由于單一樹脂性能存在局限，而人們對材料低成本化、高性能化和性能多樣化等方面的要求越來越高，各種工程塑料改性品種應(yīng)運(yùn)而生。本文分析了工程塑料的改性趨勢以及在汽車、電子、電氣、通訊、交通、航天航空、機(jī)械等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
工程塑料是指一類可以作為工程結(jié)構(gòu)件的塑料，因其具有密度小、比強(qiáng)度高、優(yōu)良的耐磨性和低摩擦系數(shù)、高耐熱性、電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸/堿、可自由著色、易改性、加工性好等明顯優(yōu)勢，在汽車、電子、電氣、通訊、交通、航天航空、機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。
改性可使工程塑料的性能得到明顯改善，另外可以使得一種聚合物基體生產(chǎn)多種不同用途的產(chǎn)品。
工程塑料的改性
由于單一樹脂性能存在局限，而人們對材料低成本化、高性能化和性能多樣化等方面的要求越來越高，各種工程塑料改性品種應(yīng)運(yùn)而生。工程塑料可通過物理、化學(xué)或者物理和化學(xué)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，包括共混（合金化）、共聚（接枝）和填充增強(qiáng)等。改性可使工程塑料的性能得到明顯改善，另外可以使得一種聚合物基體生產(chǎn)多種不同用途的產(chǎn)品，生產(chǎn)操作彈性大，易于實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化和專用化。
工程塑料改性的趨勢在于：
1.通用塑料工程化。熱塑性通用塑料產(chǎn)量大、成本低，為提高力學(xué)性能和耐熱性，可采用增強(qiáng)、填充和合金化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能化，在一定場合替代工程塑料，同時(shí)降低成本。特別是PP復(fù)合材料及合金，由于其高性價(jià)比，已成為汽車領(lǐng)域中用量最大的塑料品種。
2.通用工程塑料高性能化。通用工程塑料通過共聚、共混合金化和復(fù)合材料化，其力學(xué)性能、耐熱性、耐久性等得到較大幅度提高，在一些場合可替代特種工程塑料使用。另外，通過改性，賦予工程塑料磁、電、抗菌等功能性是今后高性能化的重要方向，特別是隨著高性能碳纖維、碳納米管、石墨烯制備工藝的成熟，工程塑料的高性能化、多功能化更加大有可為。
3.特種工程塑料低成本化。由于高昂的市場價(jià)格，特種工程塑料的應(yīng)用往往局限于軍工產(chǎn)品，而只有低成本化后才能實(shí)現(xiàn)在民用產(chǎn)品的規(guī)模推廣，從而擴(kuò)大應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。低成本化的路徑有以下幾種，一是與通用塑料和通用工程塑料共混、合金化，填充、增強(qiáng)等；二是單體來源的低成本路徑；三是大規(guī)模生產(chǎn)。
4.原料、工藝和產(chǎn)品綠色化。隨著全社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，來自可再生資源、綠色工藝制備的工程塑料才是符合大眾預(yù)期的安全產(chǎn)品，可降解、可再生產(chǎn)品的需求越來越迫切。未來的工程塑料不僅可以回收利用，還可以做到原料和工藝的綠色化。
專家們認(rèn)為，未來5年工程塑料發(fā)展的潮流將是高性能化和低成本化。一些具有耐高溫、耐磨、導(dǎo)電、電磁遮罩功能的高性能工程塑料將獲得較快發(fā)展。此外，在工程塑料分子設(shè)計(jì)與制造過程中會(huì)特別注意保護(hù)環(huán)境、重復(fù)利用等理念。
工程塑料應(yīng)用
工程塑料主要應(yīng)用在汽車、電子電氣、機(jī)械、交通運(yùn)輸、建筑、化工、國防軍工等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全球工程塑料需求已經(jīng)達(dá)到2000萬噸，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到2910萬噸。
在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用
工程塑料作為最重要的汽車輕量化材料，在汽車行業(yè)的使用量增長迅速，它能使零部件的品質(zhì)減輕40%左右。汽車每減少100kg自重，每百公里油耗可節(jié)省0.3~0.5升，每公里CO2排放可減少8~11克。此外，汽車零部件塑料化目的還在于提高零部件的功能、簡化制造工藝、提高汽車的舒適性和安全性、降低生產(chǎn)和維護(hù)成本，并賦予更高的設(shè)計(jì)自由度。從應(yīng)用的部件來看，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，隨處可見工程塑料制件的身影。隨著工程塑料硬度、強(qiáng)度、韌性等性能的不斷提高，塑料車窗、車門、骨架乃至全塑汽車隨之出現(xiàn)，汽車塑化進(jìn)程也將進(jìn)一步加快。
在電子電氣中的應(yīng)用
工程塑料制造電子電氣零部件的消耗量占工程塑料總量的30%左右，已用作電子電氣設(shè)備及元器件的殼體材料、包覆材料、基質(zhì)材料、絕緣層材料等，它還將繼續(xù)取代金屬和熱固性塑料，如生產(chǎn)插頭零部件的塑料正從熱固性塑料迅速向熱塑性工程塑料過渡。近年來具有導(dǎo)電、導(dǎo)磁、電磁遮罩等功能的塑料也正在逐步取代一些傳統(tǒng)電子電氣材料。此外，智能手機(jī)和智能手表等時(shí)尚電子產(chǎn)品的井噴式發(fā)展也推動(dòng)了工程塑料在該領(lǐng)域的應(yīng)用。
在建筑中的應(yīng)用
塑料建材具有質(zhì)輕、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，在建筑中具有廣泛的應(yīng)用，主要包括塑料門窗、塑料管道、塑料地板等。目前，中國塑料管材市場年增長率達(dá)15%。門窗方面，除了新建建筑，未來十年對既有建筑門窗改造市場規(guī)模就將超過萬億元人民幣；保溫材料方面，預(yù)計(jì)在未來的3-5年，其在建筑領(lǐng)域應(yīng)用比例將達(dá)到30%-40%，甚至可能達(dá)到50%。節(jié)能減排為塑料建材行業(yè)提供了重大的發(fā)展機(jī)遇。工程塑料在建材行業(yè)的應(yīng)用以PC板材為主，暖房、采光走廊、穹頂、庭院照明、社區(qū)標(biāo)示牌、路標(biāo)、看板、燈箱、電話亭、自動(dòng)售貨機(jī)、開關(guān)面板等均有使用，公路防噪隔板也是PC板材加工而來。更加個(gè)性化與高檔化的電器開關(guān)、開關(guān)面板大量使用工程塑料來制造。在管件方面，隨著塑料管材使用率的提升，尼龍將取代金屬作為主要連接件材料，而鋁合金門窗的隔熱條將會(huì)大量使用PA66。
在機(jī)械工程中的應(yīng)用
工程塑料在機(jī)械工程中的應(yīng)用占總產(chǎn)量的比例一直維持在11-12%左右，主要包括齒輪、軸承、軸承保持架、罩體、滑輪、滑塊、閥門、螺旋槳或風(fēng)機(jī)葉片等。除了輕質(zhì)高強(qiáng)、良好的加工成型性和價(jià)格低廉之外，工程塑料在機(jī)械工程中的廣泛應(yīng)用還得益于良好的耐磨性、自潤滑、吸能降噪等優(yōu)異特性。電動(dòng)工具用工程塑料要求具有良好的阻燃性和電絕緣性，所使用的主要品種中包括PC、增強(qiáng)PC、增強(qiáng)PA6和PA66、以及阻燃增強(qiáng)PP、PBT等，在機(jī)械行業(yè)工程塑料中占比約為50%。
在3D打印材料中的應(yīng)用
塑料3D打印材料相較于金屬更易于制備，對存放環(huán)境要求小，打印溫度低，發(fā)展迅速。有統(tǒng)計(jì)顯示，未來5年全球3D打印材料市場將會(huì)以每年17.9%的速度增長，熱塑性材料的種類也將以年均20%的速度高速增長。ABS、聚乳酸、尼龍、聚碳酸酯等這些熱塑性材料的市場額也將從2013年的6450萬美元增加到2019年的1.926億美元。3D打印材料最大的市場是汽車行業(yè)，在2013年占到了26%。但是3D打印的汽車終端產(chǎn)品的增長率僅為12.3%，低于其它主要領(lǐng)域的增長率。隨PEEK等特種3D打印材料及其設(shè)備的開發(fā)成功，未來醫(yī)療設(shè)備和牙科3D打印工程塑料的產(chǎn)值將會(huì)快速發(fā)展并可能超過汽車行業(yè)。另外，航空航天領(lǐng)域也是3D打印工程塑料的重要應(yīng)用領(lǐng)域，最近佛吉尼亞理工學(xué)院和科學(xué)院研究人員共同開發(fā)了3D打印的超高強(qiáng)度的聚酰亞胺聚合物材料（Kapton），在極端溫度下依然保持很好的性能，可用作隔離飛船和衛(wèi)星等空間飛行器的高溫聚合物材料，這使得飛行器等在空間極端大溫差環(huán)境下仍然正常運(yùn)作。
工程塑料發(fā)展趨勢
工程塑料發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。中國工程塑料正處在高速發(fā)展階段，強(qiáng)勁的國內(nèi)需求為中國工程塑料行業(yè)的發(fā)展提供了難得的機(jī)遇，但我們必須清楚意識(shí)到所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，建議采取有效措施來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)：
(1) 加大工程塑料合成樹脂的開發(fā)力度。中國工程塑料行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐步形成，包括樹脂合成、復(fù)合材料與合金、加工應(yīng)用，具有一定配套能力。中國現(xiàn)有工程塑料樹脂生產(chǎn)企業(yè)或大型化工企業(yè)要通過產(chǎn)學(xué)研合作或者引進(jìn)消化吸收等辦法，有選擇性的重點(diǎn)突破一些品種。
（2）從材料組成、結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、制品設(shè)計(jì)、加工應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈上進(jìn)行自主創(chuàng)新，不斷推出自主開發(fā)的新產(chǎn)品、新加工工藝和新應(yīng)用來參與高端工程塑料市場的競爭。同時(shí)，各企業(yè)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)行業(yè)自律，通過提高品質(zhì)而不是搞惡性競爭的方式來增加本企業(yè)利益，促進(jìn)工程塑料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。
并購正在改變世界工程塑料產(chǎn)業(yè)格局。近年來，并購已成為當(dāng)前世界塑料產(chǎn)業(yè)的潮流，從而對世界工程塑料的產(chǎn)業(yè)格局產(chǎn)生重大影響。業(yè)內(nèi)企業(yè)將專注于產(chǎn)能擴(kuò)張和并購，以挖掘產(chǎn)品應(yīng)用機(jī)會(huì)，包括汽車和運(yùn)輸、電子電氣等。同時(shí)，中國已經(jīng)成為全球工程塑料需求量增長最快的國家。外企紛紛搶占中國市場，拜耳、帝人、寶理、旭化成/杜邦、DSM等跨國公司進(jìn)入合成樹脂領(lǐng)域，建設(shè)PC、POM等生產(chǎn)裝置，擴(kuò)大PA產(chǎn)能，并在復(fù)合材料及合金化中高檔產(chǎn)品領(lǐng)域形成明顯的競爭優(yōu)勢。
材料基因組計(jì)劃將改變工程塑料商業(yè)模式�！安牧匣蚬こ獭敝荚趯ふ液徒⒉牧蠌脑优帕小⒌较嗟男纬�、到顯微組織的形成再到材料性能與使用壽命之間的相互關(guān)系，把成分-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的資料庫與計(jì)算材料設(shè)計(jì)結(jié)合起來，這樣就可以大大加快材料研發(fā)速度、降低材料研發(fā)的成本、提高材料設(shè)計(jì)的成功率。
跟上潮流！工程塑料四大改性趨勢大有可為│工程塑料創(chuàng)新應(yīng)用系列
