Polikarbonat (na kratko PC)

Polikarbonat (PC) je linearna termoplastična inženirska plastika, ki vsebuje karbonatne skupine. Od industrializacije v petdesetih letih prejšnjega stoletja je zaradi svoje odlične prosojnosti, odpornosti na udarce in toplotne odpornosti postal nepogrešljiv ključni material v vrhunski proizvodnji. Od prozornih komponent v letalstvu do vsakdanjih očalnih leč, od otroških stekleničk do neprebojnega stekla je PC s svojo edinstveno celovito zmogljivostjo pokazal nenadomestljive prednosti na številnih področjih, hkrati pa nenehno širi meje svoje uporabe pri okoljskih inovacijah in tehnoloških nadgradnjah.

1. Molekularna struktura in značilnosti jedra

Odličnost PC-ja je v njegovi edinstveni molekularni verižni strukturi. Benzenski obroč in karbonatne skupine, ki jih vsebujejo ponavljajoče se enote, tvorijo togo in prožno molekularno ogrodje: benzenski obroč daje materialu togost in toplotno odpornost, medtem ko etrske vezi v karbonatnih skupinah zagotavljajo določeno stopnjo prožnosti. Ta struktura omogoča PC-ju, da ohrani visoko trdnost, hkrati pa ima odlično odpornost proti udarcem.

Izjemne mehanske lastnosti

Odpornost na udarce je PC, njegova najpomembnejša lastnost, z zarezno udarno trdnostjo do 60-80 kJ/m², kar je 250-krat več kot pri navadnem steklu in 30-krat več kot pri PMMA. Pri -40 ℃ lahko ohrani več kot 70 % svoje udarne žilavosti, zaradi česar se pogosto uporablja v scenarijih, ki zahtevajo odpornost na udarce. Njegova natezna trdnost je 60-70 MPa, upogibni modul je 2200-2400 MPa, njegova togost pa je boljša od večine običajnih plastik, kar lahko izpolnjuje mehanske zahteve konstrukcijskih komponent. Vendar je odpornost PC proti obrabi slaba, koeficient trenja pa visok (0,3-0,4), kar je treba izboljšati z dodajanjem maziv ali mešanjem s PTFE.

Prednosti optičnih in toplotnih lastnosti

PC ima odlično prosojnost, s prepustnostjo svetlobe do 89–90 %, meglico manj kot 1 %, kar je blizu PMMA in steklu, ter nizko prepustnostjo ultravijoličnih žarkov (skoraj brez prepustnosti pod 300 nm), zaradi česar je primeren za izdelavo leč za sončenje in prozornih komponent za zunanjo uporabo. Njegova temperatura toplotne deformacije (HDT, 1,82 MPa) je 130–140 ℃, njegova temperatura neprekinjene uporabe pa 120–130 ℃. Lahko se uporablja kratek čas pri temperaturi vrele vode, kar je boljše od materialov, kot sta ABS in PS. PC ima nizek koeficient linearnega raztezanja (6–7 × 10⁻⁵/℃), dobro dimenzijsko stabilnost in je primeren za izdelavo preciznih komponent.

Kemijske in predelovalne lastnosti

PC ima dobro toleranco na vodo, razredčene kisline in raztopine soli, vendar ga lahko poškodujejo organska topila, kot so ketoni, estri in aromatski ogljikovodiki. Njegova predelovalna zmogljivost je posebna, z visoko viskoznostjo taline, ki zahteva oblikovanje pri visokih temperaturah (260–300 ℃) in tlakih ter močno absorpcijo vlage (ravnovesna stopnja absorpcije vode 0,3 %). Pred obdelavo ga je treba strogo posušiti (vsebnost vlage ≤ 0,005 %), sicer se lahko pojavijo napake, kot so mehurčki in srebrne žice. PC se lahko oblikuje z brizganjem, ekstrudiranjem, pihanjem in drugimi postopki, primernimi za izdelavo prozornih izdelkov kompleksnih oblik. Vendar je stopnja krčenja pri oblikovanju nizka (0,5 %–0,7 %), za zmanjšanje notranjih napetosti pa je potreben natančen nadzor temperature kalupa.

2. Proizvodni proces in viri surovin

Proizvodni proces PC je kompleksen in ima visoke tehnične ovire. Bistvo je tvorba polimernih verig s kondenzacijsko reakcijo bisfenola A in difenil karbonata. Čistost surovin in nadzor procesa neposredno vplivata na delovanje izdelka.

Sistem surovin in industrijska veriga

Glavni surovini za PC sta bisfenol A (BPA) in difenil karbonat (DPC), pri čemer bisfenol A predstavlja več kot 70 % stroškov surovine. Proizvaja se s kondenzacijo fenola in acetona pod kislimi katalizatorji; difenil karbonat pa se proizvaja z reakcijo fenola s fosgenom ali z oksidativno karbonilacijo. Uporaba fosgena v tradicionalnih procesih predstavlja varnostna tveganja, zato je trenutno postala prevladujoča okolju prijazna metoda brez fosgena (metoda izmenjave estrov). Bisfenol A in difenil karbonat prihajata iz petrokemične industrijske verige. V zadnjih letih je bil dosežen napredek pri raziskavah in razvoju biološko zasnovanega bisfenola A, ki s fermentacijo biomase proizvaja fenol in ponuja možnost za okolju prijaznejše PC.

Primerjava glavnih proizvodnih procesov

Za industrijsko proizvodnjo PC obstajata dva glavna postopka: metoda izmenjave estrov s taljenjem in metoda medfazne kondenzacije. Pri metodi izmenjave estrov s taljenjem pride do reakcije izmenjave estrov med bisfenolom A in difenil karbonatom pri visoki temperaturi (200–300 ℃) in vakuumu, pri čemer se odstranijo majhne molekule fenola in tvori talina PC. Ta postopek ne zahteva topil in ima dobro zaščito okolja, vendar zahteva visoke zahteve glede tesnjenja opreme, zaradi česar je primeren za proizvodnjo PC z nizko do srednjo molekulsko maso (intrinzična viskoznost 0,3–0,6 dL/g). Metoda medfazne kondenzacije reagira na vmesniku med vodno in organsko fazo. Natrijeva sol bisfenola A in fosgen se kondenzirata v diklorometanu, kar ima za posledico produkt z visoko molekulsko maso (intrinzična viskoznost 0,6–1,0 dL/g). Vendar pa zahteva čiščenje odpadne vode, ki vsebuje klor, in se sooča z visokim okoljskim pritiskom. Trenutno jo postopoma nadomešča metoda taljenja.

Po končani polimerizaciji se talina PC ekstrudira in granulira v prozorne delce, po potrebi pa se dodajo dodatki, kot so antioksidanti (za preprečevanje razgradnje pri visokih temperaturah), UV-absorberji (za izboljšanje odpornosti na vremenske vplive) in ločevalna sredstva (za izboljšanje predelave). PC živilske kakovosti zahteva strog nadzor ostankov bisfenola A (≤ 0,05 mg/kg), medtem ko PC medicinske kakovosti zahteva certifikat o biozdružljivosti (kot je USP razred VI).

3. Sistem klasifikacije in tehnologija modifikacije

PC je s tehnologijo regulacije in modifikacije molekulske mase oblikoval raznolik sistem izdelkov, ki lahko izpolnjuje zahteve glede delovanja v različnih scenarijih. Glavne metode klasifikacije vključujejo molekulsko maso, funkcionalne značilnosti in metode predelave.

Osnovna klasifikacija in tipične stopnje

Glede na intrinzično viskoznost (indeks molekulske mase) ga lahko razdelimo na nizko viskoznost (0,3–0,5 dL/g, visoka tekočnost, primerno za tankostensko brizganje), srednjo viskoznost (0,5–0,7 dL/g, univerzalni scenarij) in visoko viskoznost (0,7–1,0 dL/g, visoka trdnost, primerno za ekstrudirane plošče in pihanje). Glede na funkcionalne značilnosti ga delimo na splošno kakovost (osnovna zmogljivost, uporablja se za prozorne komponente), vremensko odporno kakovost (z dodanimi ultravijoličnimi absorberji, uporablja se za zunanje izdelke), negorljivo kakovost (certificirano po standardu UL94 V0, uporablja se za elektronske naprave) in medicinsko kakovost (nizka topnost, uporablja se za medicinske pripomočke).

Tehnologija modifikacije in legirani materiali

Tehnologija modifikacije PC se uporablja predvsem za kompenzacijo njegove slabe odpornosti proti obrabi in nezadostne kemične odpornosti: dodajanje steklenih vlaken (10 % -40 %) za modifikacijo ojačitve, povečanje natezne trdnosti na 100–150 MPa in zvišanje temperature vroče deformacije na 160–180 ℃, primerno za izdelavo konstrukcijskih komponent; modifikacija proti obrabi z mazivi, kot sta PTFE in silikon, zmanjšanje koeficienta trenja za več kot 50 %, ki se uporablja za gibljive dele, kot so ležaji in zobniki; modifikacija, odporna proti kemikalijam, se meša z ABS, PBT in drugimi materiali za izboljšanje odpornosti na topila. Na primer, zlitina PC/ABS združuje toplotno odpornost PC in kemično odpornost ABS ter se pogosto uporablja v notranjosti avtomobilov.

Zlitina PC je pomembna smer za širitev njene uporabe. Zlitina PC/ABS predstavlja več kot 70 % celotne zlitine PC, z udarno trdnostjo 20–50 kJ/m², temperaturo vroče deformacije 100–120 ℃ in nižjimi stroški kot čisti PC. Zlitina PC/PET izboljša odpornost proti olju in obdelovalnost ter se uporablja za periferne komponente avtomobilskih motorjev; zlitina PC/PMMA izboljša odpornost PC proti praskam in se uporablja za ohišja in leče mobilnih telefonov.

4. Raznolika področja uporabe

PC s svojimi kombiniranimi prednostmi prosojnosti, visoke trdnosti in toplotne odpornosti zavzema osrednji položaj na področjih, kot so elektronika, avtomobilska industrija, medicina in gradbeništvo, ter je pomemben material za vrhunsko proizvodnjo.

Elektronska in 3C industrija: enak poudarek na preglednosti in zaščiti

Elektronski sektor je največji trg za osebne računalnike, pri čemer ohišja za telefone in okvirji za zaslone prenosnikov izkoriščajo odpornost na udarce in dimenzijsko stabilnost zlitine PC/ABS; sprednji okvir monitorja in televizorja je izdelan iz negorljivega PC-ja, ki izpolnjuje zahteve glede požarne zaščite. Prozorne komponente izdelkov 3C, kot so zaščitne leče za kamere mobilnih telefonov in ohišja tablic, so izdelane iz PC-ja, odpornega proti praskam (površinsko utrjena obdelava), s prepustnostjo svetlobe 90 % in odpornostjo na udarce. Poleg tega se senčniki za LED-sijalke in optične leče prav tako zanašajo na prosojnost in toplotno odpornost PC-ja (za prilagoditev odvajanju toplote LED-jev).

Avtomobilska industrija: Združevanje varnosti in lahke teže

Uporaba PC v avtomobilih se osredotoča na varnost in prozorne komponente: pokrov sprednjega žarometa je izdelan iz vremensko odpornega PC-ja, ki ima visoko prepustnost svetlobe in odpornost proti udarcem gramoza ter tehta le polovico stekla; pokrov armaturne plošče in okna (kot je panoramsko strešno okno) povečujejo varnost vožnje z izkoriščanjem svoje prozornosti in odpornosti na udarce. Ohišje akumulatorja novih vozil z energijo je izdelano iz negorljive zlitine PC/ABS, ki ima tako izolacijo kot tudi požarno odpornost. Njegova teža je v primerjavi s kovinskimi ohišji zmanjšana za več kot 30 %. Vsak avtomobil lahko uporabi 5–15 kg PC-ja, ki je ključni material za lažjo težo in funkcionalno integracijo avtomobilov.

Medicinsko in zdravstveno področje: Zagotavljanje varnosti in čistoče

Medicinski PC se zaradi svoje prosojnosti, odpornosti na sterilizacijo in biokompatibilnosti pogosto uporablja v medicinskih pripomočkih, kot so infuzijski kompleti in ohišja brizg, kjer je pretok tekočine jasno viden; ohišje dializatorja krvi je odporno na visokotemperaturno sterilizacijo s paro (121 ℃); kisikova maska in anestezijska maska sta izdelani iz mehke mešanice PC, ki se prilega obrazu in nima vonja. Na področju stika z živili morajo stekleničke za vodo in otroške stekleničke iz PC izpolnjevati standarde FDA in GB 4806.6 ter strogo nadzorovati raztapljanje bisfenola A.

Arhitektura in zaščita: ravnovesje med preglednostjo in trajnostjo

Na področju arhitekture se PC plošče (enoslojne, dvoslojne votle) uporabljajo za strešna okna in zvočne ograje, s prepustnostjo svetlobe več kot 80 % in 200-krat večjo odpornostjo na udarce kot pri steklu. So tudi lahke in enostavne za namestitev. Na področju zaščite neprebojno steklo (PC in stekleni kompozit), varnostne čelade in zaščitna očala izkoriščajo odpornost PC na udarce za zagotavljanje zanesljive zaščite. Poleg tega se PC cevi zaradi svoje temperaturne in tlačne odpornosti uporabljajo za cevovode za toplo vodo in transport industrijskih tekočin.

5. Trendi varstva okolja in razvoja

Okoljska prijaznost osebnih računalnikov je že dolgo odvisna od polemike glede bisfenola A. V zadnjih letih se je ta težava postopoma reševala s tehnološkimi inovacijami, industrija pa se premika k visokozmogljivemu in zelenemu razvoju.

Spor in reševanje bisfenola A

Endokrine motnje bisfenola A so sprožile zaskrbljenost glede varnosti PC. Trenutno obstajata dva načina za reševanje tega vprašanja: prvi je razvoj PC brez bisfenola A z uporabo bioloških monomerov, kot je izosorbid, za nadomestitev bisfenola A, ki se komercialno uporablja, zlasti na področju izdelkov za dojenčke in malčke; drugi pa je optimizacija proizvodnega procesa in zmanjšanje preostale količine bisfenola A. Količina migracije bisfenola A v PC živilske kakovosti je bila nadzorovana znotraj varnostne meje (uredba EU ≤ 0,05 mg/kg).

Recikliranje in krožno gospodarstvo

Tehnologija fizičnega recikliranja PC-ja je zrela. Po sortiranju, čiščenju, drobljenju in taljenju granul se lahko zavrženi PC izdelki uporabijo za proizvodnjo izdelkov, ki ne pridejo v stik z živili (kot so ohišja električnih naprav in koši za smeti), razmerje mešanja recikliranih materialov pa lahko doseže 30 %–50 %. Kemično recikliranje PC razgradi na bisfenol A in difenil karbonat z reakcijo depolimerizacije, ki se ponovno uporabita za polimerizacijo za doseganje zaprtega kroženja. Trenutno je ta tehnologija v Evropi vstopila v industrijsko fazo. Svetovna stopnja recikliranja PC-ja je približno 15 %–20 % in pričakuje se, da se bo do leta 2030 povečala na več kot 30 %.

Smer tehnoloških inovacij

Razvoj prihodnjih osebnih računalnikov se bo osredotočil na tri smeri: izboljšanje visoke zmogljivosti z molekularno zasnovo za povečanje toplotne odpornosti (temperatura toplotne deformacije nad 160 ℃) in kemične odpornosti, s širitvijo na področje visokotemperaturnega inženirstva; funkcionalni razvoj antibakterijskega PC-ja (z dodanimi srebrovimi ioni) in toplotno prevodnega PC-ja (kompozitni grafen) za zadovoljevanje medicinskih in elektronskih potreb po odvajanju toplote; zelena promocija spodbuja industrializacijo bioloških osebnih računalnikov. Trenutno so komercializirani osebni računalniki z vsebnostjo bioloških materialov od 30 % do 50 %, v razvoju pa so tudi popolnoma biološki osebni računalniki. Poleg tega se zaradi visoke natančnosti oblikovanja hitro povečuje uporaba 3D-tiskanja specifičnih PC žic na področju personalizirane proizvodnje.

Zgodovina razvoja PC-ja kot visokozmogljive inženirske plastike odraža prizadevanje za celovito ravnovesje med trdnostjo, prosojnostjo, toplotno odpornostjo in odpornostjo nanje v znanosti o materialih. Od vrhunske proizvodnje do vsakodnevnih potrebščin PC s svojo edinstveno zmogljivostjo podpira tehnološki napredek sodobne družbe. S prebojem tehnologije varstva okolja in spodbujanjem krožnega gospodarstva bo PC dosegel bolj trajnostni razvoj, hkrati pa ohranil svoje prednosti v delovanju in še naprej igral ključno vlogo med vrhunskimi materiali.