Индустрия пластиков. Структура индустрии пластиков

Основными секторами индустрии являются поставщики полимеров, производители машинной техники, разработчики технологий переработки с одной стороны и рынками, принимающими конечный продукт с другой.

Исходные материалы. С незначительными исключениями пластики производят из сырой нефти или натурального газа через серию химических процессов. Это сырье считается нефтехимическими продуктами (химическими продуктами, произведенными из нефтепродуктов или эквивалентов нефтепродуктов) и, таким образом, их основа является углеводородной. Однако, они представляют собой только небольшую часть всего производства, связанного с нефтью и природным газом, примерно от 1, 5 до 2 %. Все вместе взятые нефтехимические продукты –- а к ним, кроме пластиков, относится много других материалов –- занимают всего около 6 % от общего производства связанного с использованием нефти и газа. Специфическим сырьем, требуемым для создания различных пластиков, являются метан, этилен, пропилен, бензол, ацетилен, нафтален, толуол и ксилол. Во время эмбарго на арабскую нефть 1973--1974 годов и снова в начале Ирано-Иракской войны 1979 года, появились опасения, что поступление сырья сократится. Однако с тех пор стало очевидно, что в обозримом будущем сырья предостаточно. Из карты современного расположения источников сырья очевидно, что искусственно или политически вызванная нехватка сырья маловероятна.

Сектор снабжения полимерами. Несмотря на то, что сырье находится в мономерной форме, оно подвергается реакциям с превращением в другие мономеры. Затем полимеризуют мономеры в полимеры, которые являются основным сырьем для пластиков. Мономеры этилена превращаются в полиэтилен, мономеры стирола в полистирол, мономеры винил хлорида становятся поливинилхлоридом, и.т.д. Все эти соединения являются термопластиками. Определенные классы пластиков (термоотверждающиеся полимеры) производятся немного другим путем (полиприсоединение) при реагировании двух различных химических веществ на конечной стадии обработки, например мочевина плюс меламин.

Полимер поступает в виде гранул, порошков или таблеток различного размера. Его часто модифицируют с помощью добавок, которые придают огнестойкость, скользящую способность, защиту от ультрафиолетовых лучей, ударную вязкость и множество других рабочих характеристик. Некоторые пластики требуют различных добавок для того, чтобы стать технологичными. Модифицированные полимеры называются полимерными соединениями.

Сейчас в коммерческом плане имеется примерно 60 основных, отличающихся друг от друга полимеров. Благодаря присоединению химических веществ, добавок, наполнителей и упрочнителей, это число разрастается до тысяч, из которых могут делать выбор современные разработчики: они могут выбирать прозрачные или матовые материалы, или что-то промежуточное между ними; тонущие и не тонущие в воде; пластики могут быть достаточно стойкими, чтобы противостоять серной кислоте или достаточно хрупкими, чтобы растворяться в воде; полимеры могут быть гибкими или твердыми; они могут быть эластичными как резина или жесткими, как стекло. Короче говоря, пластики поступают практически с любым сочетанием свойств; некоторые соединения настолько точно подобраны, что используются для единственного вида применения. При этом возможны самые различные сочетания и изменения.Благодаря введению новых технологий переработки с использованием газовыделяющих агентов или газов в чистом виде (например, пропана и бутана) эти полимеры и соединения могут превращаться в ячеистые продукты (пены, губки), которые придают совершенно новые свойства получаемым конечным продуктам. Эти пены различны –- от мягкости пуховой подушки до твердости и жесткости древесины.

Типы полимеров. Пластиковые материалы подразделяются на две большие группы: термопласты и реактопласты. Термопласты дают конечные продукты, которые могут быть вновь расплавлены, а затем сформованы в другие продуты несколько раз без заметного изменения свойств подобно кубикам льда, которые могут быть расплавлены и заморожены в вид круглых форм, затем снова расплавлены и заморожены в виде прямоугольных форм. Реактопласты дают продукты, которые после первого придания формы не могут быть расплавлены подобно тому, как тесто, запеченное в пирожное, не может снова стать тестом, или подобно тому, как яйцо, сваренное вкрутую, не может снова стать сырым.

Это разделение не слишком четкое. Некоторые материалы выступают в обеих формах (один из них –- полиуретан), некоторые из них больше относятся к одной группе, а затем переходят в другую (например, перекрестно-сшитый ПЭ), а в некоторых соединениях две формы смешаны (например, низкопрофильные полиэфиры). Но все-таки, такое разделение полезно.

Термопласты, в свою очередь, подразделяются на материалы для потребительских товаров и технические материалы. И снова, такое разделение не абсолютное, потому что некоторые полимеры попадают в обе группы (например, АБС), тем более, что такое определение не может четко отделить одни термопласты от других. Но такое разделение используется в обычной жизни, и оно полезно. К пластикам для предметов потребления относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол., поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и некоторые АБС-пластики. К техническим полимерам больше относятся ацетаты, нейлоны, поликарбонаты и еще несколько видов, а также некоторые АБС. В общем, технические термопласты обладают лучшими физическими свойствами (термостойкостью, ударной вязкостью, модулями упругости, и.т.д.), но даже если приблизительно подсчитать их стоимость за фунт, она будет по крайней мере в два раза выше, чем у потребительских сортов.

В широком смысле слова, потребительские пластики находят применение там, где такие свойства, как формоустойчивость, жесткость, термостойкость и ударная вязкость не являются главными требованиями для конечного продукта. Это не делает их материалами с худшими качествами. У них есть характерные свойства (одно из них –- цена), которыми не обладают технические полимеры. Просто их свойства определяют их рынок. Покрытия для пола обычно делают из винилов; бутылки для моющих средств и отбеливателей обычно производят из полиэтилена высокой плотности, бутылки для напитков с углекислотой –- из полиэтилентерефталата, мешки для хлеба –- это обычно полиэтилен низкой плотности; задняя сторона телевизоров обычно сделана из полипропилена, картонки для яиц обычно являются полистирольной пеной и так далее. Все эти задачи потребительские пластики выполняют замечательно.

Технические термопласты находят рынки там, где требования к продуктам включают в себя жесткий допуск, высокую степень жаростойкости и другие важные физические свойства. Технические полимеры идут на корпуса телефонов, детали кинокамер (включая линзы), автоматические части под капотом автомобиля, компьютеры и другие электронные комплекты, кассеты видеомагнитофонов, механические шестерни всех сортов и для многих других целей.

Поставщики основных полимеров подразделяются соответственно тем же самым потребительско/техническим группам, хотя это разделение тоже не абсолютно. Согласно этому, потребительские полимеры обычно поставляются компаниями, которые классифицируются как нефтяные компании; технические термопластики обычно производят так называемые химические компании.

Из 16 компаний, занимающиеся полипропиленом низкой плотности в 1965 году, к 1989 году в США остались только три: «Доу Кемикал», «Дюпон» и «Истмен». Подобные списки, хотя и менее драматические, можно составить для остальных потребительских полимеров, поточное производство всех их было организовано между 1937 и 1957 годами, как например:

Полимер	Год
ПВХ	1937
Полистирол	1938
Полиэтилен низкой плотности	1942
Полиэтилен высокой плотности	1957
Полипропилен	1957

С 1957 года, единственным новым полимером в ряду этих пяти полимеров стал полиэтилентерефталат, который захватил большую часть бизнеса, связанного с производством бутылок для газированных напитков. Хотя новые полимеры все еще открываются , такие введения на рынок становятся все менее частыми, а их тоннаж на несколько порядков ниже, чем объем термопластов, перечисленных выше. Однако нововведение материалов не прекращается. Наступление действительно новых полимеров заменяется появлением спектров материалов с новыми свойствами, разработанными благодаря модификации прежних полимеров с помощью сплавления, смешивания, комбинирования и новых полимерных технологий, предлагающих признанные полимеры, но с новым набором свойств. Одной из наиболее значительных разработок в индустрии пластиков за последние годы стало введение технологий производства полиэтилена низкой плотности с помощью полимеризации низкого давления. Линейный полиэтилен низкой плотности –- это все еще ПЭ низкой плотности, но он обладает несколькими новыми полезными свойствами, одним из которых является «сниженная измеримость», которая способствует тому, что материал прессуется в пленки значительно меньшей толщины без потери технических характеристик. Другие достижения полимеризационных технологий влияют на большую часть других потребительских пластиков.

Самый высокий уровень активности наблюдается в так называемой области комбинирования. Там поставщик полимеров с огромными капитальными вложениями больше не является господствующей силой. Многие меньшие компании специализируются на комбинировании. Некоторые разрабатывают патентованные формулы, которые эквивалентны основным полимерам; другие занимаются комбинированием на традиционной основе. При этом даже некоторые из крупных поставщиков полимеров стали следовать этой тенденции производства менее масштабных комбинированных соединений.

География новых поставок. В мире существует много богатых нефтью регионов, где были построены новые нефтехимические комплексы, или где они могут быть построены. Они входят в ОПЕК (Организация стран-экспортеров нефти) стран Ближнего Востока. Канады, Мексики и Аляски. Канада уже стала важным источником пластиков для Соединенных Штатов и других стран. ОПЕК становится всемирной силой, причем некоторые из ее заводов работают в сотрудничестве с компаниями-поставщиками США. Можно ожидать, что Мексика и Аляска станут важными действующими силами в ближайшие годы.

Важность такого строительства в том, что низкая стоимость базового сырья в этих богатых нефтью регионах придаст им конкурентное преимущество над традиционными поставщиками полиолефинов и других полимеров. Это конкурентное преимущество достаточно велико, чтобы позволить поставлять полимеры практически в любое место в мире по ценам, которые могут оказаться ниже местных расценок, и все это несмотря на то, что в эти цены будут включены значительные транспортные расходы. Обозреватели стремятся не принимать в расчет влияние полимеров, производимых в Саудовском регионе, которые поставляются в США, но они могут легко нарисовать картину того, как такие полимеры отправляются на прежние и нынешние важные экспортные рынки США.

Способность производить полиолефиновые полимеры практически в любом месте мира с помощью последних технологий и на низкозатратной основе поставок позволит нескольким странам занять важную позицию во всемирной индустрии пластиков. Совершенно очевидно, что на Соединенные Штаты это окажет определенное влияние.

Сектор оборудования. Ни один материал не может преуспевать, если нет практических способов обрабатывать его. Самым первым способом для пластиков (нитрата целлюлозы) было производство «заготовок» (слагов) с помощью компрессионного формования (прессования) примитивного вида; затем эти заготовки преобразовывались в конечные продукты. Усовершенствованная технология прессования появилась после изобретения фенольных смол.

Однако начало индустрии машинного оборудования для пластиков относится к введению машины инжекционного (литьевого) формования в 1920 годах. Литьевое формование сделало возможным высокоскоростное производство пластиков, которое, в свою очередь, обеспечило то, что экономичное и высокотояное производство ускорило рост потребления пластиков.

С этих давних дней множество процессов обработки пластиков получили широкое распространение. На сегодняшний день мы можем идентифицировать по меньшей мере 15 различных типов, включая литьевое формование, экструзионное формование, выдувное формование, термоформование, прессование, литье, центробежное формование, каландрирование, нитевое наматывание, штамповку… и много других. Это огромный бизнес, стоимость поставки в долларах в Соединенных Штатах за 1987 год дана в Таблице 2.

Таблица 2. Продажи машиной техники в долларах, 1987 год

Тип оборудования	Продажи, миллион $
	1986	1987	Экспорт	Импорт	Всего
Инжекционное (литьевое формование)	480,0	257,1	–	230,5	487,6
Структурная пена	4,4	3,9	–	0,5	4,4
Экструзия одновинтовая	166,0	112,5	–	53,0	165,5
Экструзия многовинтовая	22,0	15,6	–		23,8
Выдувное формование	100,0	70,0	–	8.2	100,0
Термоформование	63,0	60,0	–	30,0	70,0
Реактивное литьевое прессование	10,5	6,8	–	10,0	11,5
Прессование	16,5	16.2	–	4,7	17.4
Реактопластное/литьевое формование	6,2	7.1	–	1,2	7,1
Формование шариков с изменяющейся во времени формой	9,0	0,5	–	9,5	10,0
Высокоинтенсивные смесители	2,5	2,5	–		2,5
Всего	880.1	552.2	-	347,6	898,8

В последние годы машинная техника для производства пластиков становится все более эффективной. Самая новая модель обладает приблизительно в два раза большей производительностью, чем ее предшественница пятилетней давности. Машинная техника становится все более разнообразной. Например, литьевые машины превратились в машины для многокомпонентного литья, которые могут обрабатывать более одного материала в одном и том же цикле. Таким образом, вы можете получить двухцветную чашку за один прием. Или же вы можете работать с некондиционным материалом или вторичным материалом, используя его как сердцевину «сандвича» с качественными внешними покрытиями.

В области экструзии, технология штампования сейчас позволяет выполнять экструзии 3-, 5- 7-слойных структур (или более) за одну операцию. Это дает возможность получать пленки, листы, бутылки и другие со-экструдаты, которые могут использовать субстраты низкой стоимости для экономичного производства высокоэффективных пленок, что позволяет использовать не утвержденные или не совсем стандартные материалы, обворачивая их сверху в виде конверта утвержденными пленками для применений, связанных с контактом с пищевыми продуктами.

Все эти усовершенствования захватывающи. Но вот что, возможно, является более важным, –- это появление модернизированного контроля для процессов, связанных с пластиками. Это неизбежно ведет к наступлению времени полностью автоматизированных производств. По своей природе пластики являются материалом, который должен быть нагрет до температуры, при которой ему можно придать форму, а затем охлажден до температуры, при которой он может сохранять свою форму. Это кажется достаточно простым, но так как машины для обработки пластиков придуманы достаточно давно, на самом деле все не так. Пластики в нагретом или расплавленном состоянии не ведут себя подобно традиционным материалам, и один пластик ведет себя отлично от другого.

В начале появления пластиков существовала группа операторов, которые, казалось, понимали тайны пластиковых процессов и практиковали что-то вроде «черной магии» тайны которой они крепко хранили. В настоящее время обработка пластиков стала больше похожа на науку. Это стало возможным благодаря введению микропроцессорных контроллеров с обратной связью, которые поддерживают условия работы машины в пределах ограничений допусков, что необходимо для того, чтобы постоянно производить хорошие изделия. Применение компьютеров, микроэлектроники и видеоэкранов сделало возможным полностью автоматизированную, без постоянного обслуживающего персонала, работу многих машин по обработке пластиков. Технология стала настолько усовершенствованной, что весь обрабатывающий завод может работать под контролем компьютера (по заданному списку через составление плана, обработку и выписку счет-фактур). У полной автоматизации явно есть преимущества. Но постоянным козырем контрольных систем является то, что сейчас может быть гарантировано качество продукции (так называемая бездефектная продукция). Это в свою очередь отметает понятие о том, что пластики являются худшими материалами по сравнению с другими, и что им нельзя доверять работу в течение длительного срока. Но раз это устойчивое предубеждение побеждено, и мы можем ожидать нового значительного проникновения пластиков на рынок и постоянный рост их производства.

Это производство является захватывающим благодаря электронике, компьютерам и работе без обслуживающего персонала, на большей части которого проявляется внимание к самым эффективным условиям обработки. Вакуумные насосы для экструдеров, клапаны патронного типа для инжекционных машин, барабаны с отверстиями для гигроскопичного материала, роботы для удаления деталей, дробильные машины для вторичной переработки внутри завода, смесители, миксеры, вибробункерные загрузочные устройства, заменители экранов, системы наматывания, целый ряд вспомогательного оборудования –- все это является важным для функционирования обрабатывающего завода. При этом мы не можем забывать о важности форм и штампов. Они придают пластиковому продукту его конечную форму, и в течение многих лет такое производство находилось в руках высококвалифицированных слесарей-инструментальщиков, которые делали много ручной, требующей опыта и терпения работы.

Но сейчас, с начала 1980 годов, CAD/CAM вышел на сцену. CAD/CAM –- это акроним для автоматизированного проектирования и изготовления с помощью компьютерных технологий. Он предлагает обработчикам возможность получения инструментов лучшего качества и большей производительности. CAD/CAM позволяет разработчику делать чертежи на экране, быстро видоизменять их по необходимости или изменять детали конструкции, и все это без тщательных чертежей тушью, требующих много времени. При использовании имеющегося программного обеспечения опытный дизайнер может расположить отверстие в форме для литья таким образом, чтобы обеспечить формование без деформаций, точно указать оптимальные расположения полостей. Другие программы помогают расположить каналы для охлаждения наиболее эффективным способом и гарантировать правильные размеры. Затем литьевая форма в виде компьютерной модели быть испатана, чтобы увидеть, будет ли она работать необходимым образом. Конечная разработка сохраняется в виде файлов, котрые могут далее использоваться для изготовления деталей форм на станках с ЧПУ( CNC ). Экономия времени и улучшения качества очевидны; нехватка слесарей-инструментальщиков высокой квалификации больше не представляет риска.