Výrobky z technických plastov: Vysokoúčinné materiálové riešenia pre priemyselnú výrobu

Výrobky z technických plastov: Vysokoúčinné materiálové riešenia pre priemyselnú výrobu

Výrobky z technických plastov sú rôzne konštrukčné a funkčné komponenty vyrobené z polymérnych materiálov s vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami, tepelnou odolnosťou a chemickou odolnosťou, ktoré sa dosahujú presným lisovaním. Široko sa používajú v oblastiach špičkovej výroby, ako sú automobily, elektronika a letecký priemysel. V porovnaní s bežnými plastmi si výrobky z technických plastov dokážu dlhodobo udržiavať stabilný výkon v náročných prostrediach, ako sú vysoké teploty, vysoké tlaky a chemická korózia, a sú základnými materiálmi na dosiahnutie nízkej hmotnosti zariadení, funkčnej integrácie a presnosti výroby. S pokrokom v technológii modifikácie materiálov a lisovacích procesoch výrobky z technických plastov postupne nahrádzajú tradičné materiály, ako sú kovy a keramika, čím podporujú modernizáciu priemyselnej výroby smerom k vysokej účinnosti, úspore energie a ochrane životného prostredia.

1. Základné charakteristiky a technické ukazovatele výrobkov z technických plastov

Charakteristické vlastnosti technických plastových výrobkov sa odrážajú v ich schopnosti prekročiť výkonnostné hranice všeobecných plastov, splniť prísne požiadavky, ako je nosnosť konštrukcie, odolnosť voči prostrediu a presné uloženie, pričom základné technické ukazovatele predstavujú kľúčový prah pre použitie produktu.

Priemyselné štandardy pre mechanické vlastnosti

Mechanické vlastnosti technických plastových výrobkov sú výrazne lepšie ako u bežných plastov, s pevnosťou v ťahu sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 60 – 150 MPa (bežné plasty majú väčšinou 20 – 50 MPa) a modulom ohybu dosahujúcim 2 000 – 10 000 MPa, čo umožňuje odolávať dlhodobému statickému zaťaženiu alebo dynamickému únavovému namáhaniu. Napríklad držiak motora automobilu má výrobok vyrobený z PA66 vystuženého sklenenými vláknami pevnosť v ťahu 120 MPa a únavovú životnosť viac ako 10 cyklov, čím úplne nahrádza tradičné liatinové diely.

Rázová húževnatosť je významnou výhodou technických plastových výrobkov, pričom vrubová húževnatosť sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 20 – 100 kJ/m². Niektoré ultra húževnaté varianty (ako napríklad zliatiny PC/ABS) môžu dosiahnuť 50 – 80 kJ/m² a stále si dokážu udržať hodnotu rázovej húževnatosti viac ako 70 % pri teplote -40 ℃, čo je oveľa lepšie ako nízkoteplotná krehkosť kovov. Táto vlastnosť ho robí nenahraditeľným v nárazuvzdorných komponentoch, ako sú nárazníky automobilov a kryty elektronických zariadení.

Tepelná odolnosť a prispôsobivosť prostrediu

Teplota nepretržitého používania technických plastových výrobkov sa vo všeobecnosti pohybuje medzi 100 – 250 ℃, čo je oveľa viac ako 60 – 80 ℃ bežných plastov: PA66 dokáže dlhodobo pracovať pri 120 ℃, PBT môže dosiahnuť 140 ℃ a PEEK až 260 ℃. Teplota tepelnej deformácie (HDT, 1,82 MPa) je kľúčovým ukazovateľom a HDT vystužených a modifikovaných technických plastov je väčšinou nad 150 ℃. Napríklad HDT PBT vystuženého sklenenými vláknami môže dosiahnuť 210 ℃, čo spĺňa požiadavky na vysoké teploty prostredia v motorových priestoroch automobilov.

Chemická odolnosť voči korózii je základnou schopnosťou technických plastových výrobkov prispôsobiť sa zložitým pracovným podmienkam: PTFE (polytetrafluóretylén) je inertný voči takmer všetkým chemickým činidlám a možno ho použiť na výrobu potrubí na prepravu vysoko korozívnych médií; PPS (polyfenylénsulfid) je odolný voči kyselinám, zásadám a organickým rozpúšťadlám, vhodný pre komponenty chemických zariadení; PA6 má vynikajúcu odolnosť voči olejom a je ideálnym materiálom pre prevodovky.

Rozmerová stabilita a presná tvárnosť

Miera zmršťovania pri vstrebávaní technických plastových výrobkov je nízka (0,2 % – 0,8 %), koeficient lineárnej rozťažnosti je malý (2 – 8 × 10⁻⁵/℃) a kolísanie veľkosti pri zmenách teploty a vlhkosti je malé. Napríklad rozmerová tolerancia výrobkov z LCP (tekutokryštálového polyméru) sa dá regulovať v rozmedzí ± 0,005 mm, čo spĺňa požiadavky na presnú montáž 5G antén; POM (polyoxymetylén) má koeficient trenia nízky až 0,04, vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu a presnosť prevodového stupňa, ktorý je z neho vyrobený, dosahuje úroveň ISO 5.

2. Kategórie bežných technických plastových výrobkov a rozdiely vo výkone

Výrobky z technických plastov možno rozdeliť do dvoch kategórií na základe surovín: všeobecné technické plasty a špeciálne technické plasty. Prvé sú zastúpené PA, PC, POM, PBT, PPO, zatiaľ čo druhé zahŕňajú PEEK, PPS, PI, LCP atď., pričom každý z nich tvorí diferencovanú oblasť použitia.

Výrobky z plastov pre všeobecné strojárstvo

Polyamid (PA, Nylon): Najbežnejšie používané varianty sú PA6 a PA66. PA66 má pevnosť v ťahu 80 – 90 MPa a pevnosť v ťahu (HDT) 70 – 80 ℃. Po vystužení 30 % sklenenými vláknami sa pevnosť v ťahu zvýši na 150 MPa a HDT dosiahne 250 ℃. Výrobky z PA majú vynikajúcu odolnosť voči olejom a samomazacie vlastnosti a široko sa používajú v automobilových ropovodoch, prevodovkách a elektronických konektoroch. Celosvetová ročná spotreba presahuje 3 milióny ton.

Polykarbonát (PC): Priepustnosť svetla 89 % – 90 %, rázová húževnatosť 60 – 80 kJ/m², teplota rozptylu svetla (HDT) 130 – 140 ℃ je štandardom pre transparentné technické plasty. PC produkty, ako sú svetlomety automobilov, detské fľaše a nepriestrelné sklo, sú transparentné aj odolné voči nárazu, ale majú nízku chemickú odolnosť a ľahko ich korodujú organické rozpúšťadlá.

Polyoxymetylén (POM): s kryštalinitou až 75 % – 85 %, pevnosťou v ťahu 60 – 70 MPa, koeficientom trenia 0,04 – 0,06 a vynikajúcou odolnosťou proti únave (s mierou zachovania pevnosti 70 % po 10 cykloch). Produkty z POM, ako sú ozubené kolesá, ložiská a zipsy, sú preferovanými materiálmi pre mechanické prevodové komponenty, bežne známe ako d"Saigangddhhh.

Polybutyléntereftalát (PBT): vynikajúca elektrická izolácia (objemový odpor 10 ¹⁴Ω· cm), HDT 210 – 220 ℃ (vylepšená trieda), vhodný na výrobu elektronických a elektrických súčiastok. Produkty z PBT, ako sú konektory, rámy cievok a spínače, predstavujú viac ako 20 % spotreby technických plastov v elektronickom odvetví.

Polyfenylénoxid (PPO): Čistý PPO sa ťažko spracováva, často sa mieša s PS (MPPO), HDT 120 – 170 ℃, nízka dielektrická konštanta (3,0 – 3,2), vhodná pre vysokofrekvenčné elektronické súčiastky. Produkty MPPO, ako sú kryty radarov a puzdrá mikrovlnných rúr, si zachovávajú stabilný elektrický výkon aj vo vlhkom prostredí.

Výrobky zo špeciálnych technických plastov

Polyfenylénsulfid (PPS): Trvalá prevádzková teplota 200 – 220 ℃, odolnosť voči horeniu do úrovne UL94 V0, chemická odolnosť blízka PTFE. Výrobky z PPS, ako sú izolácie výfukových potrubí automobilov a nosiče elektronických zváracích materiálov, dokážu krátkodobo odolať vysokým teplotám až 260 ℃ (napríklad vlnové spájkovanie).

Polyéteréterketón (PEEK): špeciálny technický plast s najlepšími komplexnými vlastnosťami, pevnosťou v ťahu 90 – 100 MPa, pevnosťou v ťahu 315 ℃, teplotou nepretržitého používania 260 ℃ a biokompatibilitou (ISO 10993). Produkty PEEK, ako sú letecké konštrukčné komponenty, zdravotnícke implantáty a izolačné vrstvy pre hlbokomorské káble, majú jednotkovú cenu až 800 – 1 000 juanov/kg.

Polyimid (PI): kráľ teplotnej odolnosti so stabilným výkonom v teplotnom rozsahu 260 – 300 ℃ a -269 ℃ až 300 ℃ pre dlhodobé používanie. Je odolný voči žiareniu a starnutiu. Výrobky z PI, ako sú tepelné ochranné vrstvy kozmických lodí a káble jadrového priemyslu, sa ťažko spracovávajú a sú drahé (1 000 – 2 000 juanov/kg).

Polymér z tekutých kryštálov (LCP): V roztavenom stave je v tekutokryštálovej fáze s mierou zmršťovania pri lisovaní <0,1 % a koeficientom lineárnej rozťažnosti 1-3 × 10⁻⁶/℃, vhodný pre ultra presné súčiastky. Produkty LCP, ako sú 5G antény a nosiče čipov, môžu spĺňať požiadavky na presnosť rozmerov na úrovni 0,01 mm.

3, Technológia spracovania a kontrola kvality

Spracovanie technických plastových výrobkov musí zodpovedať ich vysokovýkonným vlastnostiam, so zložitejšími procesmi formovania a vyššími požiadavkami na presnosť zariadení a riadenie parametrov. Medzi základné procesy patrí vstrekovanie plastov, extrúzia, lisovanie atď., doplnené o presnú technológiu následného spracovania.

Presné vstrekovanie plastov

Vstrekovanie plastov je hlavnou metódou spracovania technických plastových výrobkov a predstavuje viac ako 60 % celkovej produkcie. Medzi kľúčové technológie patria:

Plastifikácia pri vysokých teplotách: Technické plasty majú vysoké teploty topenia (PA66 260 – 280 ℃, PEEK 380 – 400 ℃), čo si vyžaduje použitie valcov z materiálov odolných voči vysokým teplotám (zliatiny na báze niklu) a presných systémov regulácie teploty (teplotný rozdiel ± 1 ℃).

Vysokotlakové vstrekovanie: Vystužené technické plasty majú vysokú viskozitu taveniny a vyžadujú vstrekovací tlak 150 – 250 MPa (bežné plasty iba 50 – 100 MPa), vybavené servohydraulickým systémom na zabezpečenie stability tlaku.

Presné udržiavanie tlaku: Udržiavací tlak je 70 % – 90 % vstrekovacieho tlaku a čas udržiavania sa dynamicky upravuje podľa hrúbky steny (1 – 10 sekúnd), aby sa znížila deformácia spôsobená vnútorným napätím.

Regulácia teploty formy: Použitie zariadenia na reguláciu teploty oleja na presnú reguláciu teploty formy (60 – 120 ℃), čím sa zabezpečí, že kryštalické technické plasty (ako napríklad PA, POM) vytvoria kompletnú kryštalickú štruktúru a zlepšia mechanické vlastnosti.

Vstrekovanie plastov do plastov pre technickú výrobu na vysokej úrovni vyžaduje online systém monitorovania kvality, ktorý detekuje viskozitu taveniny v reálnom čase pomocou infračervených senzorov a automaticky upravuje procesné parametre pomocou algoritmov umelej inteligencie. Mieru odpadu je možné kontrolovať pod 0,5 %.

Iné procesy formovania

Extrúzne lisovanie: používa sa na rúry, dosky a profily, ako sú olejové rúry z PA, dosky z PCB a tyče z POM. Kľúčom je kontrolovať kompresný pomer závitovky (3 – 5:1) a rýchlosť extrúzie (5 – 20 m/min), aby sa zabezpečila rovnomerná plastifikácia taveniny.

Lisovanie: Vhodné pre termosetové technické plasty (ako sú fenolové živice) a špeciálne plasty s vysokou viskozitou (ako je PI). Materiál sa vytvrdzuje a tvaruje lisovaním (10 – 50 MPa) a zahrievaním (150 – 300 ℃), čo vedie k vysokej pevnosti produktu, ale nízkej výrobnej účinnosti.

3D tlač: Pomocou technických plastových drôtov alebo práškov sa komplexné štrukturálne komponenty, ako sú ortopedické implantáty PEEK a automobilové prototypy PA66, vyrábajú metódou taveného nanášania (FDM) alebo selektívnym laserovým spekaním (SLS), čo je vhodné pre malosériovú zákazkovú výrobu.

Technológia následného spracovania

Výrobky z technických plastov často vyžadujú dodatočnú úpravu na zlepšenie výkonu:

Žíhanie: Výrobky z PA sa uchovávajú v peci pri teplote 120 – 150 ℃ počas 2 – 4 hodín, aby sa eliminovalo vnútorné napätie a zlepšila sa rozmerová stabilita o 30 %.

Povrchová úprava: PC povlak zvyšuje odolnosť proti opotrebeniu, POM elektroerozívne obrábanie vytvára vrstvu odolnú proti opotrebeniu a PA galvanické pokovovanie dosahuje kovovú textúru.

Presné obrábanie: Komponenty, ktoré vyžadujú extrémne vysokú rozmerovú presnosť, ako napríklad LCP konektory, je potrebné ďalej obrábať CNC frézovaním s toleranciami kontrolovanými v rozmedzí ± 0,001 mm.

4. Oblasti použitia a typické prípady produktov

Výrobky z technických plastov prenikli do rôznych kľúčových oblastí národného hospodárstva a zohrávajú nenahraditeľnú úlohu pri znižovaní hmotnosti, zlepšovaní výkonu a znižovaní nákladov. Nasledujú typické prípady niekoľkých kľúčových oblastí použitia.

Automobilový priemysel: Ľahké konštrukcie, úspora energie a znižovanie emisií

Množstvo technického plastu použitého v každom aute dosahuje 30 – 50 kg, čo predstavuje 30 % – 40 % celkovej spotreby plastu vo vozidle, a je základným materiálom pre ľahkú konštrukciu:

Systém napájania: Olejová vaňa motora je vyrobená z materiálu PA66+30% GF, ktorý je o 60% ľahší ako liatinové diely a má teplotnú odolnosť viac ako 150 ℃; sacie potrubie PPS je odolné voči korózii výfukových plynov motora a má životnosť až 100 000 kilometrov.

Prevodový systém: Ozubené kolesá z POM nahrádzajú kovové ozubené kolesá, čím sa znižuje hluk o 10 – 15 decibelov a zlepšuje sa odolnosť proti opotrebovaniu o 50 %; Ložisková klietka z PA66 má dobré samomazacie vlastnosti a predĺženú bezúdržbovú dobu až do 80 000 kilometrov.

Podvozkový systém: Koncové kryty tlmičov nárazov vyrobené zo zliatiny PC/ABS, odolné voči nárazom a ľahké; olejové potrubie PA6 je odolné voči vysokému tlaku (10 MPa) a teplote oleja (120 ℃), čím nahrádza gumené potrubia, aby sa znížilo riziko úniku.

Podpora vozidiel s novými energetickými systémami urýchľuje používanie technických plastov. Kryt batérie je vyrobený z materiálu PA66, ktorý je odolný voči horeniu a má izolačné vlastnosti (objemový odpor ≈ 10¹⁴Ω· cm) aj odolnosť voči nárazu. Je o 40 % ľahší ako kryty zo zliatiny hliníka.

Elektronický a 3C priemysel: Presnosť a integrácia

Spotrebná elektronika: Rám telefónu zo zliatiny PC/ABS s odolnosťou proti pádu, ktorá spĺňa test pádu z výšky 1,5 m, a povrch umožňuje bezproblémové spojenie medzi nano vstrekovaním (NMT) a kovovým rámom; anténa LCP 5G so stabilnou dielektrickou konštantou (3,0 ± 0,1), vhodná pre prenos vysokofrekvenčného signálu.

Domáce spotrebiče: svorkovnica kompresora klimatizácie vyrobená z PBT + 30 % GF s teplotnou odolnosťou 150 ℃ a vynikajúcimi izolačnými vlastnosťami; plášť mikrovlnnej rúry z PPO s nízkou dielektrickou stratou (<0,002), vhodný do mikrovlnného prostredia.

Priemyselná elektronika: PI fólia ako flexibilný substrát dosky plošných spojov, odolná voči teplote spájkovania 280 ℃; PPS konektory si udržiavajú stabilný elektrický výkon vo vlhkom a horúcom prostredí (85 ℃/85 % relatívnej vlhkosti).

Letecký a kozmický priemysel a špičkové zariadenia

Letecká oblasť: Vnútorné časti kabíny z PEEK, o 30 % ľahšie ako hliníková zliatina, odolné voči korózii leteckým petrolejom; Izolačná vrstva kábla PI si zachováva elasticitu pri teplotách od -55 ℃ do 150 ℃, vhodná pre kabeláž kabíny.

Letectvo a kozmonautika: Materiál s PI voštinovou štruktúrou sa používa na substráty solárnych krídel satelitov s povrchovou hustotou iba 200 – 300 g/m² a odolnosťou voči vysokej teplote a žiareniu; skrutky PEEK nahrádzajú titánovú zliatinu, čím sa znižuje hmotnosť o 40 % a sú odolné voči korózii spôsobenej atómovým kyslíkom z vesmíru.

Špičkové vybavenie: Tesniaci krúžok z PTFE sa používa pre hydraulické systémy s ultravysokým tlakom (300 MPa) s koeficientom trenia 0,02; obežné kolesá čerpadiel PPS prepravujú silné kyslé médiá a majú päťkrát dlhšiu životnosť ako nehrdzavejúca oceľ.

Oblasť medicíny a zdravia

Zdravotnícke vybavenie: Plášť infúznej pumpy PC je priehľadný a odolný voči nárazom; ortopedické implantáty PEEK (ako napríklad umelé kĺby) majú hustotu kostí podobnú hustote ľudského tela (1,3 – 1,4 g/cm³) a nedochádza k žiadnej odmietnutej reakcii.

Spotrebný materiál a balenie: PBT tyčka striekačky s dobrou tuhosťou a odolnosťou voči korózii liečiv; PP kopolymérny infúzny vak, odolný voči sterilizácii pri nízkych teplotách (lyofilizácia pri -40 ℃).

Rehabilitačné vybavenie: Rám invalidného vozíka PA66 s pevnosťou podobnou oceli, ale o 50 % ľahší; lakťová opierka z PC, protišmyková a odolná voči UV žiareniu.

5. Trendy vývoja a technologické inovácie

Výrobky z technických plastov sa vyvíjajú smerom k vysokému výkonu, funkčnej integrácii a ekologickému smerovaniu, pričom tri hlavné oblasti inovácií sú modifikácia materiálov, inovácia procesov a technológia recyklácie.

Vysoký výkon a funkčná integrácia

Modifikácia nanokompozitmi: Pridanie nano plniv, ako je grafén a uhlíkové nanotrubice, môže zvýšiť pevnosť v ťahu PA6 o 50 % a tepelnú vodivosť 3 až 5-krát, čo sa používa pre komponenty na rozptyl tepla LED.

Technológia legovania: Zliatina PC/ABS kombinuje odolnosť PC proti nárazu so spracovateľnosťou ABS, čo predstavuje 60 % trhu s technickými plastovými zliatinami; zliatina PA/PPO zvyšuje odolnosť voči vode a používa sa na konštrukčné prvky vo vlhkom prostredí.

Integrácia funkcií: Vyvinúť antibakteriálne technické plasty (s pridanými iónmi striebra) s mierou ničenia Escherichia coli viac ako 99 % na použitie v zdravotníckych pomôckach; Samoopraviteľný POM dokáže opraviť škrabance do 1 hodiny pri teplote 60 ℃ vďaka technológii mikrokapsúl.

Ekologizácia a obehové hospodárstvo

Bioplasty na báze bioplastov: Bioplast PA56 (surovina z ricínového oleja) má podobné vlastnosti ako PA66, znižuje uhlíkovú stopu o 60 % a používa sa v automobilových dverových paneloch; Bioplast PC (vyrobený z izosorbidu) má priepustnosť svetla 85 % a postupne nahrádza PC na báze ropy.

Technológia chemickej recyklácie: Odpadový PA6 sa depolymerizačnou reakciou premieňa na monomér kaprolaktámu s čistotou 99,9 %. Po repolymerizácii je výkon zhodný s pôvodnou surovinou a náklady na recykláciu v uzavretom okruhu sa znížia na 80 % pôvodnej suroviny.

Ľahká konštrukcia: Vďaka optimalizácii topológie a štrukturálnej simulácii sa hrúbka steny technických plastových výrobkov znížila o 10 % – 20 %. Napríklad držiak palubnej dosky automobilu má mriežkovú štruktúru, čím sa znížila hmotnosť o 30 % a zároveň sa zachovala pevnosť.

Inteligentná výroba a inovácie procesov

Technológia digitálnych dvojčiat: Vytvorte virtuálny výrobný model pre plastové výrobky, simulujte výkon rôznych surovín a procesných parametrov a skráťte vývojový cyklus nových produktov o 50 %.

Zariadenie na presné lisovanie: Servo vstrekovací lis sa môže pochváliť opakovateľnou presnosťou ±0,1 %, spolu so senzormi vo forme pre nastavenie parametrov v reálnom čase, čím sa zabezpečí, že rozmerová tolerancia LCP konektorov je menšia ako 0,005 mm.

Aplikácie aditívnej výroby: 3D tlač PEEK umožňuje personalizované lekárske implantáty, zatiaľ čo spekanie prášku PA12 vytvára zložité konštrukčné komponenty pre letectvo, pričom miera využitia materiálu sa zvyšuje zo 60 % v tradičných procesoch na 95 %.

Výrobky z technických plastov, ako "MSG" priemyselnej výroby, priamo poháňajú modernizáciu odvetvia výroby zariadení prostredníctvom zvyšovania výkonu a rozširovania aplikácií. Od odľahčovania automobilov až po 5G komunikáciu, od leteckého priemyslu až po zdravotníctvo, výrobky z technických plastov využívajú svoje jedinečné materiálové výhody na prekonanie technických úzkych miest, s ktorými sa tradičné materiály stretávajú. V budúcnosti, s rastúcim dopytom po trvalo udržateľnom rozvoji a prehlbovaním technologických inovácií, budú výrobky z technických plastov naďalej dosahovať prelomy na ceste k vysokému výkonu, nízkej spotrebe energie a recyklovateľnosti a stanú sa základným materiálovým systémom podporujúcim špičkovú výrobu.