ТЕХНОЛОГИИ
Полимеры
в индустриальную эпоху Участники «Интерпластики» ознакомились с базовыми тенденциями в индустрии пластмасс Кристиан Бонтен, д.т.н., профессор Института полимерных технологий Университета Штуттгарта
Н
аиболее заметные тренды в мировой полимерной индустрии — это замена металла, применение проводящих полимеров, защита от подделок, биополимеры и полимеры в окружающей среде. Дефицит полиамида-66 (PA-66) характеризует ситуацию во всех подотраслях, применяющих этот материал. Как обойтись без него, если в промышленности он используется очень активно? Первый способ — заменить полиамид-66 на полиамид-6 (PA-6) или смешивать с PA-66, как бы растворять его. Разрабатывая высокотемпературные применения, мы расширяем спектр возможностей пластмасс, внедряясь в традиционные сферы использования металлов. При этом необходимо отойти от применения высокотоксичных добавок, чтобы увеличить степень защиты потребителя от материала. В частности, по возможности уменьшить долю противопожарных средств и в рамках уменьшения этой доли снизить содержание ядовитых токсичных веществ. Существует новая директива Европейского союза гарантировать защиту 28
от фальсификатов в сфере лекарственных препаратов. Дело в том, что для дозирования лексредств используются полимеры, например, при производстве аэрозольных форм. Производители должны гарантировать, что, начиная с февраля 2019 года, спрей-бутылочки будут защищены от фальсификаций. Далее, то, что в настоящее время нормируется в сфере лекарственных препаратов, вполне возможно, через пару лет распространится и на другие продукты. Вероятно, и владельцы брендов захотят свою полимерную продукцию защитить от фальсификации. Рынок ждет от разработчиков появления проводящих пластмасс. Металлические добавки к полимерам позволяют получить электропроводные решения. Наличие металлических добавок позволяет увеличивать теплопроводность композита, что также является целью для некоторых применений. Совмещение электро- и теплопроводности в одном материале несложно представить. Но существуют случаи, когда требуется только теплопроводность или только электропроводность, и это непростая задача. Еще сложнее,
когда необходимым свойством является магнетизм. Перечисленные задачи являются вопросом ближайшего будущего. Но есть тенденции, которые стали реальностью сегодняшнего дня.
Пластмассы в окружающей среде Во многих странах мира запрещено использование пластиковых пакетов. В других странах действует частичный запрет, ограничительные меры или введены дополнительные платежи. В Германии, как кажется, уже сегодня нет ни одной компании, которая занималась бы изготовлением полимерных пакетов. Исследование, проведенное в Европейском союзе, показало, что 43% полимерных отходов на побережье морей и водоемов состоят из 10 основных веществ. Или, говоря иначе, на 10 (по использованному сырью) видов одноразовой упаковки приходится 43% всех пластиковых отходов, которые загрязняют побережье морей и водоемов. По всей видимости, эти 10 видов пластмассовой продукции будут запрещены. Июль-Август 2019 The Chemical Journal
ТЕХНОЛОГИИ
Биоразралагаемые полимеры Об использовании биоразлагаемых материалов подробно писал майский номер The Chemical Journal за 2019 год. Наиболее ярким явлением стал материал полигидрохсибутерат (PHB), который изготавливается из мелких водорослей. Этот полимер разлагается даже в морской воде. К сожалению, он все еще достаточно жесткий и не поддается растяжению в достаточной мере. Кроме того, период кристаллизации этого
©Basf
Тейп-технология: лента из полиамида и углеродного волокна или стекловолокна поставляется в рулонах, затем превращается в изделия с помощью местной сварки.
©Basf
Вероятно, и российские экспортеры, которые вывозят продукцию по данному списку, попадут под планируемый запрет. Кроме того, в Европе повысили долю пластмассовых изделий, которые должны быть переработаны вторично. Помимо этого, принимаются меры, чтобы в Европе было значительно уменьшено использование пластиковых пакетов. Итак: • До 2030 года 55% пластиковой упаковки должно подвергаться переработке. • К 2019 году государства-участники Евросоюза должны сократить использование пластиковых пакетов до 90 штук на человека в год, а к 2026 — до 40 пакетов. • Дизайн упаковки должен быть разработан с точки зрения долговечности, ремонтопригодности упаковочных изделий и возможности переработки материала, из которого они сделаны. • Государства-участники обязуются следить за морскими отходами и сокращать число собственных отходов. Утверждены меры, которые должны предприниматься для очистки европейских водоемов и морей.
материала пока еще занимает значительное время, но в рамках дальнейших разработок эти недостатки будут элиминированы.
Рециклинг На рис. 1 изображена схема переработки компании Erema. Она является типичной. Сначала ПЭТ-отходы измельчаются шредером. Подготовка включает в себя дегазацию в двухшнековом экструдере в азотной среде, затем подводное гранулирование с посткристаллизацией. Далее идет твердотельная конденсация и восстановление полимерных цепочек в их первоначальной длине. В результате мы получаем ПЭТ-гранулят,
который разрешен в Евросоюзе для производства пищевой упаковки.
Облегченные конструкции Для уменьшения веса деталей отрасль использует термопластичные композитные волокнистые материалы.
Рис. 1. Оборудование компании Erema для переработки ПЭТФ.
The Chemical Journal Июль-Август 2019
29
ТЕХНОЛОГИИ
Ни один архетектурный проект не обходится сейчас без 3-d моделей и это дает мощный стимул индустрии 3-d печати.
Первой отраслью, которая 25 лет назад переключилась на композитные материалы, стало автомобилестроение. Три направления в решении задачи уменьшения веса являются ключевыми: ленты /тейпы для сравнительно небольших нагрузок; органо-листы для средних нагрузок; пултрудаты, рассчитанные на особо высокие нагрузки. Ленты. Сначала углеродное волокно плавится в плавильной ванне. Затем пропитывается, и на выходе получается плоская лента. Волокно комбинируется с высоко наполняемым полиамидом 30
и перерабатывается литьем под давле- вязкостью, пропитка осуществляется нием. В результате получается продукт, в полном масштабе и легко. При этом который содержит только полиамид используются активаторы и катализатои волокно, без металла. ры, то есть в процесс включается химия. На дальнейшую переработку лента Предпродукт, а именно мономер попоступает в рулонах, затем с помощью лиамида, инфильтруется с помощью роботов производится местная сварка. волокон, и по прошествии двух-трех Это — так называемая тейп-технология. метров внутри установки мы получаем Органо-лист. Это, как правило, лист отличный полиамид с великолепной из полиамида, усиленный углеродным пропиткой волокон. или стеклянным волокном. ОрганоВ плавильной ванне такого эффекта лист помещается в печь и размягчается, добиться не удастся, потому что содерпотом подается в аппарат для литья под жимое ванны слишком вязкое и текучее. давлением, после чего в него добавляетДетали, получаемые в процессе пулся органическое волокно или стеклово- трузии, очень легкие и в то же время локно. Потом лист затвердевает и при- прочные, жесткие. Аналогичное издеобретает необходимую жесткость. лие из металла имело бы вес в нескольЧтобы замещающая полимерная де- ко раз больше. таль не только демонстрировала неПултрузионную деталь можно переобходимые потребительские свойства, плавить под давлением. но была экономичной, производители Вот какие тенденции мы наблюдаем: стараются уменьшить время нахожде• Дальнейшее наращивание доли ния детали в печи, а также уменьшить композитных волокон в качестве расход энергии в печи. легких строительных решений Когда сырье поступает к роботу, оно в автомобилестроении и авиации. уже находится в нагретом состоянии. • Использование продукции на осТак, углеродное волокно проводит тепнове термопластов и, по возможло и энергопроводно. При подаче равности, без металлических вкладок. номерного тока деталь, весь органо-лист, • Применение локально наносимых равномерно нагревается за 6 секунд. волокнистых пленок для малоакПултрудаты in-situ. Пултрузия (противных деталей. Нанесение пленки тяжка) — технология изготовления может контролироваться в потоке. высоконаполненных волокном ком• Использование органо-листов позиционных деталей с постоянной подля деталей, испытывающих поперечной структурой. вышенные нагрузки. При наВ данном процессе волокна вместе греве за счет экономии энергии с эпоксидными смолами проводятся чеможно сократить и удешевить рез нагревательную ванну. Из-за того, процесс, исключив два произчто эпоксидные смолы обладают низкой водственных этапа. Июль-Август 2019 The Chemical Journal
ТЕХНОЛОГИИ
Сто тысяч пар обуви Adidas было изготовлено клит-методом (отверждение ультрафиолетом) в 2018 году.
Материалы для защиты от подделок планируется широко использовать при производстве различных изделий из полимеров. 3d-печать полностью освоила изготовление прототипов, например в архитектуре. Теперь эта технология завоевывает рынок комплектующих и запчастей.
Органо-лист разогревается, подается в аппарат для литья под давлением, затем в него добавляется волокно. Готовое изделие по жесткости сравнимо с металлическим. Композитные материалы, заменяющие металлы, состоят из трех элементов: армирующий наполнитель из углеродного или стекловолокна; матрица — связующее из смолы; добавки, которые улучшают свойства связующего.
The Chemical Journal Июль-Август 2019
31
ТЕХНОЛОГИИ
Доля аэрозольных форм доставки лекарств на фармрынке стремительно растет, и новая директива Европейского союза требует гарантировать защиту от фальсификатов в сфере лекарственных препаратов, в частности в области дозирования.
• Применение термопластов, по- Еще одна новинка на рынке 3d — это селученных на основе пултрузии, лективное спекание или позиционнодля замены металла: изделия зависимая тепловая нагрузка на основас максимальным наполнени- нии лазера. Весь полиамидный гранулят ем в виде микрофильтрованных сильно нагревается в процессе. Часть вставок в литых деталях. продукта используется для изготовления деталей и узлов. А другая часть достигаАддитивное производство ет необходимой температуры, но не используется, и дорогой материал (около 3d-печать уже состоялась как отрасль, 60 евро за 1 кг) оказывается не пригоден в которой происходит изготовление для дальнейшего использования. прототипов. Сейчас данное направлеПроизводители прототипов исние распространяется на запчасти. пользуют старый порошок, добавляя Одна из возможностей, которая его в новый состав, с целью экономии в ближайшей перспективе будет ши- средств. Наш институт разработал техроко использоваться, это индивидуа- нологию обновления старого порошка лизация. На детали интерьера машины, до такой степени, что он может исполькоторую вы приобретаете в заводской зоваться, как если бы это был новый комлектации, будет нанесено слово порошок с соответствующими свой«Москва», имя друга или подруги, и эту ствами. И это позволяет достичь значидеталь вы сможете с легкостью заме- тельной экономии. нить по мере необходимости. Новый так называемый клит-метод Индустрия 4.0 позволяет проводить отверждение полимера под воздействием ультрафио- Четвертая промышленная революция летового излучения. Система работа- ворвалась в полимерную индустрию. Искусственный интеллект в переет как с эпоксидными смолами, так работке пластмасс позволит машинам и с весьма мягким полиуретаном. Э т о т ме т од по зв о л яе т уско - передавать друг другу данные и вырарить вып уск и сни жает эффек т батывать решения, которые позволят оптимизировать работу предприятия. многоступенчатости. Например, литьевая машина смоСто тысяч пар обуви Adidas было изжет передавать данные на сушильную готовлено этим методом в 2018 году. Еще на 10% ускорить процесс позво- установку, для промышленного робота, лил метод печати с использованием по- на логистическое оборудование, тележлиамида-12, разработанный Hewlett- ки и так далее. С помощью облачных технологий Packard, который активно использует и цифровых каналов доступа поставсегодня концерн BMW. Надо понимать, что любые методы щики сырья смогут посмотреть, как вена основе 3d — медленнее литья под дет себя сырье на конкретной машине давлением, и аддитивное производство и смогут подготовить сырье для целей окупается только для небольших се- конкретного потребителя. При этом сурий, а также для производства моделей ществующие программы защиты смогут обеспечить надежность данных. и прототипов. 32
Аналогичную задачу решают машиностроители. И, наконец, появится возможность продемонстрировать производствен-| ный процесс покупателю, что может стать важной причиной для принятия решения о покупке. Когда мы говорим о цифровизации промышленного предприятия, то называем его Smart Production — умное производство. А если добавляем логистику и товаропотоки, то это уже умный завод — Smart Factory. Содержание этих понятий несколько различается. Разработчики Института полимерных технологий Университета Штуттгарта создали Euromap — карту, которая позволила объединить в Европейском союзе большое число производителей машин и оборудования. Разработанный протокол, или интерфейс, обеспечивает эффективное сотрудничество между станком и периферией. Итак: • Не происходит никаких квантовых скачков за счет новых материалов. Улучшения производятся в деталях. • Облегченные конструкции с термопластами на основе композитов с полимерным волокном в качестве замены металлов все чаще реализуются на основе лент, органо-листов и пултрудатов. • Аддитивное производство постепенно становится дополнением к серийному производству. • Индустрия пластмасс 4.0 позволяет еще больше повысить уровень автоматизации, загрузки оборудования и улучшить качество продукции. Доклад был прочитан на выставке «Интерпластика-2019». Июль-Август 2019 The Chemical Journal