Synthetische hars is een type kunstmatig gesynthetiseerde verbinding met een hoog moleculair gewicht dat de inherente eigenschappen van natuurlijke harsen heeft of overtreft. ASTM D883-65T definieert synthetische hars als een organische substantie met een onbeperkt moleculair gewicht, maar vaak een vaste stof, halfvaste stof of pseudo (quasi) vaste stof met een hoog moleculair gewicht, die de neiging heeft te vloeien bij spanning, vaak een verzachtings- of smeltbereik heeft en schelpvormig is bij breuk.
In praktische toepassingen wordt het vaak synoniem gebruikt met polymeer of zelfs plastic, met name verwijzend naar het basismateriaal dat wordt geproduceerd door de polymerisatiereactie van monomeren zonder enige toevoegingen of met slechts een zeer kleine hoeveelheid toevoegingen. Daarnaast wordt het soms gebruikt om niet-uitgeharde vloeibare thermohardende polymeermaterialen weer te geven.
De drie belangrijkste synthetische materialen ter wereld zijn synthetische harsen, synthetisch rubber en synthetische vezels. Synthetische hars is het synthetische materiaal met de hoogste output en consumptie.
Toepassingsgebieden
De belangrijkste toepassing van synthetische hars is de productie van kunststoffen. Om de verwerking te vergemakkelijken en de prestaties te verbeteren, worden vaak additieven toegevoegd, en soms worden ze direct gebruikt tijdens de verwerking en vorming. Daarom worden ze vaak als synoniem voor kunststoffen beschouwd. Het gehalte aan synthetische hars in kunststoffen ligt over het algemeen tussen de 40 en 100%. Omdat het hoge gehalte en de eigenschappen van de hars vaak bepalend zijn voor de eigenschappen van de kunststof, wordt hars vaak als synoniem voor kunststof gezien. Zo wordt polyvinylchloridehars verward met polyvinylchloridekunststof en fenolhars met fenolkunststof . In werkelijkheid zijn hars en kunststof twee verschillende concepten. Hars is een onbewerkt polymeer, dat niet alleen wordt gebruikt voor de productie van kunststoffen, maar ook als grondstof voor coatings, lijmen en synthetische vezels. Met uitzondering van een zeer klein deel van de kunststoffen dat voor 100% uit hars bestaat, moeten de meeste kunststoffen, naast de hoofdcomponent hars, ook andere stoffen bevatten.
Synthetische harsen zijn ook de basisgrondstoffen voor de productie van synthetische vezels, coatings, kleefstoffen, isolatiematerialen, enz. Het veelgebruikte harsbeton gebruikt ook synthetische harsen als cementmateriaal. Omdat synthetische harsen duidelijke prestatie- en kostenvoordelen hebben ten opzichte van andere concurrerende materialen, zijn hun toepassingen doorgedrongen tot alle aspecten van de nationale economie. Verpakkingen zijn de grootste markt voor synthetische harsen, gevolgd door bouwproducten. Elektronica, elektriciteit en auto's zijn ook belangrijke toepassingsgebieden voor synthetische harsen. Andere markten zijn meubels, speelgoed, entertainmentproducten, huishoudelijke apparaten en medische benodigdheden.
Basistypen
Er zijn veel soorten synthetische harsen.
De producten van de synthetische harsindustrie kunnen worden onderverdeeld in algemene harsen en speciale harsen. Algemene harsen worden in grote hoeveelheden geproduceerd tegen lage kosten en worden over het algemeen gebruikt in consumentengoederen of duurzame goederen. Representatieve voorbeelden zijn vijf belangrijke soorten synthetische harsen: polyethyleen , polypropyleen , polyvinylchloride, polystyreen en ABS . Speciale harsen zijn over het algemeen harsen die voor specifieke doeleinden worden geproduceerd, met een kleinere productieomvang en hogere productiekosten. Ze kunnen bijvoorbeeld metalen vervangen in machines, elektronica, auto's en andere sectoren. Technische kunststoffen vallen in de categorie speciale harsen. Belangrijke technische kunststoffen zijn onder andere polyamide , polycarbonaat , polyoxymethyleen , polybutyleentereftalaat , gemodificeerd polyfenyleenether en polytetrafluorethyleen . Een ander type speciale hars is thermoplastisch elastomeer, dat een elasticiteit heeft die vergelijkbaar is met die van rubber en herhaaldelijk kan worden gevormd door verhitting.
Op basis van de chemische samenstelling kunnen synthetische harsen grofweg in twee categorieën worden verdeeld: het ene type synthetische hars heeft een hoofdketen die uitsluitend uit alifatische koolstofatomen bestaat. Universele harsen behoren in principe tot deze categorie. Het andere type synthetische hars bevat naast koolstofatomen in de hoofdketen ook zuurstof, stikstof, zwavel, enz. De meeste technische kunststoffen zijn samengesteld uit heteroketenpolymeren.
Op basis van hun technische eigenschappen kunnen synthetische harsen worden onderverdeeld in thermoplastische harsen en thermohardende harsen. Het verschil zit hem voornamelijk in de chemische samenstelling en de moleculaire structuur van het polymeer. De moleculaire ketenstructuur van thermoplastische harsen is lineair of vertakt. Ze kunnen na verhitting worden geplastificeerd (of verzacht, gesmolten) en vloeibaar gemaakt, en kunnen herhaaldelijk worden geplastificeerd en gevormd. Typische thermoplastische harsen zijn onder andere polyethyleen, polypropyleen, poly-1-buteen, polyvinylchloride en polystyreen. Thermoplastische harsen kunnen snel worden gevormd en herhaaldelijk worden gevormd. Thermohardende harsen zijn hoogmoleculaire polymeren met een driedimensionale structuur. Ze bevatten multifunctionele macromoleculen in de moleculaire keten. In aanwezigheid van een uithardingsmiddel en onder invloed van warmte en druk kunnen ze tegelijkertijd verzachten (of smelten) en stollen (of uitharden) tot onoplosbare en onsmeltbare polymeren. Veelvoorkomende thermohardende harsen zijn onder andere fenol-formaldehydehars (ook wel fenolhars genoemd), ureum-formaldehydehars (ook wel ureum-formaldehydehars genoemd), melamine-formaldehydehars (ook wel melamine-formaldehydehars genoemd), epoxyhars, onverzadigde polyesterhars, polyurethaan , enzovoort .
Voorbereidingsmethode
Synthetische hars is een hoogmoleculaire verbinding, die wordt geproduceerd door het combineren van laagmoleculaire grondstoffen - monomeren (zoals ethyleen, propyleen, vinylchloride, enz.) tot macromoleculen door middel van een polymerisatiereactie. Veelgebruikte polymerisatiemethoden in de industrie omvatten bulkpolymerisatie, suspensiepolymerisatie, emulsiepolymerisatie, oplossingspolymerisatie, slurrypolymerisatie, gasfasepolymerisatie, enz. De grondstoffen voor het produceren van synthetische harsen zijn rijk aan bronnen. In de begindagen waren het voornamelijk steenkoolteerproducten en calciumcarbide, en nu zijn het voornamelijk aardolie- en aardgasproducten, zoals ethyleen, propyleen, benzeen, formaldehyde en ureum.
Bulkpolymerisatie
Bulkpolymerisatie is een polymerisatieproces waarbij monomeren worden gepolymeriseerd zonder toevoeging van andere media onder invloed van initiatoren of warmte, licht en straling. De kenmerken zijn zuivere producten, geen noodzaak voor complexe scheiding en zuivering, eenvoudige bediening en een hoge benuttingsgraad van productieapparatuur. Het kan direct buizen, platen en andere hoogwaardige producten produceren, daarom wordt het ook wel blokpolymerisatie genoemd. Het nadeel is dat de viscositeit van het materiaal continu toeneemt naarmate de polymerisatiereactie vordert, mengen en warmteoverdracht moeilijk zijn en de reactortemperatuur niet gemakkelijk te regelen is. Bulkpolymerisatie wordt vaak gebruikt bij de productie van harsen zoals polymethylacrylaat (algemeen bekend als plexiglas), polystyreen, lagedichtheidspolyethyleen, polypropyleen, polyester en polyamide.
Suspensie polymerisatie
Suspensiepolymerisatie verwijst naar het polymerisatieproces waarbij monomeren worden gedispergeerd in druppels onder invloed van mechanisch roeren of oscillatie en dispergeermiddelen, meestal gesuspendeerd in water, dus het wordt ook wel kralenpolymerisatie genoemd. De kenmerken zijn: er is een grote hoeveelheid water in de reactor, de materiaalviscositeit is laag en warmteoverdracht en -controle zijn eenvoudig; na polymerisatie zijn alleen eenvoudige scheiding, wassen, drogen en andere processen vereist om harsproducten te verkrijgen, die direct kunnen worden gebruikt voor het vormen van verwerking; de producten zijn relatief zuiver en uniform. Het nadeel is dat de reactorproductiecapaciteit en productzuiverheid niet zo goed zijn als bulkpolymerisatie en continue productie niet kan worden gebruikt. Suspensiepolymerisatie wordt veel gebruikt in de industrie.
Emulsie polymerisatie
Emulsiepolymerisatie verwijst naar de polymerisatie waarbij monomeren een emulsie vormen in water onder mechanisch roeren of oscillatie met behulp van een emulgator. Het product van emulsiepolymerisatie is latex, dat direct kan worden gebruikt, of de latex kan worden vernietigd en onderworpen aan nabehandelingsprocedures zoals wassen en drogen om een poeder of naaldvormig polymeer te verkrijgen. Emulsiepolymerisatie kan polymeren met een hoger moleculair gewicht verkrijgen bij een hogere reactiesnelheid. Het materiaal heeft een lage viscositeit, is gemakkelijk om warmte over te brengen en te mengen, is gemakkelijk om de productie te controleren en is gemakkelijk om resterende monomeren te verwijderen. Het nadeel van emulsiepolymerisatie is dat de emulgator die tijdens het polymerisatieproces wordt toegevoegd, de prestatie van het product beïnvloedt. Om een vast polymeer te verkrijgen, wordt het verbruikt door processen zoals coagulatie, scheiding en wassen. De productiecapaciteit van de reactor is lager dan die van de bulkpolymerisatiemethode.
Oplossingspolymerisatie
Oplossingspolymerisatie wordt uitgevoerd in aanwezigheid van een oplosmiddel. Het geselecteerde oplosmiddel moet zowel monomeren als polymeren kunnen oplossen. Tijdens het polymerisatieproces is het systeem een uniforme viskeuze oplossing, is het polymerisatiesysteem altijd homogeen, is de continue bedrijfscyclus lang en is het eenvoudig te bedienen. De systeemviscositeit is echter relatief groot. Het voordeel is dat de homogene reactie gemakkelijker te controleren is en het molecuulgewicht en de verdeling ervan ook goed kunnen worden gecontroleerd, maar het oplossingspolymerisatiesysteem is viskeus, wat warmte- en massaoverdracht moeilijk en ongelijkmatig maakt.
Drijfmest polymerisatie
Tijdens slurrypolymerisatie wordt een oplosmiddel of het monomeer zelf gebruikt als dispersiemedium. Het resulterende polymeer is onoplosbaar in het dispersiemedium, maar wordt in de vorm van deeltjes in het dispersiemedium gedispergeerd, waardoor een slurry ontstaat. Sommige eerdere literatuur heeft het geclassificeerd als een heterogene oplossingspolymerisatie. Dit type polymerisatie wordt gekenmerkt door een lage systeemviscositeit, gemakkelijk roeren, gemakkelijke warmteafvoer en een hogere monomeerconcentratie, wat de productiviteit van de eenheidsapparatuur kan verhogen. Momenteel kan deze methode worden gebruikt bij de productie van polyethyleen met hoge dichtheid, polypropyleen, enz.
Polymerisatie in de gasfase
Bij gasfasepolymerisatie worden gasfasemonomeren en katalysatoren in een bepaalde hoeveelheid in de reactor geïntroduceerd voor eenstapssynthese om een droog polymeer te verkrijgen. Het uitgangspunt van gasfasepolymerisatie is dat de katalysatorselectiviteit en -opbrengst hoog genoeg moeten zijn en dat het product de resterende katalysator niet hoeft te verwijderen, wat het proces aanzienlijk kan verkorten. Met de opkomst van zeer actieve ondersteunde Ziegler-katalysatoren is gasfasepolymerisatie de mainstream geworden bij de productie van polyethyleen of polypropyleen. Daarnaast kan het ook op grote schaal worden gebruikt bij polymerisatie op basis van het vrije-radicalenmechanisme.
Verwerkingsmethoden
Het uitharden van thermoplastische harsen gebeurt over het algemeen door het product af te koelen tot onder de glasovergangstemperatuur of het smeltpunt, terwijl thermohardende harsen uitharden door verhitting, waardoor een chemische reactie ontstaat die een netwerkstructuur vormt. De belangrijkste verwerkingsmethoden zijn extrusie, compressievormen , spuitgieten, blaasvormen, rotatievormen, reactiespuitgieten, thermovormen, schuimvormen, enzovoort.
Historische ontwikkeling
De afscheidingen van sommige bomen vormen vaak harsen, maar amber is een fossiel van hars. Hoewel schellak ook als hars wordt beschouwd, is het het sediment dat door lakinsecten op bomen wordt afgescheiden. Schellakverf gemaakt van schellak werd oorspronkelijk alleen gebruikt als houtconserveringsmiddel, maar met de uitvinding van de motor werd het de eerste isolerende verf die werd gebruikt. Na het begin van de 20e eeuw konden natuurlijke producten echter niet langer voldoen aan de behoeften van elektrificatie, waardoor mensen gedwongen werden om naar nieuwe goedkope vervangers te zoeken.
Al in 1872 ontdekte de Duitse chemicus A. Bayer voor het eerst dat fenol en formaldehyde snel roodbruine klonten of viskeuze stoffen konden vormen bij verhitting onder zure omstandigheden, maar hij stopte het experiment omdat ze niet konden worden gezuiverd met klassieke methoden. Na de 20e eeuw kon fenol in grote hoeveelheden worden verkregen uit steenkoolteer, en formaldehyde werd ook in grote hoeveelheden geproduceerd als conserveermiddel. Daarom trokken de reactieproducten van de twee meer aandacht en hoopten mensen nuttige producten te ontwikkelen. Hoewel veel mensen hier veel moeite in hebben gestoken, hebben ze niet de verwachte resultaten behaald.
In 1904 begonnen Baekeland en zijn assistenten ook met dit onderzoek. Het oorspronkelijke doel was om een isolerende vernis te maken ter vervanging van natuurlijke hars. Na drie jaar hard werken, in de zomer van 1907, maakten ze niet alleen een isolerende vernis, maar ook een echt synthetisch kunststofmateriaal - bakeliet, wat het bekende "bakeliet", "bakeliet" of fenolhars is. Toen bakeliet eenmaal op de markt kwam, ontdekten fabrikanten al snel dat het niet alleen een verscheidenheid aan elektrische isolatieproducten kon maken, maar ook dagelijkse benodigdheden. Edison gebruikte het om platen te maken en kondigde al snel in een advertentie aan dat hij duizenden producten met bakeliet had gemaakt. Een tijdlang werd Baekelands uitvinding geprezen als de "alchemie" van de 20e eeuw.
Vóór 1940 stonden fenolharsen gemaakt van steenkoolteer altijd bovenaan de productie van verschillende synthetische harsen, met een productie van meer dan 200,000 ton per jaar. Met de ontwikkeling van de petrochemische industrie is de productie van polymeersynthetische harsen zoals polyethyleen, polypropyleen, polyvinylchloride en polystyreen echter ook blijven groeien. Met de oprichting van veel grootschalige fabrieken met een jaarlijkse productie van meer dan 100,000 ton van dergelijke producten, zijn ze de vier soorten synthetische harsen met de grootste productie van vandaag geworden.
Tegenwoordig worden synthetische harsen gecombineerd met additieven en via diverse vormmethoden verwerkt tot kunststofproducten . Er bestaan tientallen soorten kunststoffen, met een jaarlijkse productie van ongeveer 120 miljoen ton wereldwijd en meer dan 5 miljoen ton in China. Ze zijn uitgegroeid tot basismaterialen voor productie, het dagelijks leven en de nationale defensie.
Huidige situatie in China
De synthetische harsindustrie van China heeft opmerkelijke prestaties geleverd in de ontwikkeling van binnenlands geproduceerde katalysatoren, processen en apparatuur. Vergeleken met geavanceerde niveaus in het buitenland, is er nog steeds een zekere kloof in de synthetische harsindustrie van China. Veel nieuw gebouwde grootschalige synthetische harsfabrieken vertrouwen nog steeds op geïmporteerde technologie en sommige fabrieken moeten buitenlandse katalysatoren kopen om hoogwaardige producten te produceren; Sommige hoogwaardige producten in China kunnen niet voldoen aan de vraag van de markt in termen van kwantiteit, zoals het tekort aan harskwaliteiten voor kasfolie, een laag productievolume en verre van het voldoen aan de productiebehoeften van functionele kasfolie. Geïmporteerde grondstoffen zijn goed voor ongeveer 50%; Er is nog steeds een zekere kloof tussen binnenlands geproduceerde PP-R-buismaterialen en geïmporteerde materialen en de kwaliteit moet worden verbeterd en verbeterd.
De wereldwijde synthetische harsindustrie ondervindt concurrentie van goedkope producten in het Midden-Oosten. Als reactie op deze concurrentie alloceren grote harsproductiebedrijven over de hele wereld hun activa naar de regio Midden-Oosten voor goedkope grondstoffen; Bouwen van grootschalige productiefaciliteiten van wereldklasse en volledig gebruikmaken van schaalvoordelen; Meer geavanceerde katalysatoren, procestechnologieën en computergestuurde, optimalisatie- en beheeroplossingen implementeren. De harsindustrie is zeer competitief. In deze situatie zou de Chinese harsindustrie haar onafhankelijke innovatiecapaciteiten verder moeten versterken, geïmporteerde technologieën beter moeten verwerken en absorberen, meer hoogwaardige producten moeten produceren die niet door faciliteiten in het Midden-Oosten kunnen worden geproduceerd en er alles aan moeten doen om de productiekosten te verlagen om de concurrentie in synthetische harsproducten uit het Midden-Oosten, buurlanden en grote multinationals het hoofd te bieden.
Ontwikkelingsperspectieven
Door de veranderingen in het wereldwijde economische landschap, de substantiële aanpassing van de Amerikaanse energiestructuur en de verandering in het Chinese economische groeimodel, in de context van energiebesparing en milieubescherming, zullen veranderingen in het concurrentielandschap van de chemische markt en de toenemende vraag enorme veranderingen in de industrie teweegbrengen.
Vanuit het perspectief van grondstoffen voor upstream synthetische harsapparaten, zijn ze doorgaans meer gediversifieerd en lichtgewicht om de concurrentiekracht van producten te verbeteren. Vanuit de vraagzijde worden groene, functionele en gedifferentieerde vereisten gesteld aan synthetische harsproducten. Vanuit het perspectief van handel zal de export naar China in de toekomst toenemen vanwege het lage kostenvoordeel dat Amerikaans schaliegas met zich meebrengt voor de chemische industrie. Vanuit het perspectief van het concurrentielandschap van China zullen de steenkoolchemische industrie, propaandehydrogenering tot propyleen en methanol tot olefinen allemaal enorme uitdagingen opleveren voor de traditionele petrochemische industrie. Op de korte termijn is de productiecapaciteit van synthetische hars in China aanzienlijk toegenomen, terwijl de vraag traag blijft en synthetische harsen de komende 2 tot 3 jaar nog steeds in een periode van kleine winsten zullen verkeren.
Gezien de zware markt moeten de Chinese synthetische harsen de weg van technologische innovatie inslaan. De Chinese synthetische harsbedrijven moeten eerst de technische inhoud van hun producten verbeteren, hightechbarrières doorbreken en gebruikers binden; ten tweede moeten ze de technische diensten en aftersalesservices van hun producten versterken, zodat gebruikers de beste prijs-prestatieverhouding kunnen krijgen onder de voorwaarde van passende aankoopkosten; ten derde moeten ze de productkwaliteit verbeteren. Bedrijven kunnen concurrerende gebruikers bezoeken, producten op maat maken, kwaliteitsbeheer versterken volgens de vereisten van de andere partij, certificering verhogen, enz., en high-end klanten binden.
