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德国发展工业4.0有哪些优势和挑战

如果说美国的互联网+工业模式更强调“互联网",那么德国的工业4.0模式则更注重“工业",换言之,美国本轮再工业化进程更依赖“软件"优势,而德国则更偏重“硬件"。德国工业4.0是工业化与信息化结合的产物,核心是网络化、信息化和智能化,是真正意义上的工业革命。根据对德国工业领域的考察和研究,其主要优势体现在信息物理系统、中小企业作用、产业组织、标准先行和人力劳动的灵活性等方面,未来面临的主要挑战包括短时间可能难以实现、网络安全问题、技术成本较高、高人工成本对竞争力的威胁、原有系统能否与工业4.0新系统结合以及信息孤岛如何打破。

德国发展工业4.0的主要优势

——信息物理系统

工业4.0被认为是以智能制造为主导的第四次工业革命,旨在通过深度应用信息技术和网络物理系统等技术手段,将制造业向智能化转型,其中CPS(信息物理系统)是关键通用技术。德国目前居于地位的有嵌入式系统、传感器和气动式控制系统。信息物理系统制造商、M2M、嵌入式系统、智能传感器和执行器制造商很可能成为市场和创新者。信息物理系统的应用将传统工业的3C(计算Computing、通信 ComMUniCATion和控制Control)拓展为6C,增加了内容(Content)、协同(Community)、定制化(Customization)。利用新的技术,工业企业可以德国具有比较优势的信息物理系统包括智能设备、数据存储系统和生产制造业务流程管理,可以使订单自动通过整个价值创造链条,自动预订加工机器和材料,自动组织向客户供货,自动优化物流体系,并在生产环节实现数字化、可视化的智能制造。

——中小企业发挥重要作用

小而精是德国中小企业的特点,小是指企业的规模相对于大企业而言,从业人数较少,精是指产品的科技含量和单位产值较高。但其实并不是所有的制造业都是以中小企业为主的,这种企业结构主要存在于机器设备制造业以及信息和通信产业,而在金属、钢铁和其他有色金属制造,重型机械和电力机械制造,人造染料、纤维、肥料以及新材料和化学工业等领域,则是以“大企业"为主导,但也有大量中小企业,且与大企业形成了比较和谐的共存和发展关系。各类智能互联制造平台将中小企业整合到新的价值网络中,进一步增强了中小企业的活力,使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者,同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者,从而带动产业结构整体升级。

——产业组织结构加速转型

德国正由传统的大型企业集团掌控的供应链主导型向产业生态型演变,平台技术以及平台型企业将在产业中展现出更多的作用。根据德国工业4.0标准化路线图,可将工业4.0的参与者分为三类:技术供应方、基础设施供应方和工业用户,分别负责提供关键的产品技术、软件支持结构或服务以及利用新技术优化生产过程。从生产流程管理、企业业务管理到研究开发产品生命周期的管理形成的 “协同制造模式"(Collaborative Manufacturing Model,CMM),使企业价值链从单一的制造环节向上游研发与设计环节延伸,企业管理链从上游向下游生产与制造环节拓展,形成集成了工程、生产制造、供应链和企业管理的网络协同制造系统。

——标准先行

标准化是保持*的先决条件、产业竞争的制高点、保证制造业企业市场竞争力的关键,也是实行贸易保护的重要技术手段。德国是世界工业标准化的发源地,约有2/3的机械制造标准来自 “德国标准化学会DIN",包括一系列专业委员会,如机械制造标准委员会(NAM)、机床标准委员会(NWM)、电工委员会(DKE)、技术监督协会(TUV)等,以及申克(SCHENCK)、鲁尔奇(LURGI)、道依奇(DEUTZ)三大公司的标准化室等。标准的功能主要体现在信息提供上,减少复杂多样性和不匹配。标准化每年为德国带来可观的经济利益,德国企业对“谁制定标准谁就拥有市场"体会颇深。

——人力劳动的灵活性

未来的工业生产需要大量有素质和能力的员工来面对灵活性的需求。未来控制标准化的日常工作可以依赖信息物理系统,而复杂的决策工作保留给人,生产过程中机器和人的关系将更加紧密,合作方式更加灵活,人的灵活性要与机器设备的灵活性相匹配,组成团队共同工作。在德国,携带智能装备的人被吸纳到工业4.0之中,工人通过移动终端调取相关信息、应用和商业数据,信息可以分散式获取、加工、反馈。例如越来越多的工厂开始使用IproductionPad作为增强型辅助设备,按照不同情形给人提供相应信息和辅助系统。

一些发达国家用粉石英作硅质原料制成的硅钙板作为一种无机轻质建筑板材早已生产与应用，但我国目前仅生产石英砂硅钙板与粉煤灰硅钙板，

粉石英硅钙板的研制才刚刚开始。
    多孔粉石英轻质多孔，是制轻体保温墙体材料的天然轻质原料，而且其产品因为其多孔质轻，通常都具有一定的保温功能，将其用于墙体材料的

开发使用，可以有效地促进建筑节能的发展。目前国内已经和正在研究开发的硅藻土墙体材料产品硅藻土空心砖与硅藻土免烧砖，但都尚未达到能推

广使用的水平，其主要原因是硅藻土空心砖的强度比黏土空心砖还要低，而免烧砖所用的一些主要原料水泥、石灰都以商品购入，成本较高，缺乏竞

争力。但随着技术不断改进，粉石英制品必将得到推广使用。在促进建筑节能、保温、隔热方面，硅藻土还可用于开发能与其他材料构成复合保温墙

体的制品，与现在经常使用的制作复合墙体的有机材料相比（如聚苯乙烯泡沫塑料），粉石英制品可能在热导率、体积密度等方面逊色一些，但在耐

久性、经济性上有自身的优势，如轻质硅钙板在一些发达国家中早已应用。下面是多孔粉石英在建筑材料方面的开发与利用。
  
   （1）轻质墙体材料  我国目前用于轻型墙体材料的主要原料有浮石、火山渣、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、自燃煤矸石、粉煤灰、炉渣、矿渣、石膏

以及人造轻骨料陶料等。膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、石膏虽然容重轻，但强度低；自燃煤矸石、炉渣、矿渣虽然强度高，但容重大；人造轻骨料陶料和

粉煤灰投资大，生产成本高；浮石、火山渣容重不同，强度也有高低。而中、低品位粉石英，由于它的多孔性，具有可塑性、黏结性、烧结性，经加

工后有一定硬度和强度。特别是它的特殊结构多孔性，经加工后不仅容重轻，强度也高，是优良的轻质高强墙体材料。我公司多孔粉石英应用研究所

立足于当地非金属材料研究中心，经多年研究，成功地开发了多孔粉石英轻质砌块、轻制裁隔热板、轻质墙板、护栏板等一系列墙体材料，投放市场

后，受到高层建筑业的欢迎，成为有地方特色的一种新产品。
  
   （2）轻质高强保温砖  我国生产轻质保温砖已有几年的历史。但在新型粉石英添加中还没有到全面应用，若需要做出更好的保温砖，我们在开发

和生产工艺上还要有改进和提高。
  
   （3）微孔硅酸钙   微孔硅酸钙是一种硬质保温材料，由于它容重轻、热导率低、强度高，广泛用于工业绝热保温材料。用多孔粉石英作硅质

原料生产微孔硅酸钙是一个值得研究探索前景，希望有关厂家能和我们有所沟通，共同发展一条全新的道路。由于硅藻土在该产品应用得一些认

可，而我们的产品又类似于硅藻土，有些特性又是硅藻土不具备的，更重要的是我们的价格比硅藻土要有优势的多！

   （4）轻骨料    多孔粉石英经热加工后，容重轻、强度高，是很好的天然轻骨料。用这种类型的粉石英轻骨料配制混凝土（水泥:灰:轻骨料:水

=1:2.245:1.068:1.268,质量比），干容重184KG/m3，抗压强度13.1MPa,抗折强度2.172MPa,抗拉强度0.87MPa,软化系数0.71，饱和吸水率23.13%,收缩

值0.106%0，热导率0.62W/（m.k）。多孔粉石英是优良的轻骨料，已成功用于生产轻型墙体材料。
    需要特别指出的是，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）之前用硅藻土做轻骨料

的厂家注意了。。。硅藻土轻骨料的吸水率是比较高的，这对生产轻骨料制品是有影响的，尽管国标GB 2841-81《天然轻骨料》对其吸水率未做要求

，但仍要给予足够重视。因为吸水率高，制品往往收缩值大，稍不注意就会出现裂纹。
  
   （5）隔热、隔声、保温  多孔粉石英是非金属类隔热、隔声、保温的*原料，其耐火度可达1380℃。随着人们生活水平的提高，目前高层建筑

物顶层的隔热问题尚未得到很好的解决，经过在杭州、上海几家高层建筑大厦的试验成功，多孔粉石英应用在屋顶面作隔热层，减少了直接照射，缩

小了顶层与底层的温差，操作简单方便、价格低廉、效果良好，而且价格便宜，因而多孔粉石英作为屋顶层的保温材料应该得到发展和利用。

   （6）多孔粉石英装饰板  日本大河建筑公司zui近研制成功一种石英板。这种板材具有优良的温度调节作用，可防止结露和抑制引起过敏症状的霉

菌的生长。过去用普通方法很难将粉石英制成无机板材，该公司所用新技术克服了过去生产这种板材的难点，为建筑材料又增添了新产品。这种材料

的主要成分是用70%粉石英作骨料，加入起黏结剂作用的硬质硅石。由于主要成分是硅酸，与玻璃成分相同，能自动吸附室内一定范围的水分。根据我

们产品试验，发现我们的产品多孔性结构使该产品吸湿、入湿能力为木炭的几千倍，而且有助于细菌在墙壁和天花板上繁殖，这些细菌的作用是能分

解污染性的物质以保持室内空气清新，并可防止香烟中的尼古丁，避免使墙和天花板变色。多孔粉石英板材可在室温下采用减压法生产，故无二氧化

碳化生成。它不含胶合板中使用的胶黏剂，不会挥发对人体有害的甲醛。

作为一种主要耐候性粉末涂料的产品，聚氨酯粉末涂料具有以下优势：

①     在挤出过程中不会有反应发生；

②     在一般固化温度（140～200℃）下具有较低的熔融黏度，以便获得良好的润湿性和流平性；

③     树脂不含有相对分子量太高的聚合物，使得树脂的软化点和熔融温度接近，从而使固化时的反应速率相匹配；

④     有良好的力学性能和耐磨性；

⑤     有良好的物理储存稳定性；

⑥     有良好的耐化学腐蚀性；

⑦     耐候性优异；

⑧     喷涂施工性能良好。

正是由于聚氨酯粉末涂料兼具优异的装饰性和耐候性，因此在家用电器、电气设备、空调设备、道路栅栏、铝型材、装饰材料及汽车零件等方面得到广泛应用。目前这类粉末涂料统治着美国和日本的粉末市场，其产量已超过混合型粉末涂料。

但是，国内粉末涂料厂家却很少选用此类型的粉末涂料，除固化剂价格昂贵外，此类型的粉末涂料还存在如下缺点：

①     在固化成膜过程中，要释放封闭剂，造成烘烤环境的空气污染，气味难闻。所以要在固化设备上加有回收封闭剂的处理装置；

②     涂膜不宜过厚，否则易使涂膜产生针孔、气泡等毛病；

③     烘烤固化温度高。

二、聚氨酯粉末涂料的组成

聚氨酯粉末涂料的配制是利用聚酯树脂中的羟基（R-OH）与异氰酸酯（R-N=C=O）反应来完成，此交联反应会生成氨基甲酸酯键。异氰酸酯中的芳香族，由于耐候性差，很少选用，常选用脂及族的异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）和己二异氰酸酯（HDI）做固化剂。

目前，zui常用的体系是只在高于170℃以上才发生反应的已内酰胺封闭的异佛尔酮二异氰酸酯。除了已内酰胺封闭外，还有如二氮丁酮基、环己酮肟等来封闭。

     填料方面：在对硬度及耐候性要求高的前提下选用多孔粉石英这种填料比较合适，多孔粉石英属于一种火山灰沉积岩。该产品自然粒径细（0.5μm左右），颗粒分布均匀，比表面积大（8.3m2/g），外形结构近似球型无棱角状。以电子显微镜图象看，其表面全是纳米级的介孔，平均孔径约为8.8nm（纳米）。多孔粉石英表面含有一定数量的羟基（-OH）-硅醇。作为极性官能团，用于粉末涂料中有助于提高产品的附着力和粘结性。另一方面，由于羟基的存在，更容易通过偶联剂表面处理，增加其交联、补强的作用，增加产品的物理力学性能又可提高涂膜的拉伸强度。多孔粉石英中含有Zro2，二氧化锆性质稳定，硬度高，加上多孔粉石英的多孔结构使得涂料有较好的硬度表现，和抗冲击的性能。

多孔粉石英属于二氧化硅体系一种，SiO2含量高达98%，耐候性得到充分体现。使用的安全性也被认可，已广泛用于粉末涂料，廉价的多孔粉石英可以降低粉末涂料的成本，同时替以减少产品中可溶性钡的含量，达到环保要求。

三、聚氨酯粉末涂料的几种类型

1.亚光聚氨酯粉末涂料

亚光聚氨酯粉末涂料，主要是靠固化反应期间引起不规则反应速率和微观结构粗糙程度形成的涂膜，当然实际应用技术应用于降低聚氨酯粉末涂料的光泽还应包括：使用填料；加入微粉蜡之类不相混溶的材料，使用具有两种不同活性的粉末的混合物；一种树脂与两种不同的固化剂的配制；两种不同树脂与一种固化剂的配制；使用分散的活性消光剂；使用两种树脂和两种固化剂配制等。

亚光聚氨酯粉末涂料的配方如下：

原材料                 配方/%         原材料                  配方/%

聚氨酯树脂（高羟基值）   117          安息香                     4

聚氨酯树脂（低羟基值）   273          蜡粉                      10

封闭异氰酸酯             243          其他助剂                  40

流平剂                    10          颜料                      60

无光填料                 250    

按配方可得光泽度为5°左右的聚氨酯粉末涂料，根据高羟基值树脂与低羟基值树脂的比例、填料的品种及加入量，可以调整涂膜光泽。

商家常用的另一种消光方法是通过运用两种固化剂，一方面使带有羟基的聚氨酯和己内酰胺封闭的异氰酸酯进行反应；另一方面使固化交联其羧基的聚氨酯进行反应，该种方法所制得的成品性能也比较稳定。

2.透明聚氨酯粉末涂料

正由于聚氨酯粉末涂料具有优异的流平性和光泽，粉末涂料涂装的工业应用日益增多，尤其近年来粉末涂料涂装进入汽车涂料领域。例如现在部分汽车的铝轮毂喷涂大多数采用罩光清漆或者透明粉末涂料。聚酯透明粉末涂料作为一种比较优异的聚酯型涂料，其优点在于：①涂膜透明清晰、不泛黄、不起雾；②涂膜流平性佳，涂膜丰满度好；③耐溶剂性能好；④耐擦伤性能优异。

透明聚氨酯粉末涂料由羟基聚酯、封闭异氰酸酯、催化剂、助剂等组合配制，其配方如下：

原材料                 配方/质量份         原材料                  配方/质量份

聚氨酯树脂                30～80          流平剂                     0.5～1.0

封闭异氰酸酯              15～20          消泡剂                     0.3～0.5

催化剂                    0.1～0.2        其他                         1～2

需要说明的是，在选择原材料的时候要考虑聚氨酯与固化剂的反应活性及清晰度，还应筛选具有高透明性的流平剂及其他助剂，同时要注意生产工艺，防止交叉污染的产生。

3.内封闭低温交联固化体系

基于粉末涂料的发展方向，以及性能方面的考虑，开发内封闭低温交联固化体系已成为聚氨酯粉末涂料的研究重点。因为外封闭型IPDI的烘烤过程会释放出挥发性的己内酰胺，造成针孔、气泡等弊病，对环境也存在影响。新兴的内封闭的IPDI技术，是在烘烤过程中，热分解生成－NCO基，再与羟基聚酯树脂反应。

 此内封闭型的IPDI固化体系所得涂膜性能优越，只是光泽及流平性较外封闭

型IPDI差。

     聚氨酯粉末涂料的低温固化，可从两方面出发，一是选择合适的固化剂，即适当的IPDI及封闭剂，催化剂的控制；另一方面即选择合适的树脂。

4.聚氨酯粉末涂料及耐候型粉末涂料

随着科技进步和人民生活水平的提高，户外耐候型粉末涂料以优良的保光保色性而备受涂料工业界同仁所青睐，其应用领域越来越广泛，所占*会有较大的增加。据2002年世界粉末涂料产量统计，户外类型的粉末涂料占到粉末涂料总量的38.5% 。

对于各种耐候型粉末涂料，其特点和性能比较表 1-1。