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德國發展工業4.0有哪些優勢和挑戰

如果說美國的互聯網+工業模式更強調“互聯網",那么德國的工業4.0模式則更注重“工業",換言之,美國本輪再工業化進程更依賴“軟件"優勢,而德國則更偏重“硬件"。德國工業4.0是工業化與信息化結合的產物,核心是網絡化、信息化和智能化,是真正意義上的工業革命。根據對德國工業領域的考察和研究,其主要優勢體現在信息物理系統、中小企業作用、產業組織、標準先行和人力勞動的靈活性等方面,未來面臨的主要挑戰包括短時間可能難以實現、網絡安全問題、技術成本較高、高人工成本對競爭力的威脅、原有系統能否與工業4.0新系統結合以及信息孤島如何打破。

德國發展工業4.0的主要優勢

——信息物理系統

工業4.0被認為是以智能制造為主導的第四次工業革命,旨在通過深度應用信息技術和網絡物理系統等技術手段,將制造業向智能化轉型,其中CPS(信息物理系統)是關鍵通用技術。德國目前居于地位的有嵌入式系統、傳感器和氣動式控制系統。信息物理系統制造商、M2M、嵌入式系統、智能傳感器和執行器制造商很可能成為市場和創新者。信息物理系統的應用將傳統工業的3C(計算Computing、通信 ComMUniCATion和控制Control)拓展為6C,增加了內容(Content)、協同(Community)、定制化(Customization)。利用新的技術,工業企業可以德國具有比較優勢的信息物理系統包括智能設備、數據存儲系統和生產制造業務流程管理,可以使訂單自動通過整個價值創造鏈條,自動預訂加工機器和材料,自動組織向客戶供貨,自動優化物流體系,并在生產環節實現數字化、可視化的智能制造。

——中小企業發揮重要作用

小而精是德國中小企業的特點,小是指企業的規模相對于大企業而言,從業人數較少,精是指產品的科技含量和單位產值較高。但其實并不是所有的制造業都是以中小企業為主的,這種企業結構主要存在于機器設備制造業以及信息和通信產業,而在金屬、鋼鐵和其他有色金屬制造,重型機械和電力機械制造,人造染料、纖維、肥料以及新材料和化學工業等領域,則是以“大企業"為主導,但也有大量中小企業,且與大企業形成了比較和諧的共存和發展關系。各類智能互聯制造平臺將中小企業整合到新的價值網絡中,進一步增強了中小企業的活力,使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者,同時也成為先進工業生產技術的創造者和供應者,從而帶動產業結構整體升級。

——產業組織結構加速轉型

德國正由傳統的大型企業集團掌控的供應鏈主導型向產業生態型演變,平臺技術以及平臺型企業將在產業中展現出更多的作用。根據德國工業4.0標準化路線圖,可將工業4.0的參與者分為三類:技術供應方、基礎設施供應方和工業用戶,分別負責提供關鍵的產品技術、軟件支持結構或服務以及利用新技術優化生產過程。從生產流程管理、企業業務管理到研究開發產品生命周期的管理形成的 “協同制造模式"(Collaborative Manufacturing Model,CMM),使企業價值鏈從單一的制造環節向上游研發與設計環節延伸,企業管理鏈從上游向下游生產與制造環節拓展,形成集成了工程、生產制造、供應鏈和企業管理的網絡協同制造系統。

——標準先行

標準化是保持*的先決條件、產業競爭的制高點、保證制造業企業市場競爭力的關鍵,也是實行貿易保護的重要技術手段。德國是世界工業標準化的發源地,約有2/3的機械制造標準來自 “德國標準化學會DIN",包括一系列專業委員會,如機械制造標準委員會(NAM)、機床標準委員會(NWM)、電工委員會(DKE)、技術監督協會(TUV)等,以及申克(SCHENCK)、魯爾奇(LURGI)、道依奇(DEUTZ)三大公司的標準化室等。標準的功能主要體現在信息提供上,減少復雜多樣性和不匹配。標準化每年為德國帶來可觀的經濟利益,德國企業對“誰制定標準誰就擁有市場"體會頗深。

——人力勞動的靈活性

未來的工業生產需要大量有素質和能力的員工來面對靈活性的需求。未來控制標準化的日常工作可以依賴信息物理系統,而復雜的決策工作保留給人,生產過程中機器和人的關系將更加緊密,合作方式更加靈活,人的靈活性要與機器設備的靈活性相匹配,組成團隊共同工作。在德國,攜帶智能裝備的人被吸納到工業4.0之中,工人通過移動終端調取相關信息、應用和商業數據,信息可以分散式獲取、加工、反饋。例如越來越多的工廠開始使用IproductionPad作為增強型輔助設備,按照不同情形給人提供相應信息和輔助系統。

一些發達國家用粉石英作硅質原料制成的硅鈣板作為一種無機輕質建筑板材早已生產與應用，但我國目前僅生產石英砂硅鈣板與粉煤灰硅鈣板，

粉石英硅鈣板的研制才剛剛開始。
    多孔粉石英輕質多孔，是制輕體保溫墻體材料的天然輕質原料，而且其產品因為其多孔質輕，通常都具有一定的保溫功能，將其用于墻體材料的

開發使用，可以有效地促進建筑節能的發展。目前國內已經和正在研究開發的硅藻土墻體材料產品硅藻土空心磚與硅藻土免燒磚，但都尚未達到能推

廣使用的水平，其主要原因是硅藻土空心磚的強度比黏土空心磚還要低，而免燒磚所用的一些主要原料水泥、石灰都以商品購入，成本較高，缺乏競

爭力。但隨著技術不斷改進，粉石英制品必將得到推廣使用。在促進建筑節能、保溫、隔熱方面，硅藻土還可用于開發能與其他材料構成復合保溫墻

體的制品，與現在經常使用的制作復合墻體的有機材料相比（如聚苯乙烯泡沫塑料），粉石英制品可能在熱導率、體積密度等方面遜色一些，但在耐

久性、經濟性上有自身的優勢，如輕質硅鈣板在一些發達國家中早已應用。下面是多孔粉石英在建筑材料方面的開發與利用。
  
   （1）輕質墻體材料  我國目前用于輕型墻體材料的主要原料有浮石、火山渣、*、膨脹蛭石、自燃煤矸石、粉煤灰、爐渣、礦渣、石膏

以及人造輕骨料陶料等。*、膨脹蛭石、石膏雖然容重輕，但強度低；自燃煤矸石、爐渣、礦渣雖然強度高，但容重大；人造輕骨料陶料和

粉煤灰投資大，生產成本高；浮石、火山渣容重不同，強度也有高低。而中、低品位粉石英，由于它的多孔性，具有可塑性、黏結性、燒結性，經加

工后有一定硬度和強度。特別是它的特殊結構多孔性，經加工后不僅容重輕，強度也高，是優良的輕質高強墻體材料。我公司多孔粉石英應用研究所

立足于當地非金屬材料研究中心，經多年研究，成功地開發了多孔粉石英輕質砌塊、輕制裁隔熱板、輕質墻板、護欄板等一系列墻體材料，投放市場

后，受到高層建筑業的歡迎，成為有地方特色的一種新產品。
  
   （2）輕質高強保溫磚  我國生產輕質保溫磚已有幾年的歷史。但在新型粉石英添加中還沒有到全面應用，若需要做出更好的保溫磚，我們在開發

和生產工藝上還要有改進和提高。
  
   （3）微孔硅酸鈣   微孔硅酸鈣是一種硬質保溫材料，由于它容重輕、熱導率低、強度高，廣泛用于工業絕熱保溫材料。用多孔粉石英作硅質

原料生產微孔硅酸鈣是一個值得研究探索前景，希望有關廠家能和我們有所溝通，共同發展一條全新的道路。由于硅藻土在該產品應用得一些認

可，而我們的產品又類似于硅藻土，有些特性又是硅藻土不具備的，更重要的是我們的價格比硅藻土要有優勢的多！

   （4）輕骨料    多孔粉石英經熱加工后，容重輕、強度高，是很好的天然輕骨料。用這種類型的粉石英輕骨料配制混凝土（水泥:灰:輕骨料:水

=1:2.245:1.068:1.268,質量比），干容重184KG/m3，抗壓強度13.1MPa,抗折強度2.172MPa,抗拉強度0.87MPa,軟化系數0.71，飽和吸水率23.13%,收縮

值0.106%0，熱導率0.62W/（m.k）。多孔粉石英是優良的輕骨料，已成功用于生產輕型墻體材料。
    需要特別指出的是，多孔粉石英的吸水率只是其自身重量的35%，低于硅藻土（硅藻土能吸收其自身重量1.5~4.0倍的水）之前用硅藻土做輕骨料

的廠家注意了。。。硅藻土輕骨料的吸水率是比較高的，這對生產輕骨料制品是有影響的，盡管國標GB 2841-81《天然輕骨料》對其吸水率未做要求

，但仍要給予足夠重視。因為吸水率高，制品往往收縮值大，稍不注意就會出現裂紋。
  
   （5）隔熱、隔聲、保溫  多孔粉石英是非金屬類隔熱、隔聲、保溫的*原料，其耐火度可達1380℃。隨著人們生活水平的提高，目前高層建筑

物頂層的隔熱問題尚未得到很好的解決，經過在杭州、上海幾家高層建筑大廈的試驗成功，多孔粉石英應用在屋頂面作隔熱層，減少了直接照射，縮

小了頂層與底層的溫差，操作簡單方便、價格低廉、效果良好，而且價格便宜，因而多孔粉石英作為屋頂層的保溫材料應該得到發展和利用。

   （6）多孔粉石英裝飾板  日本大河建筑公司zui近研制成功一種石英板。這種板材具有優良的溫度調節作用，可防止結露和抑制引起過敏癥狀的霉

菌的生長。過去用普通方法很難將粉石英制成無機板材，該公司所用新技術克服了過去生產這種板材的難點，為建筑材料又增添了新產品。這種材料

的主要成分是用70%粉石英作骨料，加入起黏結劑作用的硬質硅石。由于主要成分是硅酸，與玻璃成分相同，能自動吸附室內一定范圍的水分。根據我

們產品試驗，發現我們的產品多孔性結構使該產品吸濕、入濕能力為木炭的幾千倍，而且有助于細菌在墻壁和天花板上繁殖，這些細菌的作用是能分

解污染性的物質以保持室內空氣清新，并可防止香煙中的尼古丁，避免使墻和天花板變色。多孔粉石英板材可在室溫下采用減壓法生產，故無二氧化

碳化生成。它不含膠合板中使用的膠黏劑，不會揮發對人體有害的甲醛。

作為一種主要耐候性粉末涂料的產品，聚氨酯粉末涂料具有以下優勢：

①     在擠出過程中不會有反應發生；

②     在一般固化溫度（140～200℃）下具有較低的熔融黏度，以便獲得良好的潤濕性和流平性；

③     樹脂不含有相對分子量太高的聚合物，使得樹脂的軟化點和熔融溫度接近，從而使固化時的反應速率相匹配；

④     有良好的力學性能和耐磨性；

⑤     有良好的物理儲存穩定性；

⑥     有良好的耐化學腐蝕性；

⑦     耐候性優異；

⑧     噴涂施工性能良好。

正是由于聚氨酯粉末涂料兼具優異的裝飾性和耐候性，因此在家用電器、電氣設備、空調設備、道路柵欄、鋁型材、裝飾材料及汽車零件等方面得到廣泛應用。目前這類粉末涂料統治著美國和日本的粉末市場，其產量已超過混合型粉末涂料。

但是，國內粉末涂料廠家卻很少選用此類型的粉末涂料，除固化劑價格昂貴外，此類型的粉末涂料還存在如下缺點：

①     在固化成膜過程中，要釋放封閉劑，造成烘烤環境的空氣污染，氣味難聞。所以要在固化設備上加有回收封閉劑的處理裝置；

②     涂膜不宜過厚，否則易使涂膜產生針孔、氣泡等毛病；

③     烘烤固化溫度高。

二、聚氨酯粉末涂料的組成

聚氨酯粉末涂料的配制是利用聚酯樹脂中的羥基（R-OH）與異氰酸酯（R-N=C=O）反應來完成，此交聯反應會生成氨基甲酸酯鍵。異氰酸酯中的芳香族，由于耐候性差，很少選用，常選用脂及族的異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和己二異氰酸酯（HDI）做固化劑。

目前，zui常用的體系是只在高于170℃以上才發生反應的已內酰胺封閉的異佛爾酮二異氰酸酯。除了已內酰胺封閉外，還有如二氮丁酮基、環己酮肟等來封閉。

     填料方面：在對硬度及耐候性要求高的前提下選用多孔粉石英這種填料比較合適，多孔粉石英屬于一種火山灰沉積巖。該產品自然粒徑細（0.5μm左右），顆粒分布均勻，比表面積大（8.3m2/g），外形結構近似球型無棱角狀。以電子顯微鏡圖象看，其表面全是納米級的介孔，平均孔徑約為8.8nm（納米）。多孔粉石英表面含有一定數量的羥基（-OH）-硅醇。作為極性官能團，用于粉末涂料中有助于提高產品的附著力和粘結性。另一方面，由于羥基的存在，更容易通過偶聯劑表面處理，增加其交聯、補強的作用，增加產品的物理力學性能又可提高涂膜的拉伸強度。多孔粉石英中含有Zro2，二氧化鋯性質穩定，硬度高，加上多孔粉石英的多孔結構使得涂料有較好的硬度表現，和抗沖擊的性能。

多孔粉石英屬于二氧化硅體系一種，SiO2含量高達98%，耐候性得到充分體現。使用的安全性也被認可，已廣泛用于粉末涂料，廉價的多孔粉石英可以降低粉末涂料的成本，同時替以減少產品中可溶性鋇的含量，達到環保要求。

三、聚氨酯粉末涂料的幾種類型

1.亞光聚氨酯粉末涂料

亞光聚氨酯粉末涂料，主要是靠固化反應期間引起不規則反應速率和微觀結構粗糙程度形成的涂膜，當然實際應用技術應用于降低聚氨酯粉末涂料的光澤還應包括：使用填料；加入微粉蠟之類不相混溶的材料，使用具有兩種不同活性的粉末的混合物；一種樹脂與兩種不同的固化劑的配制；兩種不同樹脂與一種固化劑的配制；使用分散的活性消光劑；使用兩種樹脂和兩種固化劑配制等。

亞光聚氨酯粉末涂料的配方如下：

原材料                 配方/%         原材料                  配方/%

聚氨酯樹脂（高羥基值）   117          安息香                     4

聚氨酯樹脂（低羥基值）   273          蠟粉                      10

封閉異氰酸酯             243          其他助劑                  40

流平劑                    10          顏料                      60

無光填料                 250    

按配方可得光澤度為5°左右的聚氨酯粉末涂料，根據高羥基值樹脂與低羥基值樹脂的比例、填料的品種及加入量，可以調整涂膜光澤。

商家常用的另一種消光方法是通過運用兩種固化劑，一方面使帶有羥基的聚氨酯和己內酰胺封閉的異氰酸酯進行反應；另一方面使固化交聯其羧基的聚氨酯進行反應，該種方法所制得的成品性能也比較穩定。

2.透明聚氨酯粉末涂料

正由于聚氨酯粉末涂料具有優異的流平性和光澤，粉末涂料涂裝的工業應用日益增多，尤其近年來粉末涂料涂裝進入汽車涂料領域。例如現在部分汽車的鋁輪轂噴涂大多數采用罩光清漆或者透明粉末涂料。聚酯透明粉末涂料作為一種比較優異的聚酯型涂料，其優點在于：①涂膜透明清晰、不泛黃、不起霧；②涂膜流平性佳，涂膜豐滿度好；③耐溶劑性能好；④耐擦傷性能優異。

透明聚氨酯粉末涂料由羥基聚酯、封閉異氰酸酯、催化劑、助劑等組合配制，其配方如下：

原材料                 配方/質量份         原材料                  配方/質量份

聚氨酯樹脂                30～80          流平劑                     0.5～1.0

封閉異氰酸酯              15～20          消泡劑                     0.3～0.5

催化劑                    0.1～0.2        其他                         1～2

需要說明的是，在選擇原材料的時候要考慮聚氨酯與固化劑的反應活性及清晰度，還應篩選具有高透明性的流平劑及其他助劑，同時要注意生產工藝，防止交叉污染的產生。

3.內封閉低溫交聯固化體系

基于粉末涂料的發展方向，以及性能方面的考慮，開發內封閉低溫交聯固化體系已成為聚氨酯粉末涂料的研究重點。因為外封閉型IPDI的烘烤過程會釋放出揮發性的己內酰胺，造成針孔、氣泡等弊病，對環境也存在影響。新興的內封閉的IPDI技術，是在烘烤過程中，熱分解生成－NCO基，再與羥基聚酯樹脂反應。

 此內封閉型的IPDI固化體系所得涂膜性能*，只是光澤及流平性較外封閉

型IPDI差。

     聚氨酯粉末涂料的低溫固化，可從兩方面出發，一是選擇合適的固化劑，即適當的IPDI及封閉劑，催化劑的控制；另一方面即選擇合適的樹脂。

4.聚氨酯粉末涂料及耐候型粉末涂料

隨著科技進步和人民生活水平的提高，戶外耐候型粉末涂料以優良的保光保色性而備受涂料工業界同仁所青睞，其應用領域越來越廣泛，所占*會有較大的增加。據2002年世界粉末涂料產量統計，戶外類型的粉末涂料占到粉末涂料總量的38.5% 。

對于各種耐候型粉末涂料，其特點和性能比較表 1-1。