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干貨 | 聚碳酸酯(PC)在現代塑料工業的應用及研究進展

發布日期:2020-09-11 16:07:21 來源:找塑料 分享到:

聚碳酸酯(Polycarbonate,簡稱PC)屬于一種工程塑料,它是無色、無嗅、透明、無定形的熱塑性聚合物。聚碳酸酯可分為脂肪族類、脂環族類、芳香族類等,但受加工性能以及生產成本等因素制約,只有雙酚A型芳香族聚碳酸酯可大規模工業化生產。


雙酚A型聚碳酸酯因其具有良好的透明性、較強的抗沖擊強度、優良的熱穩定性、耐蠕變性、耐寒性以及良好的電絕緣性、阻燃性,在建筑、電子、汽車、醫療等國民經濟的各個領域中有著廣泛的用途。


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聚碳酸酯生產工藝比較復雜,在全球只有少數幾個大公司具備生產能力,國內的生產廠家都是外資或合資公司,隨著北美和西歐地區在建筑和汽車行業方面需求的增加,亞洲地區尤其是中國正加大PC生產投資規模,2019年全球PC有超過560萬t的產能。



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劣 勢


PC的用途雖然廣泛,但競爭者眾多,成本居高不下,在很多應用領域可以被替代。譬如對溫度和抗沖擊強度要求不高的電冰箱保鮮室和保護層,可以使用低成本的丙烯腈樹脂(SAN)。

在一次性使用容器方面,透明PP,PET,PVC更具競爭力。在食品用具領域,本可以用作水瓶和嬰兒奶瓶的PC產品由于被認為含有雙酚A而在某些國家(如歐盟、加拿大、美國)受到限制。PC產品正被迫向更好、更優、更高端領域邁進,對于其新產品開發能力及應用領域探索提出了更高更廣泛的要求。


02

PC | 主要應用領域

電子電器

PC在較寬的溫、濕度范圍內具有良好的絕緣性和強度,廣泛用作計算機及各種商用電器的外殼、蓋子和結構部件。可制作絕緣套管、線圈框架、電動工具殼體、電冰箱冷凍抽屜、真空吸塵器零件等,也可用于制造尺寸精度很高的零件, 如計算機、錄像機、電視機以及交換器、繼電器等通信器材中的重要部件,由于其出色的光學透明性、光散射性及尺寸穩定性,在42寸以上大屏幕LCD擴散板中獲得應用。PC/ABS合金不僅降低了成本,而且具有更好的加工性及抗紫外性能,可以用來生產注塑筆記本電腦及膝上電腦的薄壁部分。
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建筑材料

長久以來,玻璃是現代生活的主要采光材料,但用于大面積建筑物屋頂要求“輕質高強”,PC 本身的高強度,低密度彌補了玻璃自重大,易碎特點,結合其安全性高,安裝簡便,可設計性強等優勢,從而在當代建筑領域占據了一席之地。當然,僅靠材料本身的性質優勢還不足以完成一項宏大的建筑,正如水泥仍需鋼筋增強一樣,PC作為建筑材料加入了很多設計。


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隨著PC板材生產工藝和生產技術的提升,PC中空板作為一種新型材料在建筑物屋面、面墻及幕墻方面注入了許多新的建筑元素。這種板材又稱“陽光板”,可透過多數可見光,卻能阻擋大部分紅外線和紫外線,自然光通過該板材后在室內形成柔和的漫反射而不致炫目,因此在工業廠房,體育館,展覽館,航空港等大空間大進深建筑中大量采用。

此外,PC板材由于出色的節能效果而被看作是一種綠色建筑材料,李崢嶸等利用EnergyPlus 軟件模擬了上海某建筑的全年能耗, 計算其能耗量及費用,結論是與雙層玻璃窗相比,PC多層板窗的年費用節省在6.2~36.6元/m2。

汽車行業

傳統的車窗和天窗玻璃正在被更輕的PC材料替代,低密度僅僅是發生這一變化的原因之一,塑料的優良加工性能可以使汽車開發設計人員不斷創新,將高度彎曲的PC板與汽車車身結合起來,提高空氣動力效率,菲亞特500L的車窗展示了PC材料在該領域的強大競爭力。PC天窗的發展潛力巨大,中國生產的汽車每3輛就有1輛會配置天窗或全景天窗。高耐熱聚碳酸酯在生產聚光鏡和反射鏡部件時可直接進行真空噴鍍金屬。


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在照明系統中,PC可以用于生產形狀復雜的前燈、尾燈和轉向燈,提高耐沖擊性,由于采用聚碳酸酯,前車燈罩質量較無機玻璃減少了0.5~1.4kg。PC 合金由于具有高機械性能和良好的外觀,在汽車上主要用于外裝件和內飾件,如PC/ABS合金具有優異的耐熱性、耐沖擊性和剛性,良好的加工流動性和涂飾性,是制造汽車儀表板的理想材料,由其制成的儀表板無需進行表面預處理,可以直接噴涂軟質面漆或覆涂PVC膜。

醫療器械

典型的醫療應用領域包括高壓注射器、一次性牙科工具、外科手術面罩、血氧合器、血液收集器、血液分離裝置、外科手術裝置、腎透析設備、靜脈組件和醫用離心機等。能承受高能輻射及高溫消毒而不損失物理性能和變黃以及提高耐化學品性防止開裂是PC在該領域擴大應用的關鍵問題。

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Bayer公司先后推出了多種醫用新品,包括Markrolon2258, MakrolonRx2435 和 MakrolonRx2440。其中 Makrolon Rx2440 是一種新型透明高流動性醫療級PC材料,具有適宜生物相容性,當其經γ射線或電子束輻射或環氧乙烷蒸氣滅菌時,顏色恢復時間比一般PC快,能夠用于多種醫藥設備方面,例如靜脈注射、呼吸道、外科手術、腎臟治療和其他方面。

科思近日發布了MakrolonRx3440 產品, 該材料能耐腫瘤治療和清潔劑中的溶劑。這款醫用聚碳酸酯產品所具備的耐久性和耐化學性有助預防開裂, 讓醫療專業人員能更安全地為腫瘤患者注入藥物。此外,Styron公司推出了EmergePC/PET9100CR合金產品,能夠滿足極端條件下的耐化學性能,不出現塑料表面分解、裂紋、破裂等現象。

其他

PC還可用于薄膜、光學透鏡及包裝領域。薄膜最薄達0.03mm厚,無臭、無毒、高度透明的無色或微黃色,功能很多,有阻燃級、印刷級、防刮花、防靜電之分,可用于電力系統絕緣,特種印刷,手機等電子產品的視窗鏡片。光學級 PC 可用來制作高級攝像機、照相機、顯微鏡、望遠鏡的光學鏡片、眼鏡鏡片,具有優異的抗沖擊性。包裝方面主要用于大容量可重復使用的水瓶及食品用具。
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03

PC | 最新研究進展

從現有文獻來看,PC領域研究熱點主要包括阻燃劑的開發及復合型材料的研制。一方面, 電子電氣領域要求 PC 材料在更薄的情況下能夠穩定阻燃。而在更高端的領域如傳感器、太陽能電池、觸摸屏、顯示器及智能窗等,PC作為基體材料也顯示了一定的應用前景。

阻燃劑

PC阻燃劑的種類眾多,早期有磺酸鹽系阻燃劑、有機磷系阻燃劑、溴系阻燃劑、有機硅系阻燃劑、無機阻燃劑等,各有優缺點。目前市場產品的趨勢是無鹵化,而且以磺酸鹽系阻燃劑居多,主要是因其具有較高的熱變形溫度和相對溫度指數值,但改性PC材料的阻燃等級普遍為UL94V-0(1.0~1.5mm)級。

隨著社會的發展,人們要求電子設備不僅具有實用性和安全性,也強調美觀性。因此,薄壁化和良好的外觀是未來的發展趨勢,這就需要無鹵阻燃 PC 能夠達到更高的阻燃級別,同時具有良好的力學性能、光澤度、熱性能及加工性能。開發新型的阻燃劑或采用阻燃劑復配的方式來滿足材料各項綜合性能的需求是當下各大企業及研究機構始終致力的方向。

上海金發科技發展有限公司的張永等采用美國FRXPolymers公司開發的聚磷酸酯均聚物HM1100作為PC阻燃劑,使阻燃級別達到1.0mm的V-0級,與雙酚A雙二苯基磷酸酯(BDP)相比,大負荷下(1.82MPa) 的熱變形溫度會大幅提升,最高可達123℃ ,且表現出相對 BDP 更高的耐水解性。

復合型PC材料

PC本身具有優異的力學和光學性能,是理想的基體材料。目前的研究包括: 對 PC 本身進行改性,以增強其與其他材料的復合能力;添加炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯等賦予其導電性能; 作為薄膜基體材料與其他薄膜材料復合。

沙特基礎工業公司( SABIC) 是全球頂尖的石化企業, 在熱塑性塑料方面有很強的研發能力,該公司開發了一種新型聚碳酸酯樹脂,主鏈中具有特殊基團,可直接與碳纖維復合,無需采用常規的硅烷偶聯劑改性碳纖維后再與之結合的過程, 具有一定創新性

鄭州大學周冰以聚碳酸酯(PC)為基體,多壁碳納米管(MWNTs)、單壁碳納米管(SWNTs)為導電粒子,通過自主設計的卷對卷(R2R)噴涂裝置,連續制備出SWNTs/MWNTs/PC透明導電薄膜,結果表明其具有良好的柔韌性,通斷電可循環調控透光性和顏色,對柔性智能窗的開發具有重要參考價值


04

結論

人類正處在新材料時代,材料的發展和利用是每一個材料科學家都在關注和思考的問題。PC塑料以其優異的力學、光學和熱學性能格外引人注目,尤其是在高端的應用如電子產品,汽車部件、醫療設備及現代建筑方面的工藝和技術日臻成熟,為其日后的發展提供了強有力的支撐。在經濟全球化的帶動下,人們對物質需求的不斷提高必定會推動 PC 這種內在和外在都具備競爭力的產品的持續發展。

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