Мировой рынок полимерных композиционных материалов: состояние, тенденции, перспективы. Часть 2

(Продолжение. Начало в ПМ № 7 2025 г.)

Введение.

1. Мировой рынок ПКМ.

2. Региональные рынки ПКМ.

3. Применение ПКМ.

3.1. Общие сведения.

3.2. Производство и применение ПКМ по отраслям.

3.2.1. Строительство.

3.2.2. Транспортное машиностроение.

3.2.3. Потребительские товары, электроника и электротехника.

3.2.4. Ветроэнергетика.

3.2.5. Судостроение.

3.2.6. Авиакосмическая отрасль.

4. К вопросу о рециклинге ПКМ.

Заключение.

3. Применение ПКМ

3.1. Общие сведения

Возвращаясь к началу первой части статьи и предваряя данный раздел, следует еще раз отметить тот факт, что, несмотря на свои выдающиеся свойства, ПКМ по объемам потребления (13,5 млн т в 2024 г. согласно данным JEC Observer [1, с. 27]) занимают последнее место в мире среди конструкционных материалов (рис. 9). Одной из причин такого положения являются проблемы роста, поскольку полимерные композиты – самые молодые из альтернативных конструкционных материалов, и их применение в крупносерийном и тем более в массовом производстве пока только начинает входить в стандартную практику. Дальнейшее развитие композитной индустрии связано с переходом на серийное производство изделий из ПКМ. Рассмотрим далее, какие из отраслей наиболее перспективны для этих целей.

Согласно [1, с. 10], в число основных по объемам потребления ПКМ входят следующие семь отраслей, перечисленные ниже по мере убывания массы ПКМ в ее абсолютном физическом выражении (рис. 10, а):

1. Строительство зданий и сооружений гражданского назначения, систем трубопроводов и резервуаров для водоподготовки, канализации и др., а также реконструкция строительных сооружений и инфраструктуры (25 % от всего объема выпуска ПКМ, или около 3,4 млн т в 2024 г.).
2. Транспортное машиностроение (24 %, 3,2 млн т). Следует пояснить, что под этим термином здесь и в дальнейшем понимается производство как автомобильного, так и другого (прежде всего железнодорожного) транспорта в отличие от российской экономической терминологии, где понятия «автомобилестроение» и «транспортное машиностроение» различают согласно ОКВЭД (поз. 29.1 и 30.2 соответственно).
3. Электроника и электротехника, используемые в том числе для телекоммуникационных систем и бытовой техники (18 %, 2,4 млн т).
4. Энергетика – главным образом производство ветроэнергетических установок, а также композитных элементов и покрытий нефтегазовых труб: объем используемых ПКМ в данной отрасли распределяется практически поровну между этими двумя сферами применения [1, с.25] (14 %, 1,8 млн т).
5. Потребительские товары, в том числе инвентарь для спорта и досуга, мебель, бытовая техника и др. (8 %, 1 млн т).
6. Судостроение (2 %, 0,3 млн т).
7. Авиакосмическая отрасль (менее 0,1 млн т). Хотя в авиакосмической технике потребляется менее 1 % от всего объема выпуска ПКМ, но именно эта отрасль является одним из главных драйверов совершенствования ПКМ в сторону их удельных упруго-прочностных свойств, поскольку здесь, как нигде, требуется экономия массы изделий (в остальных отраслях летать не требуется).

Таким образом, по данным [1, с. 15], почти половина всего физического объема мирового рынка ПКМ в 2024 г., приходилась на строительство и транспортное машиностроение. Другие две отрасли – электроника и электротехника, а также энергетика – составили еще около трети рынка ПКМ.

В сумме на все перечисленные отрасли приходилось около 12,2 млн т ПКМ, и еще около 1,3 млн т (менее 9 %) – на прочие (медицина и протезирование, военное оборудование и др.).

Информацию о потенциале полимерного композитного бизнеса в той или иной отрасли может дать показатель k в виде «степени проникновения» (penetration) ПКМ в отрасли, предлагаемый в источнике [1]. Под k понимается массовая доля, занимаемая ПКМ в общей массе используемых в отрасли материалов (металлы, бетон, пластик и др.).

Как видно из рис. 10 (б), картина распределения «степени проникновения» ПКМ по отраслям отличается крайней неоднородностью. Так, в строительной отрасли, занимающей первое место по физическому объему потребления полимерных композитов, степень их проникновения мала, как нигде (k < 1 %). Можно сказать, в сфере строительства у производителей изделий из композитов есть наибольший потенциал для освоения новых рыночных ниш и масштабирования производства. То же, хотя и в сравнительно меньшей степени, касается транспортного машиностроения (см. рис. 10, б), занимающего по физическому объему применения ПКМ второе место (см. рис. 10, а). Таким образом, на отрасли с низким уровнем проникновения ПКМ (строительство и транспорт) приходится 50 % физического объема потребления полимерных композитов.

Среди отраслей с наибольшим проникновением полимерных композитных материалов (ПКМ) выделяются ветроэнергетика (73 % от физического объема всех применяемых материалов в отрасли), гражданское судостроение (52 %), а также электроника и электротехника (37 %). Существенный уровень проникновения показывают авиакосмическая отрасль (17 %) и производство потребительских товаров (16 %).

3.2. Производство и применение ПКМ по отраслям

Технологическую цепочку производства изделий из ПКМ условно можно разделить на два уровня. На первом находятся производители сырья (полимерных связующих и армирующих волокон), а также полуфабрикатов на их основе (препрегов, премиксов, пресс-волокнитов и др.). На втором уровне эти сырье и полуфабрикаты используют производители готовых изделий из ПКМ, работающие для нужд конкретных отраслей. Зачастую производство изделий из ПКМ является составной частью более крупного предприятия, которое их использует в своей конечной продукции. При этом второй уровень имеет высокую добавленную стоимость.

Технология производства изделий из ПКМ в каждой отрасли зависит главным образом от двух факторов. Основным из них является ТЗ на изделие, в котором приводятся сведения о его форме и размерах, условиях эксплуатации, а также технические требования к свойствам. С учетом этих данных выбирается тип ПКМ – на основе коротких или непрерывных волокон, термопластичного (ТКМ) или реактопластичного (РКМ) связующего, что вместе с формой и размерами изделия определяет выбор методов сборки технологического пакета (выкладкой или намоткой в случае непрерывных волокон) и собственно формования (контактным, эластичной диафрагмой, прессованием, пултрузией и др.).

Важную роль играют также экономические соображения. Речь идет в первую очередь о возможности масштабирования выпуска и снижении себестоимости крупносерийного производства композитных изделий. Разумеется, в ряде отраслей крупносерийный выпуск невозможен из-за ограниченного размера партий, а также от технических требований к изделию и использования соответствующего метода формования – как, например, автоклавного в авиакосмической промышленности, отличающегося дороговизной и длительностью цикла. Однако там, где это возможно по техническим требованиям, экономически целесообразно использовать методы массового производства – в первую очередь литье под давлением (в случае коротковолокнистого наполнителя) и пултрузию (в случае ПКМ на основе непрерывных волокон).

Таким образом, каждая отрасль имеет свои особенности производства и применения изделий из ПКМ.

3.2.1. Строительство

Хотя степень проникновения ПКМ в строительстве очень низка (k < 1 %), оно занимает лидирующее место в потреблении физических объемов ПКМ (3,4 млн т, или 25 % от всего объема выпуска ПКМ). В перспективе это показывает высокий потенциальный объем спроса в данной отрасли при увеличении показателя k: даже при небольшом приросте использования композитов в строительном секторе уровень потребления ПКМ может вырасти на сотни тысяч тонн. Полимерные композиты применяются либо как отдельные детали при строительстве мостов, трубопроводов или облицовки зданий, либо в качестве армирующих элементов в деревянных или бетонных конструкциях (в составе фибробетона или в качестве композитной арматуры) [16, 17] (рис. 11).

Около 30 % от объема используемых в строительстве ПКМ приходилось в 2024 г. на производство труб и резервуаров [1, с. 25].

Несмотря на весь потенциал, дальнейшее проникновение полимерных композитов в строительстве ограничивается двумя факторами. Во-первых, использование ПКМ – особенно высококачественных – пока в целом обходится дороже, чем применение традиционных строительных материалов. В частности, возведение опорных колонн, усиленных наружным слоем ПКМ, стоит на 15 % дороже, чем обычных железобетонных [18].

Во-вторых, строительная отрасль пока еще не накопила достаточного уровня опыта и компетенций для масштабного применения ПКМ. До сих пор недостаточно изучены долгосрочные изменения свойств композитных материалов в конструкции зданий, в том числе с точки зрения усталостной прочности ПКМ и их взаимодействия с традиционными строительными материалами. Отсутствуют также общепризнанные принципы применения ПКМ и нормативы при проектировании зданий [19].

Отдельно стоит отметить использование ПКМ при возведении мостов, где легкость и прочность полимерных композитов играет критическую роль. Наиболее часто используются в отдельных конструктивных элементах (арматура, пултрузионные балки, профили и панели), усиливающих конструкцию моста и снижающих его вес. Но активно развивается и строительство мостов, полностью сделанных из ПКМ. Первые усиленные ПКМ автомобильные мосты и полностью композитные пешеходные мосты появились на рубеже 1980–90-х гг. [20]. По состоянию на начало 2020-х гг. в мире было построено более 300 пешеходных и 100 автомобильных мостов на основе ПКМ [21]. При этом большинство цельных мостов из ПКМ имеют длину менее 20 м. В 2024 г. в Норвегии установили автомобильный мост длиной 42 м, сделанный целиком из стекло- и углепластиков (рис. 12) [22].

Рост применения ПКМ при строительстве мостов испытывает те же затруднения, что и в строительстве в целом. Из-за ограниченных данных об изменении физико-механических характеристик ПКМ при долгосрочной эксплуатации они пока не используются в качестве основного материала для строительства и применяются только в дополнительных усиливающих конструкциях. Сохраняется также проблема стоимости композитных мостов. Даже при учете экономии на фундаменте и монтаже конструкции, мост из ПКМ обходится на 13 % дороже железобетонного и на 7 % дороже использования стальных балок – хотя обслуживание композитных мостов обходится дешевле, чем традиционных [21].

Для строительной отрасли характерно большое разнообразие методов производства изделий из ПКМ [4, с. 27]. Например, городская мебель, архитектурные элементы, бассейны и ванны могут быть изготовлены контактным формованием (ручной выкладкой или напылением). Стоит отметить, что этот метод почти не требует инвестиций в техническое оборудование или долгого обучения работников и позволяет изготовлять широкий диапазон изделий [23]. Чаще всего в качестве армирующего компонента используется стекловолокно. Поэтому контактное формование широко используется как в строительстве, так и в других отраслях.

Распространенными также являются легко масштабируемые методы производства композитных деталей. В частности, при производстве баков, цистерн и труб, т.е. изделий с формой тела вращения или близкой к таковой, широко используется для сборки технологического пакета намотка с последующим формованием эластичной диафрагмой или викелевкой. Всевозможные профильно-погонажные изделия на основе непрерывных волокон, которые часто применяются в строительстве при выпуске балок, производятся пултрузией. Можно сказать, что именно в этой области лежит путь к увеличению степени проникновения ПКМ в строительство.

Литература

1. JEC Observer. Overview of the global composites market 2024–2029 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2025. – 72 p.
2. JEC Observer. Overview of the global composites market // JEC Composite Magazine. Special issue. – March 2019. – 60 p.
3. JEC Observer. Current trends in the global composites market 2021–2026 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2022. – 60 p.
4. JEC Observer. Overview of the global composites market 2022–2027 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2023. – 60 p.
5. JEC Observer. Overview of the global composites market 2023–2028 // JEC Composite Magazine. Special issue. – January 2024. – 60 p.
6. Midani M. Natural fiber composites: What’s holding them back? // CompositesWorld [Электронный ресурс]. – June 2019. – URL: https://web.archive.org/web/20221224053956/https:/www.compositesworld.com/articles/natural-fiber-composites-whats-holding-them-back (дата обращения: 30.05.2025).
7. Elfaleh I. et al. A comprehensive review of natural fibers and their composites: An eco-friendly alternative to conventional materials // Results in Engineering. – 2023. – Т. 19. – С. 101271.
8. Композиты на основе натуральных волокон и полипропилена // Polymery.ru [Электронный ресурс]. – URL: https://www.polymery.ru/letter.php?n_id=4195&cat_id=3&page_id=1 (дата обращения: 30.05.2025).
9. Способ изготовления углеродного волокна // ООО «НПО Практик». [Электронный ресурс]. – URL: https://npopraktik.ru/armiruyushchij-napolnitel-i-matrica-sistemy (дата обращения: 30.05.2025).
10. Glass Fiber Price Trend and Forecast // ChemAnalyst [Электронный ресурс]. – URL: https://www.chemanalyst.com/Pricing-data/glass-fiber-1558 (дата обращения: 30.05.2025).
11. Carbon Fiber Price Trend and Forecast // Procurement Resource [Электронный ресурс]. – URL: https://www.procurementresource.com/resource-center/carbon-fibre-price-trends (дата обращения: 30.05.2025).
12. BMI raises average aluminum price forecast for 2024 // Steel News [Электронный ресурс]. – URL: https://yieh.com/en/News/NewsItem //151085 (дата обращения: 30.05.2025).
13. Fitch Solutions downgrades global steel price forecast for 2024 // SteelOrbis [Электронный ресурс]. – URL: https://www.steelorbis.com/steel-news/latest-news/fitch-solutions-downgrades-global-steel-price-forecast-for-2024-1356645.htm (дата обращения: 30.05.2025).
14. What Are Thermoplastic Composites? // Collins Aerospace [Электронный ресурс]. – URL: https://www.collinsaerospace.com/what-we-do/industries/commercial-aviation/aerostructures/advanced-structural-materials/thermoplastic-composites/feature-stories/2022/what-are-thermoplastic-composites (дата обращения: 30.05.2025).
15. Тюнин А. В. «Наша цель – сделать Россию передовой страной в области композитных технологий» // Вестник Атомпрома. – № 2. – Март 2024. – 58 с.
16. Composites Use in Construction // CompositesWorld [Электронный ресурс]. – URL: https://www.compositesworld.com/topics/construction (дата обращения: 30.05.2025).
17. Pultron Composites GFRP rebar addresses facility, marina project challenges // CompositesWorld [Электронный ресурс]. – URL: https://www.compositesworld.com/news/pultron-composites-gfrp-rebar-addresses-facility-marina-project-challenges (дата обращения: 30.05.2025).
18. Comparative life cycle assessment of composite structures incorporating uncertainty and global sensitivity analysis // ACMA [Электронный ресурс]. – URL: https://acmanet.org/resources/comparative-life-cycle-assessment-of-composite-structures-incorporating-uncertainty-and-global-sensitivity-analysis/ (дата обращения: 30.05.2025).
19. Qin H. et al. Evaluation of tensile strength variability in fiber reinforced composite rods using statistical distributions //Frontiers in Built Environment. – 2025. – Т. 10. – С. 1506743. – URL: https://www.frontiersin.org/journals/built-environment/articles/10.3389/fbuil.2024.1506743/full (дата обращения: 30.05.2025).
20. Zhou A. Stiffness and strength of fiber reinforced polymer composite bridge deck systems: дис. – Virginia Polytechnic Institute and State University, 2002. – URL: https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstreams/c9f4ee6f-76f1-4cf1-915e-b7d37b65d4eb/download (дата обращения: 30.05.2025).
21. Kossakowski P. G., Wciślik W. Fiber-reinforced polymer composites in the construction of bridges: Opportunities, problems and challenges //Fibers. – 2022. – Т. 10. – №. 4. – С. 37. – URL: https://www.mdpi.com/2079-6439/10/4/37 (дата обращения: 30.05.2025).
22. Paradis Bridge – Europe’s largest composite truss bridge // Haskoning. – 15.10.2024 – URL: https://www.haskoning.com/en/projects/paradis-bridge (дата обращения: 30.05.2025).
23. Hand Lay-Up // Composites Lab. – URL: https://compositeslab.com/composites-manufacturing-processes/open-molding/hand-lay-up/index.html (дата обращения: 30.05.2025).

(Продолжение следует)

The Global Market of Polymer Composites: State, Trends, Prospects

(Сontinued from PM No. 7 2025)

A. I. Filatov

Based on detailed statistical data, this article examines the structure and trends of the polymer composites market and its products. One of the main trends is the transition from small-scale to large-scale production. This is reflected in the widespread use of polymer composites by the main regions of the polymer composites industry (North America, Europe and China) in key industries such as automotive, construction, energy, electronics and electrical engineering. It is in these material-intensive industries that the greatest prospects for the long-term development of the composite industry.

(To be continued)

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 8 (315) 2025 г., с. 46-49.