CC BY
133
УДК 678.7:63:61
К. В. Голованова, Д. Е. Михайлов, А. Ю. Маляшова, Л. А. Зенитова
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРОИЗОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ВОДНЫХ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ДИСПЕРСИЙ
Ключевые слова: полиуретан, изоцианат, предполимер, водная полиуретановая дисперсия.
В данной статье представлена информация о компаниях производителях полиуретановых дисперсий и перспективных областях их использования. Приведены возможности получения водных полиуретановых дисперсий энергосберегающим способом, отвечающим мировым экологическим требованиям.
Keywords: polyurethane, isocyanate, prepolymer, water borne polyurethane dispersion, production.
This article provides information about companies producing polyurethane dispersions and promising areas of their use. It is told about the possibility of obtaining water borne polyurethane dispersions in an energy-saving way that meets the world ecological requirements.
Введение
Общим вектором технологического прогресса является переход на энергосберегающие технологии, отвечающие ужесточающимся требованиям к охране окружающей среды. В полной мере это относится к проблеме использования полиуретановых материалов. Одним из решений данного вопроса является отказ от использования материалов на основе органических растворителей и переход на композиции, в которых растворителем будет вода [1].
При использовании водных полиуретановых дисперсий (ВПД) снижается необходимость в вытяжной вентиляции, в рекуперации растворителей, значительно облегчается очистка сточных вод, не происходит загрязнения окружающей среды парами органических растворителей, а оборудование для их приготовления и переработки может быть в обычном, а не в пожаро- и взрывобезопасном исполнении. Отсутствие горючих растворителей значительно снижает капитальные затраты на оборудование в соответствии с действующими строительными нормами, резко улучшает санитарно-гигиенические условия получения и переработки полиуретановых композиций [2].
В тоже время ошибочно утверждать, что водные составы способны полностью заменить растворные пропитки, покрытия и адгезивы. Но, несомненно, и то, что расширение рецептур и направлений использования ВПД может дать не только значительный экологический, но и экономический эффект.
Учитывая вышеизложенное, важной задачей в рамках получения ВПД является разработка одноком-понентного состава с долей сухого остатка не менее 30 %.
Говорить о важности и своевременности исследований в данной области позволяют такие показатели как, импорт полиуретановых дисперсий в Российской Федерации, который в 2010-2016 гг. вырос более чем в два раза [3]. Это значит, что внедрение новых технологий по разработке и производству отечественных водных полиуретановых покрытий и клеев, станет ещё и решением задачи импортозамещения зарубежной продукции конкурентоспособными материалами
с высокими потребительскими характеристиками и сниженной себестоимостью производства.
Спрос на покрытия на основе полиуретановых дисперсий вполне объясним, так как они отличаются исключительно высоким качеством, характеризуются регулируемой скоростью высыхания, атмосферо-, водо-, хим-, абразиво-, морозо- и термостойкостью, обладают превосходной адгезией к различным подложкам, включая металл, древесину, бетон и т.д. [4].
Наиболее массовыми и перспективными продуктами на основе ВПД являются:
• покрытия для металлов, древесины, пластмасс, стекла;
• финишные покрытия для автомобилей;
• пропитки для тканей, бумаги;
• составы со сверхклеящей способностью;
• герметики;
• декоративные косметические композиции
[5].
Полиуретановый рынок России, как и многие другие отрасли, переживает сейчас некоторый спад, однако производство и потребление полиуретанов в нашей стране ещё не достигло уровня, для которого стагнация и уменьшение темпов роста было бы закономерным отражением развития самой отрасли. Потребление полиуретанов на душу населения в России остается в несколько раз ниже, чем в развитых регионах (Северная Америка, Европа), а это значит, что потенциал российского рынка все еще велик, и вслед за спадом обязательно будет новый рост [6].
Ежегодно в мире потребляется около 14 млн.тонн полиуретановой продукции, в том числе и водных полиуретановых дисперсий, получивших признание как материал для покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками и большой добавленной стоимостью. В зависимости от сферы применения продуктов на основе водных полиуре-тановых дисперсий ежегодные темпы роста спроса на них составляют от 8 до 12 %. [7], что наглядно отображено на рисунке 1.
Рис. 1 - Мировой темп роста полиуретановой дисперсии в тоннах
Согласно докладу маркетингового агентства AlliedMarketResearch (США) мировой рынок клеев и герметиков к 2022 году достигнет 66,876 млн $ USD, увеличиваясь в среднем на 3,7% в сравнении с 2016 г. Этот рост будет стимулироваться значительным увеличением инфраструктурной активности, быстрой урбанизацией и прибавлением населения в развивающихся странах в сочетании с активизацией строительно-монтажных работ на развитых рынках Европы и США, которые подогревают спрос на клеевую продукцию и герметики [8].
Рынок глобальных клеящих веществ и герметиков может быть сегментирован как материалы клеящего типа, материалы типа герметика, в соответствии со сферой применения данных составов и их географией.
Если говорить о материалах в отношении их клеящего типа, то рынок классифицируется на адгезивы на основе воды, растворителя, термоплавких, чувствительных к давлению и иных, которые включают реактивные и формальдегидные клеи.
Акриловые, силиконовые, полиуретановые, бутиловые, полисульфидные, латексные и силильные модифицированные герметики на основе полимерных материалов рассматриваются под сегментированием типа герметика. Здесь каждый тип дополнительно классифицируется, чтобы дать более детальное представление об индустрии адгезивов и герметиков. Так, например, в 2015 году на рынке клеящих материалов доминировали адгезивы на водной основе, тогда как на рынке герметиков доминировали силиконовые герметики. Сегодня клеи и герметики имеют широкий спектр применения: производство картона и упаковки, обуви и изделий из кожи; строительство; деревообработка; автомобилестроение; медицина и другие области [9].
Сегмент клеев на водной основе в 2015 году охватывал около 40% от мирового рынка адгезивов. Этот сегмент, как ожидается, продолжит свое лидерство, что обусловлено тенденцией основных отраслей промышленности ориентироваться на конечных пользователей, а именно производителей упаковки и строительной индустрии, где наблюдается повышенный спрос на воднодисперсионные клеевые продукты. [8].
В географическом плане глобальный рынок клеев и герметиков разделен на сегменты Северной Америки, Европы, Азиатско-Тихоокеанского региона и другие. В 2015 году Азиатско-Тихоокеанский регион являлся крупнейшим регионом рынка с одной третью
мирового дохода. За ним следовали рынки Европы и Северной Америки, занимающие четвертую долю мирового дохода, каждый [9].
Проведенные нами маркетинговые исследования показали, что основными мировыми производителями ВПД являются:
• LAMBERTI - итальянская компания, работающая на рынке с 1911 года. С1980 года LAMBERTI занимается производством специального химического сырья для производства промышленных покрытий. Компания предлагает по-лиуретановые дисперсии на водной основе марки ESABOND для производства защитных и декоративных лаков для пластмасс, дерева и металла, а также новую серию полиуретановых клеев и загустителей, также предназначенных для применения в промышленных покрытиях. Основные производственные мощности, технологический и логистический центры компании расположены в соседнем г. Альбиццате. Помимо Италии, офисы и производства концерна расположены в Бразилии, Германии, Индии, Индонезии, Испании, Китае, Польше, России, США, Франции и ЮАР. В России компания представлена офисом в г.Москва (ООО «Ламберти Рус») [10];
• ALBERDINGK BOLEY - немецкая компания. С 1985 года занимается разработками и производством воднодисперсионных полиуретановых составов. Производственные и исследовательские центры находятся в Гринсборо, США, а также в Шэньчжэне, Китай, кроме того есть завод в Кер-пене, Германия [11]. В России компания представлена фирмой-импортером - ООО «Биолайн», располагающейся в Санкт-Петербурге.
• BAYER COVESTRO - переименованное подразделение концерна Bayer MaterialScience. Ведущий производитель высококачественных полимерных материалов, таких как поликарбонаты и полиуретаны. Производит полиуретановые дисперсии для водных покрытий в автомобильной, строительной, мебельной отрасли и иных сфер применения [12]. Восемь крупнейших производственных площадок компании находятся в Германии (Брунсбюттеле, Dormagen, Крефельд-Юрдингене, Леверкузен), Бельгии (Антверпен), Китае (Шанхай), Таиланде (Map Ta Phut) и США (Бэйтаун). В России имеется офис компании -ООО «Ковестро» (г. Москва), занимающийся продажей продукции, а также производственные площадки ООО «КОВЕСТРО» - филиал «Ногинский», территория «Ногинск-Технопарк» [13].
• HENKEL - производит большой ассортимента клеев для мебельной промышленности, в том числе и воднодисперсионных полиуретановых клеев [14]. Торговая марка AQUENCE компании Henkel предлагает инновационные, экологичные клеевые материалы на водной основе. Являясь мировым лидером на рынке клеевых составов на водной основе, AQUENCE стремится к снижению затрат и повышению качества продукции своих клиентов [15].
В России компания представлена филиалами ООО «Хенкель Рус» в городах Москва, Пермь, Энгельс, Тольятти, Коломне, Ставропольском крае, Ульяновской и Новосибирской областях [16].
DOW Chemical Company - присутствует в России и СНГ около 40 лет и, полагаясь на многолетний опыт исследовательской деятельности и глобальное присутствие на рынке, содействует развитию тесных партнерских отношений с местными компаниями и росту химической промышленности в регионе, повышая его конкурентоспособность на международном уровне. В дополнение к торговым представительствам в Москве, Сочи, Киеве и Астане, компания располагает собственным производством полимерных дисперсий в г. Раменское. ООО «ФИННДИСП», дочернее предприятие компании Dow Chemical, официально зарегистрированное в 2003 году, локализовало в 2008 году первую партию продукции для российского рынка. Сегодня ООО «ФИННДИСП» - это современный завод, который выпускает две полимерные дисперсии для производства упаковочной липкой ленты, для изготовления интерьерных и фасадных красок, а также использующихся в качестве связующего вещества в грунтовках и клеях на водной основе. Совместное предприятие «Дау Изолан» запустило в 2009 году производство полиуретановых систем на новом современном заводе во Владимире [17].
Российское производство воднодисперсионных полиуретановых клеев представлено небольшим количеством предприятий.
ООО «НПП «Макромер» им. С.В. Лебедева» - ведущее российское предприятие в области разработки и производства продукции для полимерной технической химии, образованное в 1990 году во Владимире. Компания ориентирована на научные разработки, способствующие получению новой продукции и развитию прогрессивных технологий. НПП «Макромер» производит не только акриловые и полиуретановые дисперсии, но имеет и собственное производство компонентов, необходимых для их получения.
ООО «Научно-производственная фирма «ВАПА» располагается в Санкт-Петербурге и занимается научными исследованиями в области строительных и лакокрасочных материалов. Компания имеет собственные исследовательские, технологические и испытательные лабораториями, а также современную производственную базу для выпуска высокотехнологичной серийной и мелкосерийной продукции для строительных и торговых организаций и промышленных предприятий. Результатом последних разработок предприятия стал запуск производства полиуретанового клея ВАК-С-7 ПУР-1 для мембранного прессования в вакуумных прессах. Клей предназначен для приклеивания пленок ПВХ, ПЭТ, АБС и других синтетических пленок к мелкопористой поверхности древесных материалов, в частности, к плитам МДФ. В продукте отсутствуют пожароопасные и токсичные компоненты, помимо этого, клей практически не имеет запаха [18].
Острым вопросом в химии полиуретанов является приобретение сырья для их производства. Основными компонентами полиуретановых дисперсий являются полиолы (в основном простые и сложные полиэфиры) и различные ди- и полиизоцианаты [19].
По итогам 2015 г. импорт основного полиуре-танового сырья в Россию составил 226 тыс. т, что представлено на рисунке 2 [3].
2012 2013 2014 2015
гад
Рис. 2 - Импорт основного полиуретанового сырья в 2012-2015 тыс. тонн
Это на 1% превышает уровень 2014 г., но всё же меньше, чем в 2012-2013 гг. Прирост показал сегмент полиолов, ввоз которых в Россию вырос на 6% и составил в 2015 г. 70 тыс. т. Положительную динамику показал и метилендифенилдиизо-цианат. Его импорт достиг 117 тыс. т (+3%). А вот сегмент толуилендиизоцианата из года в год демонстрирует падение, так по итогам 2015 г. в Россию было ввезено 39 тыс. т., что на 7% меньше показателя 2014 г. и на 17% цифры в 2012 г. В тоже время в течении 2014 г. введены в эксплуатацию новые заводы по производству толуиленди-изоцианата компаний Bayer Material Scince и BASF мощностью 300 тыс. тонн/г каждый. При этом крупнейшими поставщиками сырья на отечественный рынок остаются азиатские компании.
Таким образом, учитывая важность вопроса импортозамещения и рост спроса как на ВПД, так и на продукты на её основе, организация инновационного предприятия по производству ВПД широкого спектра использования является своевременным и перспективным для Татарстана. Важным является тот факт, что, несмотря на общий дефицит компонентов для полиуретановых систем, на территории РТ сконцентрированы необходимые сырьевые ресурсы и рынки сбыта, обеспечивающие возможность успешной коммерциализации предлагаемого решения. В частности, поставщиками основного компонента (полиолов) могут выступить ПАО «Нижнекамскнефтехим» и ОАО «Казанский завод синтетического каучука», ООО «Запад», а обеспечить и поддерживать спрос позволят развивающиеся компании особой экономической зоны «Алабуга», Технополиса «Химград» и «Камского инновационного территориально-производственного кластера», так как именно они ориентированы на внедрение и использования передовых технологических решений.
Основная часть
Для производства ВПД планируется использование технологической линии, представленной на рисунке 3.
Таблица 1 - Расчет точки безубыточности
Рис. 3 - Технологическая линия
Принципиальная блок-схема технологии получения водной полиуретановой дисперсии, представлена на рисунке 4.
Точка Загрузка про- Загрузка
безубы- изводствен- производ-
Год точности ной мощно- ственной
за год, сти за год, мощности
упаковка упаковка за год, %
2017 241 257 22
2018 291 821 71
2019 291 821 71
2020 272 821 71
2021 264 821 71
2022 263 1 149 100
2023 263 1 149 100
Внутренний УЦ
мрованная вода
Удлинение цепи и
Предполимер получение ион о мер а Дисп ергиров ани е
Графический метод определения точки безубыточности приведен на рисунке 5.
Ионный агент
Внешний УЦ Нейтрализующий агент
Рис. 4 - Блок-схема получения ВПД
Принцип работы технологической линии предположительно должен заключаться в следующем: предварительно высушенный полиэфир и избыток изоциа-ната подаются в смеситель, где при температуре 70-80°С при перемешивании проводится получение предполимера; далее в охлажденную реакционную смесь при перемешивании поступают внутренний удлинитель цепи, и ионный агент, в результате чего происходит удлинение цепи предполимера и образование иономера; процесс диспергирования осуществляется в диссольвере, куда при интенсивном перемешивании добавляют нейтрализующий агент, внешний удлинитель цепи и воду; полученную дисперсию перекачивают в накопитель с мешалкой, где реакционная масса перемешивается ещё в течение 40 минут; далее осуществляется расфасовка готовой ВПД по бочкам объемом 200 литров.
При обосновании рентабельности предлагаемой технологии все затраты в точке безубыточности представлены без учета роста цен (инфляции). В проекте инфляция заложена в ставке дисконтирования, которая равна 15% в год. По данным Центрального банка РФ в 2017 году инфляция составляет 4,3% в год. В процессе расчета были учтены следующие ресурсы, относящиеся к переменным издержкам:
• сырье;
• заработная плата работников;
• страховые отчисления;
• электроэнергия, которую потребляет работающий двигатель станка;
• водоснабжение;
• упаковка готовой продукции.
В итоге стоимость сырья на 1 упаковку готовой продукции составила - 28 400 руб.
В таблице 1 представлена рассчитанная точка безубыточности организации производства мощностью за 7 лет проекта.
Рис. 5 - Графический метод определения точки безубыточности
При объеме инвестиций в проект в размере 5,7 млн. руб., трудоустройстве 15 штатных единиц, времени прогноза на 7 лет была рассчитана экономическая эффективность проекта.
Точка безубыточности, рассчитанная графическим и математическими методами, составляет в первый год 241 упаковки при загрузочных мощностях 257 упаковок (22% от планируемых мощностей). Во второй и последующие годы производство планируется загрузить на 71% производственной мощности, точка безубыточности составит к пятому году 264 упаковки готовой продукции. При выходе на 100% производственных мощностей в шестой и седьмой годы точка безубыточности составит 263 упаковки. Чистый дисконтированный доход составит 57 870 094,57 руб., дисконтированный срок окупаемости - 1 год 1 месяц, индекс рентабельности инвестиций - 56,14 отн.ед, внутренняя норма доходности - 431 %.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что на рынке полиуретановых дисперсий можно выделить воднодисперсионные полиуретаны, которые опережают своих конкурентов тем, что не содержат вредных органических растворителей и полностью отвечают требованиям современных экологических нормативов. ВПД являются относи-
тельно новым видом полиуретановой композиции, которая находит возрастающее применение во многих областях.
Рынок полиуретановых дисперсий, будет активно развиваться, так как это напрямую связано с производством кожевенной, текстильной и военной промышленности.
Российский рынок производителей воднодиспер-сионных полиуретановых клеев является растущим, поисковые и производственные задачи которого решаются инновационными предприятиями малого и среднего бизнеса, ориентированными на выпуск импортозамещающей продукции с высокой добавленной стоимостью.
Одним из наиболее перспективных направлением исследований в области водных полиуретановых дисперсий является производство клеев для мембранно-вакуумного прессования, спрос на которые растет вместе с развитием строительной и мебельной инду-стрий. Всё это свидетельствует о возможности организации в России нового предприятия по производству однокомпонентных водных полиуретановых дисперсий по технологии, предполагающей отсутствие использования органических растворителей. Конкурентоспособность такого производства будет обеспечена те только наличием отечественной сырьевой полиэфирной базы, но и более энергоэффективной и экологичной технологий, где будет отсутствовать стадия отгонки растворителя.
Литература
1. Д. Стойе, В. Фрейтаг (ред.), Краски, покрытия, растворители./; пер. с англ. 2-ое изд. Под ред Э.Ф. Ицко. ЦОП «Профессия». Санкт-Петербург, 2012. 528 с. ил.
2. А.С. Фрейдин, Полимерные водные клеи. Химия. Москва, 1985. 144 с., ил.
3. Полиуретаны 2016: Оптимизм без компонента [Электронный ресурс] // URL:http://www.creonenergy.ra/news/post_reHzy/detailPostp hp?ID=116166 [сайт]. (дата обращения: 19.06.2017).
4. Ульрих Майер-Вестус. Полиуретаны: покрытия, клеи и герметики. М.: «Пэйнт-Медиа», 2009. 399 с
5. Н. Помешкина, Chemical journal. - август-сентябрь 2003. - С.62-63.
6. [Электронный ресурс]. - Режим досту-па:http://wwwpropartners.ru/news%20letters/News%20le tter0/o20PUR%20March%200/oD0%B2%D1%8B%D0%BF %D1%83 %D 1 %81 %D0%BA%201.2015.pdf
7. Н. Помешкина, Chemical journal. - август-сентябрь 2003. - С.88-89.
8. Дворецков Г.А. Сб. тезисов Научно-деловая программа Международного военно-технического форума «АРМИЯ-2016». Москва, 2016, С.121.
9. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.alliedmarketresearch.com/adhesives-sealants-market.
10. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lamberti.ru/products/paints.cfm
11. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.alberdingk-boley.de/].
12. [Электронный ресурс]. - Режим досту-па:https://www.bayer.ru/products/subgroups/covestro/
13. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.covestro.ru/ru-ru/company/directory.
14. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http ://www. sphinx.ru/catalog/adhesives/.
15. [Электронный ресурс]. - Режим досту-rn:http: //www. henkel-
adhesives.ru/1073_RUR_HTML.htm?nodeid=879757059 7006.
16. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.henkel.ru/company/local-presence.
17. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dow.com/ru-ru/russia/company/our-operations.
18. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.vapa.ru/new/lak.php.
19. И.Ю. Аверко-Антонович, Синтетические латексы. Химико-технологические аспекты синтеза, модификации, применения. Альфа-М. Москва, 2005. 680 с. ил.
© К. В. Голованова - студ. каф. технологии ситнетичексого каучука КНИТУ; Д. Е. Михайлов - студ. каф. ИХТ КНИТУ; А. Ю. Маляшова - асс. той же кафедры; Л. А. Зенитова - д-р техн. наук, проф. каф. технологии ситнетичексого каучука КНИТУ, zenit@kstu.ru.
© K. B. Golovanova - stud., Technology of synthetic rubber Department, KNRTU; D. E. Mikhailov - stud., Innovations in chemical technology Department, KNRTU; A. Yu. Malyashova - assistant, Innovations in chemical technology Department, KNRTU; L. A. Zenitova - Doctor of Engineering, Professor, Technology of synthetic rubber Department, KNRTU, zenit@kstu.ru.
