工程塑料“飛入尋常百姓家”

■ 郭永峰

石化與生活

工程塑料“飛入尋常百姓家”

■ 郭永峰

石化產(chǎn)品種類數(shù)以萬計(jì)，“工程塑料”是其中一個(gè)重要分支，以其堅(jiān)韌的剛度、豐富艷麗的色彩和輕盈多姿的形態(tài)而聞名于世。這些精巧的工程塑料產(chǎn)品，具有“鐵之剛硬”、“銅之精巧”、“瓷之亮麗”，放在古代大抵是“奇技淫巧”之物，會放置在皇宮里以供達(dá)官貴人享用。如今這些工程塑料已進(jìn)入尋常百姓家，成為人們的生活必需品。

何謂工程塑料

工程塑料，其全稱是工程用途塑料，指被用做工程機(jī)器零件或外殼的塑料制品，主要是相對于通用塑料而言。而通用塑料，則是生活用途塑料的別稱，一般用于制成百姓日常生活使用的塑料制品，如塑料臉盆與塑料玩具等。

相對于通用塑料，工程塑料有三大特點(diǎn)，即物理穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

物理穩(wěn)定性能，主要包括材料穩(wěn)定性與電穩(wěn)定性，有高強(qiáng)度與硬度、高耐沖擊性以及良好的耐熱和耐寒性能，一般耐熱達(dá)150℃以上。化學(xué)穩(wěn)定性能包括材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性，即有高耐熱性、高抗老化性、耐磨損及耐疲勞性，熔點(diǎn)較高，熱膨脹系數(shù)較小，以及耐化學(xué)藥品性、電絕緣性、耐燃性。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性即有精確的尺寸加工性能與穩(wěn)定的構(gòu)件組合性能。

工程塑料的用途

說工程塑料飛入尋常百姓家，是因?yàn)樗挠猛臼謴V泛，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：

（1）汽車制造。工程塑料在汽車上的應(yīng)用日益增多，主要用作保險(xiǎn)杠、燃油箱、儀表板、車身板、車門、車燈罩、燃油管、散熱器以及發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件等（圖1）。據(jù)英國國家統(tǒng)計(jì)局(UK's Office for National Statistics)資料顯示，1950年英國生產(chǎn)汽車只有1.6%是非金屬材料，而到2015年，英國生產(chǎn)汽車所使用的非金屬材料，即合成材料已達(dá)到約83%，其中一部分為工程塑料。

圖2 工程塑料在通用機(jī)械與醫(yī)療用具的應(yīng)用

圖1 工程塑料在汽車儀表盤的應(yīng)用

（2）通用機(jī)械產(chǎn)品。工程塑料可用于軸承、齒輪、絲杠螺母、密封件等機(jī)械零件和殼體、蓋板、手輪、手柄、緊固件及管接頭等機(jī)械結(jié)構(gòu)件上（圖2）。這里著重提到石油機(jī)械產(chǎn)品，包括鉆井機(jī)械與采油機(jī)械，其外殼與受力不大的齒輪等聯(lián)接部件，越來越多 地使用工程塑料制造。

（3） 通用電子產(chǎn)品。工程塑料可用于電線電纜包覆、印刷線路板、絕緣薄膜等絕緣材料和電器設(shè)備結(jié)構(gòu)件，以及醫(yī)療用品方面。具體在家用電器上，工程塑料可用于電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)器、電視機(jī)、電風(fēng)扇、吸塵器、電熨斗、微波爐、電飯煲、收音機(jī)、組合音響設(shè)備與照明器具上。

（4）化工工藝設(shè)備。工程塑料可用于熱交換器、化工設(shè)備襯里等化工設(shè)備上和管材及管配件、閥門、泵等化工管路中。

和通用塑料相比，工程塑料在機(jī)械性能、耐久性、耐腐蝕性、耐熱性等方面能達(dá)到更高的要求，而且加工方便，并可替代金屬材料。工程塑料被廣泛應(yīng)用于電子電氣、汽車、建筑、辦公設(shè)備、機(jī)械、航空航天等行業(yè)，“以塑代鋼”、“以塑代木”已成為國際流行趨勢。據(jù)美國塑料行業(yè)學(xué)會（Society of the Plastics Industry）2012年發(fā)布的報(bào)告，美國國內(nèi)塑料工業(yè)，主要是工程塑料業(yè)，已成為美國4大制造業(yè)之一，僅排在汽車、電子與石油煉制業(yè)之后，全國有21000家塑料制造廠商。作為近年國際高新科技成果的“驕子”——3D打印技術(shù)使用的打印噴涂媒介即為工程塑料。所以，業(yè)界所說的“無工程塑料就無3D打印技術(shù)的概念”，反映出工程塑料在現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的獨(dú)特地位。

工程塑料發(fā)展簡史

1931年，美國杜邦（DuPont）公司的卡洛斯(W.H. Carothers)，發(fā)明了“尼龍66”，開創(chuàng)了工程塑料工業(yè)化基礎(chǔ)。

1958年德國拜耳（Bayer）公司開發(fā)了聚酸酯(PC)，作為結(jié)構(gòu)性工業(yè)塑料應(yīng)用于工業(yè)界。聚碳酸酯是具有優(yōu)良綜合性能的透明工程塑料，應(yīng)用廣泛，是發(fā)展最快的工程塑料之一，在工程塑料領(lǐng)域，其產(chǎn)量和消費(fèi)量僅次于聚酰胺而居第二位。

1960年杜邦（DuPont）公司商業(yè)化生產(chǎn)聚甲醛(POM)，由于其高剛性、低摩擦系數(shù)、高硬度與機(jī)械強(qiáng)度，部分場合替代金屬，因此被人稱為“塑料鋼”，目前多用于制作機(jī)械軸承，人造心臟瓣膜等。

1964年美國通用公司（General Electric Company）開發(fā)聚苯醚樹脂并投入了工業(yè)化生產(chǎn)，聚苯醚的熱性質(zhì)與電氣性質(zhì)優(yōu)異。同年杜邦（DuPont）公司成功開發(fā)出聚亞酰胺(PI)為迄今耐熱性最佳的高分子材料。

1970年美國賽拉尼斯（Celanese）公司發(fā)展聚對苯二甲酸丁二酯（PBT），成為五大工程塑料之一。五大工程塑料為聚酰胺類(PA6，PA66)、聚熱塑酯類（PBT，PET）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）和聚甲醛（POM）。

1976年柯達(dá)公司發(fā)表p-羥基安息香酸改性的液晶性聚酯后開啟了液晶聚酯的研發(fā)，在半結(jié)晶與非晶性塑料之外另外有液晶行為的高分子材料，由于其特殊的自我補(bǔ)強(qiáng)、特殊取向行為與耐高溫特性，在航天與電子電器用途用量越來越高。

1980年，英國ICI（(Imperial Chemical Industries）公司成功開發(fā)了熔點(diǎn)高達(dá)336℃的工程塑料聚醚醚酮（PEEK)。PEEK具有卓越的耐熱性、耐輻射性和耐化學(xué)藥品性，并能注射成型。

1985年，開發(fā)成功熱致液晶聚合物是特種工程塑料發(fā)展史上又一重大事件。液晶聚合物耐熱性優(yōu)異，使用溫度可達(dá)200℃以上，具有自增強(qiáng)、高強(qiáng)度、高模量、耐化學(xué)藥品等特性，熔體粘度低，成型方便，在電子工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外工程塑料概況

工程塑料已成為當(dāng)今世界塑料工業(yè)中增長速度最快的領(lǐng)域，其發(fā)展不僅對國家支柱產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)起著支撐作用，同時(shí)也推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

中國是全世界工程塑料需求增長最快的國家。我國工程塑料需求增長最快的年份為2012年，消費(fèi)約750億元（RMB）, 年度同比增長為23.9%。我國工程塑料消費(fèi)量最高年份為2015年，消費(fèi)約940億元（RMB）,417萬噸，年度同比增長為1.5%，這與2012年以來，我國國民經(jīng)濟(jì)增長速度放緩的情形相吻合。但是今后國內(nèi)對工程塑料需求的絕對值穩(wěn)定增長的趨勢沒有變化。以我國家電行業(yè)為例，僅冰箱、冷柜、洗衣機(jī)、空調(diào)及各類小家電產(chǎn)品每年的工程塑料需求量將達(dá)60萬噸左右。而用于通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及鐵路、公路建設(shè)等方面的工程塑料用量則更為驚人，預(yù)計(jì)2017年以后，每年工程塑料的總需求量將達(dá)到450萬噸以上。

圖3 中國工程塑料年產(chǎn)量與增速

而在國際上，據(jù)相關(guān)研究報(bào)告稱，2013年，全球工程塑料市值約為535.8億美元，預(yù)計(jì)到2018年將達(dá)到790.3億美元，復(fù)合年增長率為8%。2014年，亞太地區(qū)占據(jù)了全球工程塑料市場主體，據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年亞太地區(qū)占全球工程塑料市場需求的47.9%市場份額。預(yù)計(jì)2018年亞太地區(qū)將繼續(xù)保持世界最大工程塑料市場的地位，其次為西歐市場，未來5年，其工程塑料市場需求年均增速預(yù)計(jì)為7.8%。

工程塑料是當(dāng)今世界上石油、石化產(chǎn)品的重要下游分支，并且隨著科技發(fā)展，工程塑料在石油、石化產(chǎn)品中的產(chǎn)量與份額會越來越大。發(fā)展工程塑料的重要意義，一是可以引領(lǐng)石油石化產(chǎn)品向高技術(shù)含量、高附加值方面轉(zhuǎn)型，將石油產(chǎn)品制成塑料，比起煉成汽油供汽車產(chǎn)生動力，產(chǎn)值與利潤要高得多（產(chǎn)值大約增大3.4倍，利潤增長約2.6倍），對于我國目前的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型工作有重大意義。二是豐富人民日常生活，促進(jìn)人們的衣食住行向個(gè)性化、便利化和定制化方向發(fā)展。