Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный лесотехнический университет»

Кафедра технологий целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров

(ТЦБПиПП)

Н.М. Мухин

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА

ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРОВ

Курс лекций для студентов 1 курса (бакалавриат)

Направление: 18.03.01 – Химическая технология

Профили: Технология и переработка полимеров;

(переработанный и дополненный)

Екатеринбург 2014

СПИСОК СОКРАЩЕННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ МАТЕРИАЛОВ

АБС АЦ КС КМФС КФС НК НПС ПА ПАН ПВА ПВС ПВХ ПВХП ПВХЖ ПИ ПК ПММА ПО ПП ПС УПС ППС ПТФЭ ПУ ПФ ПЭ ПЭНП ПЭВП ПЭСД ПЭТФ СКЭП ТЭП ФФС ЭС

привитой сополимер акрилонитрила, стирола с бутадиеновым или бутадиен-стирольным каучуком ацетат целлюлозы (этролы целлюлозы) кремнийорганические смолы карбамидомеламиноформальдегидные смолы карбамидоформальдегидные смолы натуральный каучук ненасыщенные полиэфирные смолы полиамиды полиакрилонитрил поливинилацетат поливиниловый спирт поливинилхлорид поливинилхлорид пластифицированный (пластикат) поливинилхлорид жесткий (винипласт) полиимиды поликарбонат полиметилметакрилат полиолефины полипропилен полистирол полистирол ударопрочный пенополистирол политетрафторэтилен полиуретаны полиформальдегид полиэтилен полиэтилен низкой плотности (высокого давления) полиэтилен высокой плотности (низкого давления) полиэтилен среднего давления полиэтилентерефталат сополимер этилена (40÷70%) и пропилена термоэластопласт фенолоформальдегидные смолы эпоксидные смолы

Основы технологий производства изделий из полимеров

1 Роль полимерных материалов в жизни человека и развитие их производства

Одной из самых характерных особенностей современного этапа развития мировой экономики, промышленности и всей жизнедеятельности человека является более широкое использование новых продуктов и материалов. Многие из них получают на основе химических процессов переработки природных веществ. И на базе этих материалов стало возможно внедрение новых технологических процессов, создание таких отраслей промышленности, как авиационная и ракетно-космическая, радиоэлектроника и развитие в целом научно-технического прогресса.

Проходящая в современный век научно-техническая революция безусловно связана с применением полимерных материалов. Они на современном историческом этапе самостоятельные материалы с разнообразными физико-механическими свойствами и особенностями. Это материалы с большим будущим. Создана возможность получать материалы с нужными свойствами и изделия с минимальными затратами труда и максимально удовлетворять потребности общества. Именно, это обстоятельство является причиной того, что полимерные материалы со времени их появления не имели остановки в развитии их производства во всех странах. Является фактом, что те страны, в которых наиболее быстро развивалось производство полимерных материалов, имели наиболее быстрое экономическое развитие.

Среди конструкционных материалов, применяемых человечеством в своем историческом развитии полимерные материалы самые молодые. История применения керамики и металлов насчитывает несколько тысячелетий, а создание и применение полимерных материалов началось лишь в XIX веке. Началу применения полимерных продуктов послужило открытие в 1839 г. Чарльзом Гудьиром реакции вулканизации натурального каучука (НК), положившей начало резиновой промышленности (1844 г): производство резины, эбонита, гуттаперча (полиизопрен). В 1870 г Дж. Хиатт начал производство нитрата целлюлозы и целлулоида (динитрат целлюлозы, пластифицированный камфорой). В 1910 г был получен белковый (казеиновый) пластик галалит (“молочный камень”) – продукт обработки белка молока (казеина) водным раствором формальдегида (формалином). В первом десятилетии XX века было также начато промышленное производство из диацетата целлюлозы – ацетатного шелка (вискозы) и ацетилцеллюлозных пластиков (этролов). Все перечисленные продукты по современной терминологии являются искусственными материалами, т.к. они получились (и получаются до сих пор) химической обработкой природных полимеров (модификация). Первыми синтетическими полимерными продуктам были материалы, полученные на базе фенолоформальдегидных смол (фенопласты): бакелит американского химика Л. Бакеланда и карболит (“камень из карболки”) русских инженеров-химиков Лисьева, Петрова, Тарасова.. Начало промышленного производства бакелита – 1907 г, а карболита – 1913 г. В 1916 г был пущен первый в России завод пластмасс “Карболит” (г. Орехово-Зуево под Москвой).

Ясно, что даже суммарный выпуск полимерных материалов в первые годы становления промышленности пластмасс был относительно не большим. Заметное увеличение мирового выпуска полимерных материалов произошло в 30-е годы прошлого столетия, когда было начато промышленное производство синтетических полимеров. В повседневной деятельности человека синтетических полимеров и полимерных материалов на их основе теперь играют важную роль. В настоящее время синтезируется большое число полимеров, обладающих огромным разнообразием физических и химических свойств. Статистические данные показывают, что в настоящее время из всех потребляемых в мире материалов на долю синтетических полимерных материалов (СПМ) приходится более 75 % и на долю металлов около 20%. Производство СПМ превышает общий выпуск основных цветных металлов (алюминия, меди, цинка) более, чем в 2,5 раза. В последнее десятилетие около 35 % металлов во многих отраслях народного хозяйства заменено на полимерные материалы. Динамику роста мирового ежегодного производства материалов на полимерной основе (СПМ, синтетические волокна, синтетические каучуки-эластомеры) в сравнении с продукцией металлургии и целлюлозно-бумажной продукции наглядно представляет следующий график (рис. 1). Если в 1900 г было произведено 20 тыс. т полимерных материалов, в 1950 г 1 млн. т, то, начиная с 1960-х г.г. как видно из графика, производство СПМ развивается бурными темпами. Замедление роста в начале 70-х, а затем и начале 80-х связывают с экономическими и энергетическими кризисами в эти периоды в мировой экономике. Фактическая стабилизация и бурный рост производства СПМ происходит с 1985 г. Коэффициент роста еже годного производства составляет: СПМ – 10%, металлов – 3%, ЦБ-продукции – 1%.

Экономические прогнозы производства СПМ, предполагали, что пластмассовый век начнется с 1985 г, когда на душу населения в масштабе всего мира будет произведено полимерных материалов и стали по 25 дм³. Это впоследствии и подтвердилось развитием мировой экономики.

Потребление пластмасс по регионам распределяется неравномерно, к тому же с течением времени меняется география. На рис. 2 показано производство СПМ в мире по странам-производителям в 2000 г. Более 75 % объема производства приходится на США, Западную Европу и Юго-Восточную Азию (без Японии).

По прогнозам специалистов, к 2010 г. эта расстановка сил изменится. Основными потребителями станут жители Юго-Восточной Азии (кроме Японии) – 32,5 %, а на долю Северной Америки и Западной Европы придется уже по 26 и 20,5 % соответственно. Интересно, что при незначительной (в общемировом масштабе) доле потребления полимерных материалов в Восточной Европе, включая Россию, (4 %) именно здесь наблюдаются наиболее быстрые темпы развития этого рынка – 8 % (в сравнении со странами Юго-Восточной Азии – 7,5%). Прогнозируется, что к 2010 г будет потребляться 250 млн. т. пластиков. Причем этот рост будет идти во всех странах, правда, в разном соотношении, как показано на рис. 3.

Рис. 1. Динамический рост мирового производства синтетических полимерных материалов, продукции металлургии и целлюлозно-бумажной продукции

Рис. 3. Прогноз глобального потребления пластмасс

Таблица 1 - Производство СПМ на душу населения в ряде стран (1989)

Государство	Объем выпуска СПМ, тыс. т	Численность населения, млн. чел.	Производство СПМ на душу населения, кг/чел.
США	28500	246,9	115
Япония	11853	122	97
ФРГ	9185	78	118
СССР	4720	286,7	16

Как представлено в таблице 1 даже в докризисный 1989 год бывший СССР занимал 4 место в мире по производству СПМ, но на душу населения отставал от ведущих производителей в 7÷8 раз.

Положение с производством СПМ в России ухудшилось в 90-е годы в период политического и экономического кризисов. В 2000 г. производство СПМ в России составил 2564,9 тыс. т. В настоящее время занимаем 8 место в мире по объему производства СПМ, пропустив вперед такие страны, как Франция, Китай, Италия, Англия. В России уровень потребления СПМ составляет 25÷27 кг/чел. Основная причина в неконкурентноспособности: низкое качество СПМ из-за устаревшей технологии. Основные производственные фонды созданы 35÷40 лет назад и изношены более, чем на 60 %. В ведущих странах существующие в России технологии производства синтетических полимеров давно не применяются. Ситуация с производством полимерных материалов в России существенно стала меняться начиная с 2000 г, когда стали вкладываться инвестиции в модернизацию и расширение существующих производств в Казани, Уфе, Стерлитамаке, Салавате, Омске, Томске, Буденовске, Нефтекамске, Ангарске, Усолье-Сибирском. К 2014 г намечается построить новые крупнотоннажные производства полиэтилена, полипропилена, полистирола в вышеперечисленных городах, а также Тобольске, Новом Уренгое (Западная Сибирь).

Интенсивно развиваются производства по переработке пластмасс, сейчас насчитывается боле 2000 предприятий по переработке полимерных материалов. Отрасль перестает быть отраслью с высокой концентрацией производства. Практически прошел процесс дробления крупных на более мелкие акционерные общества, и создание частных более мелких в хозяйственном отношении фирм.