для высокотехнологичного производства

Специальные пластиковые изделия, являясь представителями семейства высококлассных пластмасс, играют незаменимую роль в различных ключевых областях современной промышленности благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам. По сравнению с обычными пластиками и обычными конструкционными пластиками, специальные пластиковые изделия способны сохранять стабильные эксплуатационные характеристики в более жестких условиях окружающей среды, отвечая строгим требованиям к высокопроизводительным и многофункциональным материалам, предъявляемым к таким передовым отраслям промышленности, как аэрокосмическая промышленность, электронная информатика, автомобилестроение и производство медицинского оборудования. Они постепенно становятся основным материалом, способствующим модернизации промышленности и технологическим инновациям.

1. Эксплуатационные характеристики специальных пластиковых изделий

Причина, по которой специальные пластиковые изделия могут выделяться в высокотехнологичных приложениях, заключается в их уникальных и превосходных эксплуатационных характеристиках, которые создают прочную основу для их надежного применения в экстремальных условиях.

Исключительная термостойкость

Температура непрерывной эксплуатации специальных пластиковых изделий обычно превышает 150 °C, а некоторые изделия могут стабильно работать в течение длительного времени при температуре 200 °C или даже 400 °C. Например, температура длительного использования полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) может достигать 260–280 °C, а кратковременного — 330 °C. Благодаря превосходной термостойкости он является предпочтительным материалом для производства высокотемпературных компонентов, таких как авиационные двигатели и промышленное высокотемпературное оборудование.

Отличная химическая стабильность

Специальные пластиковые изделия обладают чрезвычайно высокой стойкостью к химической коррозии. Как и политетрафторэтилен (ПТФЭ), он инертен практически ко всем химическим реагентам, что затрудняет его коррозию под воздействием сильных кислот, оснований и окислителей. Это позволяет широко использовать его в химических трубопроводах, облицовке реакторов и других областях, обеспечивая длительную и безопасную эксплуатацию оборудования в сложных химических средах.

Отличные механические свойства

Несмотря на относительно низкую плотность, специальные пластиковые изделия обладают высокой прочностью и модулем упругости. Например, полиимид (ПИ) обладает прочностью на разрыв до 100–300 МПа, а также превосходной усталостной прочностью и износостойкостью. Он способен сохранять хорошие эксплуатационные характеристики даже при длительных знакопеременных нагрузках и трении, отвечая строгим требованиям к механическим свойствам материалов, применяемых в авиакосмической промышленности, высокотехнологичных механических деталях и т. д.

Хорошая электроизоляция

В области электроники и электротехники специальные пластиковые изделия обладают значительными преимуществами в плане электроизоляционных свойств. Например, жидкокристаллический полимер (ЖКП) обладает не только низкой диэлектрической проницаемостью, но и минимальными диэлектрическими потерями, что позволяет поддерживать стабильные электрические характеристики в высокочастотных средах и эффективно снижать затухание и помехи при передаче сигнала. Поэтому он находит важное применение в оборудовании связи 5G, высокочастотных электронных платах и других областях.

2. Распространенные категории специальных пластиковых изделий

Специальные пластиковые изделия охватывают множество категорий, каждая из которых демонстрирует незаменимую ценность в определенных областях благодаря своим уникальным свойствам.

Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК)

ПЭЭК, полукристаллический термопластичный ароматический полимер, обладает превосходными комплексными свойствами. Он обладает не только хорошей термостойкостью, химической стабильностью и механическими свойствами, но и превосходной обрабатываемостью, что позволяет изготавливать из него различные сложные изделия различными методами, такими как литье под давлением, экструзия и компрессионное формование. В аэрокосмической промышленности ПЭЭК широко используется для производства компонентов авиационных двигателей, топливных систем и корпусов авиационного электронного оборудования; в медицине, благодаря хорошей биосовместимости, он может использоваться для производства высокотехнологичных медицинских изделий, таких как искусственные суставы и спинальные имплантаты.

Полиимид (ПИ)

Пигмент (ПИ) – это ароматическое гетероциклическое полимерное соединение, содержащее имидное кольцо (-СО-Нью-Гэмпшир-СО-) в основной цепи молекулы. Его ключевые свойства, такие как электроизоляционные, механические свойства и химическая стабильность, остаются неизменными в широком диапазоне температур от -269 ℃ до 400 ℃. В электронной промышленности пигментная пленка является идеальным субстратом для гибких печатных плат (ФПК), отвечая требованиям миниатюризации, снижения веса и повышения надежности электронных изделий. В аэрокосмической отрасли пигментные материалы могут использоваться для изготовления теплозащитных слоев, изоляционных компонентов и т.д. для космических аппаратов, эффективно противостоя экстремальным температурам и радиации в условиях космоса.

Полифениленсульфид (ППС)

Полифениленсульфид (ППС) состоит из чередующихся бензольных колец и атомов серы, имеет регулярную молекулярную структуру и высокую кристалличность. Он обладает превосходной химической коррозионной стойкостью и может выдерживать воздействие различных сильных кислот, сильных оснований и органических растворителей. В то же время он обладает хорошей термической стабильностью и может использоваться в течение длительного времени при температурах от 220 ℃ до 240 ℃. В автомобильной промышленности ППС обычно используется для производства периферийных компонентов двигателей, таких как впускные коллекторы, корпуса топливных насосов и т. д., что позволяет эффективно снизить вес компонентов, улучшить топливную экономичность и надежность автомобилей; в области электронных приборов ППС может использоваться для производства разъемов, каркасов катушек и т. д., чтобы соответствовать требованиям к их использованию в условиях высоких температур и высокой влажности.

Жидкокристаллический полимер (ЖКП)

ЖКП – это ароматический полиэфирный материал с большим количеством жёстких бензольных колец в основной цепи, обладающий уникальными жидкокристаллическими свойствами. В процессе формования молекулы ЖКП могут автоматически выстраиваться и образовывать высокоупорядоченные структуры, что обеспечивает изделию чрезвычайно высокую прочность и модуль упругости. ЖКП обладает очень низким коэффициентом линейного расширения, чрезвычайно высокой размерной точностью и стабильностью. В области электроники и электроприборов, особенно в антеннах, радиочастотных разъёмах и корпусах микросхем оборудования связи 5G, ЖКП стал ключевым материалом для достижения миниатюризации и точности высокопроизводительных электронных устройств благодаря своим превосходным электрическим характеристикам и размерной стабильности.

Полиарилэфирсульфон (ПСФ)

Основная цепь молекул ПСФ содержит сульфоновые группы (- ТАК ₂ -) и ариленовые группы, которые можно разделить на полисульфон (блок питания), полиэфирсульфон (ПЕСУ) и полифениленсульфон (ППСУ) на основе различных синтетических мономеров. ПСФ обладает хорошей термостойкостью, при длительном использовании при температурах, превышающих 180 ℃. В то же время он обладает отличными механическими свойствами, с прочностью на разрыв более 70 МПа и исключительной устойчивостью к влаге и теплу. Срок его службы в среде пара при температуре 145 ℃ составляет не менее 12 лет. В области медицинских изделий ПСФ обычно используется для производства одноразовых медицинских изделий, таких как гемодиализные мембраны и инфузионные наборы. Благодаря своей высокой безопасности он соответствует стандартам пищевых продуктов и гигиены FDA (Управления по контролю за продуктами и лекарствами США) и Европейского союза; В аэрокосмической отрасли ПСФ может использоваться для изготовления элементов внутренней отделки, корпусов электронного оборудования и т. д. самолетов, что позволяет снизить общий вес самолета, обеспечивая при этом прочность конструкции.

3. Производственный процесс и технические трудности

Высокие требования к эксплуатационным характеристикам специальных пластмассовых изделий определяют сложность и техническую трудоемкость процессов их производства, причем каждый вид специального пластмассового изделия имеет свой уникальный производственный процесс и основные технические узлы.

Технология синтеза сырья

Синтез специальных пластиков часто требует точного контроля условий реакции и соотношения исходных материалов. Например, при синтезе ПЭЭК обычно используется реакция нуклеофильного замещения с использованием 4,4'-дифторбензофенона и гидрохинона в качестве основных исходных материалов, а полимеризация проводится в присутствии сильных полярных растворителей и карбонатов щелочных металлов. В ходе реакции такие факторы, как температура, давление, время реакции и чистота исходных материалов, могут существенно влиять на молекулярную массу, молекулярную структуру и свойства полимера. Поэтому требуются высокоточный контроль процесса и современное реакционное оборудование.

Управление процессом агрегации

В процессе полимеризации необходимо строго контролировать скорость реакции, молекулярно-массовое распределение и микроструктуру полимера специальных пластиков. Например, процесс полимеризации ПИ обычно делится на два этапа. Сначала бинарный ангидрид и бинарный амин подвергаются низкотемпературной реакции конденсации в полярном растворителе с образованием преполимера полиамидокислоты. Затем полиамидокислота преобразуется в ПИ посредством термической или химической имидизации. В этом процессе степень и метод имидизации напрямую определяют свойства ПИ, поэтому необходим точный контроль температуры, времени реакции и количества имидизирующего реагента.

Технология обработки давлением

Формование и обработка специальных пластиковых изделий также сталкиваются со множеством сложностей. Высокая температура плавления и вязкость расплава требуют строгих параметров, таких как температура, давление и усилие сдвига, для технологического оборудования. Например, при литье ЖКП под давлением температура впрыска обычно должна достигать 300–350 °C, а температура пресс-формы также должна контролироваться на высоком уровне, чтобы обеспечить полную ориентацию и кристаллизацию молекул ЖКП, обеспечивая тем самым высокие эксплуатационные характеристики продукта. Кроме того, ввиду чрезвычайно высоких требований к точности размеров и качеству поверхности специальных пластиковых изделий, в процессе формования также необходимы передовые технологии проектирования пресс-форм и прецизионные методы обработки, такие как высокоскоростное прецизионное литье под давлением и микроформование.

4. Области применения и типичные случаи

Специальные пластиковые изделия, обладающие превосходными эксплуатационными характеристиками, нашли широкое применение в различных высокотехнологичных производственных областях, став ключевой силой в содействии технологическому прогрессу и модернизации продукции в различных отраслях.

Аэрокосмическая отрасль

В аэрокосмической промышленности применение специальных пластиковых изделий чрезвычайно широко. Например, компоненты системы впрыска топлива авиационных двигателей обычно изготавливаются из материала PEEK, который выдерживает высокие температуры, высокое давление и коррозию топлива, одновременно снижая вес компонентов и повышая топливную экономичность и надежность работы двигателя. В космических аппаратах подложка солнечных панелей спутников часто изготавливается из композитных материалов на основе пиролиза (ПИ). Высокая прочность, низкая плотность и превосходная радиационная стойкость ПИ-материалов обеспечивают длительную стабильную работу солнечных панелей в суровых космических условиях, обеспечивая надежное энергоснабжение спутников.

В области электронной информации

В условиях стремительного развития электронной информационной индустрии требования к эксплуатационным характеристикам материалов растут, и применение специальных пластиковых изделий в этой области становится всё более важным. ЛКП широко используется в производстве антенн и гибких печатных плат для электронных устройств, таких как смартфоны и ноутбуки. Антенны из ЛКП обладают низкой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями, что позволяет эффективно повышать эффективность и качество передачи сигнала, удовлетворяя потребности в высокоскоростной и высокочастотной передаче сигналов в сетях 5G. Гибкие печатные платы из ЛКП обладают хорошей гибкостью и размерной стабильностью, что позволяет добиться миниатюризации и облегчения конструкции электронных устройств.

Область автомобилестроения

В области автомобилестроения применение специальных пластиковых изделий способствует снижению веса и повышению эксплуатационных характеристик автомобилей. Например, впускной коллектор автомобильного двигателя изготовлен из материала ППС, что позволяет снизить вес впускного коллектора на 30–50% по сравнению с традиционными металлическими материалами. Кроме того, ППС позволяет повысить эффективность впуска, снизить энергопотребление двигателя и выбросы. Кроме того, специальные пластики, такие как PEEK и ПИ, постепенно находят применение в элементах интерьера и экстерьера автомобилей. Например, PEEK может использоваться для изготовления регулировочных механизмов и пряжек ремней безопасности автомобильных сидений, что позволяет снизить вес компонентов и улучшить общие эксплуатационные характеристики автомобиля, обеспечивая при этом прочность и безопасность.

Область медицинских приборов

В области медицинских изделий специальные пластиковые изделия стали идеальными материалами для производства высокотехнологичных медицинских изделий благодаря своей превосходной биосовместимости, химической стабильности и механическим свойствам. Например, материал PEEK может использоваться для изготовления искусственных суставов и спинальных имплантатов. Его модуль упругости, аналогичный модулю упругости человеческих костей, позволяет эффективно снижать напряжение между имплантатами и костями, снижать риск их расшатывания и перелома, а также увеличивать срок службы имплантатов и качество жизни пациентов. Кроме того, материалы ПСФ широко используются для изготовления корпусов и диализных мембран диализаторов крови, а их хорошая биосовместимость и устойчивость к химической коррозии обеспечивают безопасность и эффективность процесса диализа крови.

5. Состояние и тенденции развития рынка

В последние годы, в связи с быстрым развитием мировой высокотехнологичной производственной отрасли, рынок специальных пластиковых изделий демонстрирует устойчивую тенденцию к росту. По данным институтов маркетинговых исследований, мировой размер рынка специальных инженерных пластиков вырос с 65,2 млрд юаней в 2018 году до 94 млрд юаней в 2022 году, со совокупным годовым темпом роста 9,58% за этот период; За тот же период размер рынка специальных инженерных пластиков Китая увеличился с 7,2 млрд юаней до 13,5 млрд юаней, со совокупным годовым темпом роста 16,9%. Ожидается, что к 2027 году мировой размер рынка специальных инженерных пластиков достигнет 138,2 млрд юаней, а размер китайского рынка достигнет 21,2 млрд юаней со совокупным годовым темпом роста 9,53%. Темпы роста китайского рынка выше, чем за тот же период в мире.

Мощность и структура спроса и предложения

В настоящее время мировые производственные мощности по производству специальных пластиковых изделий сосредоточены преимущественно в руках нескольких крупных химических предприятий в развитых странах и регионах, таких как Европа, Америка и Япония, таких как Дюпон в США, БАСФ в Германии и Баоли в Японии. Эти предприятия доминируют на рынке высококачественных специальных пластиковых изделий благодаря передовым технологиям и богатому производственному опыту. Однако, в связи с постоянным ростом спроса на специальные пластиковые изделия в азиатских странах, таких как Китай и Южная Корея, а также с развитием местных научно-исследовательских и опытно-конструкторских возможностей предприятий, доля производственных мощностей в азиатском регионе постепенно увеличивается. Что касается спроса и предложения, в связи с постоянным расширением областей применения специальных пластиковых изделий, особенно в таких развивающихся отраслях, как транспорт на новых источниках энергии, связь 5G и аэрокосмическая промышленность, рыночный спрос на специальные пластиковые изделия остается высоким. Тем не менее, по-прежнему наблюдается дефицит поставок некоторых высококачественных изделий, особенно с особыми требованиями к эксплуатационным характеристикам и спецификациям, которые в значительной степени зависят от импорта.

Технологические инновации стимулируют развитие

Технологические инновации являются основной движущей силой развития рынка специальных пластиковых изделий. С одной стороны, крупные предприятия и научно-исследовательские институты постоянно увеличивают инвестиции в исследования и разработки специальных пластиковых материалов. Благодаря молекулярному дизайну, оптимизации процессов синтеза и добавлению функциональных добавок были разработаны новые виды специальных пластиковых изделий с более высокими эксплуатационными характеристиками и более высокой экономической эффективностью. Например, в последние годы был достигнут значительный прогресс в исследованиях и разработках специальных пластиков на основе биоматериалов. Специальные пластиковые изделия, изготовленные из возобновляемых ресурсов, такие как биополиамиды и биополиэфиры, не только обладают свойствами, аналогичными традиционным специальным пластикам на основе нефти, но и эффективно снижают углеродный след продукции, отвечая требованиям устойчивого развития. С другой стороны, с развитием интеллектуальных производственных технологий процесс производства специальных пластиковых изделий постоянно автоматизируется и модернизируется. Внедрение современного производственного оборудования и систем управления позволяет повысить эффективность производства, снизить производственные затраты, а также обеспечить стабильность и постоянство качества продукции.

Расширение применения и перспективы рынка

С непрерывным улучшением характеристик специальных пластиковых изделий и постепенным снижением затрат области их применения будут и дальше расширяться. Что касается развивающихся отраслей, с бурным развитием индустрии новых энергетических транспортных средств применение специальных пластиковых изделий в системах управления аккумуляторными батареями, изоляции двигателей, облегченных конструкциях кузова и других областях будет испытывать взрывной рост; В области связи 5G, с всеобъемлющим покрытием сетей 5G и постоянным обогащением сценариев применения, требования к характеристикам специальных пластиковых изделий в области передачи сигналов, электромагнитного экранирования, рассеивания тепла и других аспектов будут становиться все более высокими, обеспечивая широкое рыночное пространство для специальных пластиковых изделий. Кроме того, специальные пластиковые изделия будут играть все более важную роль в таких областях, как здравоохранение, охрана окружающей среды, национальная оборона и военная промышленность благодаря своим уникальным эксплуатационным преимуществам. Можно предвидеть, что будущие рыночные перспективы для специальных пластиковых изделий будут широкими и станут важной поддерживающей силой для содействия развитию высокотехнологичного производства во всем мире.