Polykarbonát (skrátene PC)

Polykarbonát (PC) je lineárny termoplastický technický plast obsahujúci uhličitanové skupiny. Od svojej industrializácie v 50. rokoch 20. storočia sa stal nevyhnutným kľúčovým materiálom vo vysoko kvalitnej výrobe vďaka svojej vynikajúcej priehľadnosti, odolnosti voči nárazom a tepelnej odolnosti. Od priehľadných komponentov v leteckom priemysle až po bežné okuliarové šošovky, od detských fliaš až po nepriestrelné sklo, PC preukázal nenahraditeľné výhody v mnohých oblastiach vďaka svojmu jedinečnému komplexnému výkonu a zároveň neustále rozširuje hranice svojho použitia v oblasti environmentálnych inovácií a technologických vylepšení.

1. Molekulárna štruktúra a základné charakteristiky

Výhodou PC je jeho jedinečná štruktúra molekulárneho reťazca. Benzénový kruh a uhličitanové skupiny obsiahnuté v opakujúcich sa jednotkách tvoria tuhý a flexibilný molekulárny skelet: benzénový kruh dodáva materiálu tuhosť a tepelnú odolnosť, zatiaľ čo éterové väzby v uhličitanových skupinách poskytujú určitý stupeň flexibility. Táto štruktúra umožňuje PC udržiavať si vysokú pevnosť a zároveň mať vynikajúcu odolnosť voči nárazu.

Vynikajúci výkon v mechanických vlastnostiach

Najvýznamnejšou vlastnosťou PC je jeho rázová húževnatosť s vrubovou rázovou húževnatosťou až 60 – 80 kJ/m², čo je 250-krát viac ako u bežného skla a 30-krát viac ako u PMMA. Pri teplote -40 ℃ si stále udržiava viac ako 70 % svojej rázovej húževnatosti, vďaka čomu sa široko používa v situáciách, ktoré vyžadujú rázovú húževnatosť. Jeho pevnosť v ťahu je 60 – 70 MPa, modul ohybu je 2 200 – 2 400 MPa a jeho tuhosť je lepšia ako u väčšiny bežných plastov, čo umožňuje spĺňať mechanické požiadavky konštrukčných komponentov. Odolnosť PC proti opotrebeniu je však nízka a koeficient trenia je vysoký (0,3 – 0,4), čo je potrebné zlepšiť pridaním mazív alebo zmiešaním s PTFE.

Výhody optického a tepelného výkonu

PC má vynikajúcu transparentnosť s priepustnosťou svetla až 89 % – 90 %, zákalom menším ako 1 %, čo je blízke PMMA a sklu, a nízkou priepustnosťou ultrafialového žiarenia (takmer žiadna priepustnosť pod 300 nm), vďaka čomu je vhodný na výrobu opaľovacích šošoviek a vonkajších priehľadných komponentov. Jeho teplota tepelnej deformácie (HDT, 1,82 MPa) je 130 – 140 ℃ a jeho teplota nepretržitého používania je 120 – 130 ℃. Môže sa krátkodobo používať pri teplote vriacej vody, čo je lepšie ako materiály ako ABS a PS. PC má nízky koeficient lineárnej rozťažnosti (6 – 7 × 10⁻⁵/℃), dobrú rozmerovú stabilitu a je vhodný na výrobu presných komponentov.

Chemické a spracovateľské vlastnosti

PC má dobrú toleranciu voči vode, zriedeným kyselinám a soľným roztokom, ale môže byť korodovaný organickými rozpúšťadlami, ako sú ketóny, estery a aromatické uhľovodíky. Jeho spracovateľský výkon je špeciálny, s vysokou viskozitou taveniny, vyžaduje si formovanie pri vysokých teplotách (260 – 300 ℃) a tlakoch a silnú absorpciu vlhkosti (rovnovážna miera absorpcie vody 0,3 %). Pred spracovaním musí byť dôkladne vysušený (obsah vlhkosti ≤ 0,005 %), inak sa môžu vyskytnúť chyby, ako sú bubliny a strieborné drôty. PC sa môže formovať vstrekovaním, extrúziou, vyfukovaním a inými procesmi, čo je vhodné na výrobu priehľadných výrobkov so zložitými tvarmi. Miera zmršťovania pri formovaní je však nízka (0,5 % – 0,7 %) a na zníženie vnútorného napätia je potrebná presná kontrola teploty formy.

2. Výrobný proces a zdroje surovín

Výrobný proces PC je zložitý a má vysoké technické bariéry. Podstatou je tvorba polymérnych reťazcov kondenzačnou reakciou bisfenolu A a difenylkarbonátu. Čistota surovín a kontrola procesu priamo ovplyvňujú výkonnosť produktu.

Systém surovín a priemyselný reťazec

Hlavnými surovinami pre PC sú bisfenol A (BPA) a difenylkarbonát (DPC), pričom bisfenol A predstavuje viac ako 70 % nákladov na surovinu. Vyrába sa kondenzáciou fenolu a acetónu za kyslých katalyzátorov; difenylkarbonát sa vyrába reakciou fenolu s fosgénom alebo oxidačnou karbonylačnou reakciou. Používanie fosgénu v tradičných procesoch predstavuje bezpečnostné riziká a v súčasnosti sa stala bežnou ekologická metóda bez fosgénu (metóda výmeny esterov). Bisfenol A aj difenylkarbonát pochádzajú z petrochemického priemyslu. V posledných rokoch sa dosiahol pokrok vo výskume a vývoji biologického bisfenolu A, ktorý produkuje fenol fermentáciou biomasy a poskytuje možnosť ekologizácie PC.

Porovnanie bežných výrobných procesov

Existujú dva hlavné procesy priemyselnej výroby PC: metóda výmeny esterov z taveniny a metóda medzifázovej kondenzácie. Metóda výmeny esterov z taveniny prebieha pri vysokej teplote (200 – 300 ℃) a vo vákuu, pričom sa odstraňujú malé molekuly fenolu za vzniku taveniny PC. Tento proces nevyžaduje rozpúšťadlá a má dobrú ochranu životného prostredia, ale vyžaduje vysoké požiadavky na tesnosť zariadenia, vďaka čomu je vhodný na výrobu PC s nízkou až strednou molekulovou hmotnosťou (vnútorná viskozita 0,3 – 0,6 dL/g). Metóda medzifázovej kondenzácie reaguje na rozhraní medzi vodnou a organickou fázou. Sodná soľ bisfenolu A a fosgén podliehajú kondenzácii v dichlórmetáne, čo vedie k produktu s vysokou molekulovou hmotnosťou (vnútorná viskozita 0,6 – 1,0 dL/g). Vyžaduje si však čistenie odpadových vôd obsahujúcich chlór a čelí vysokému environmentálnemu tlaku. V súčasnosti sa postupne nahrádza metódou tavenia.

Po dokončení polymerizácie sa tavenina PC extruduje a granuluje do priehľadných častíc a podľa potreby sa pridávajú prísady, ako sú antioxidanty (na zabránenie degradácie pri vysokých teplotách), UV absorbéry (na zlepšenie odolnosti voči poveternostným vplyvom) a separačné činidlá (na zlepšenie spracovateľnosti). PC potravinárskej kvality vyžaduje prísnu kontrolu zvyškov bisfenolu A (≤ 0,05 mg/kg), zatiaľ čo PC medicínskej kvality vyžaduje certifikáciu biokompatibility (napríklad USP trieda VI).

3. Klasifikačný systém a technológia modifikácie

Spoločnosť PC vytvorila diverzifikovaný produktový systém prostredníctvom technológie regulácie a modifikácie molekulovej hmotnosti, ktorá dokáže splniť výkonnostné požiadavky rôznych scenárov. Hlavné klasifikačné metódy zahŕňajú molekulovú hmotnosť, funkčné charakteristiky a metódy spracovania.

Základná klasifikácia a typické stupne

Podľa vnútornej viskozity (index molekulovej hmotnosti) sa delí na nízkoviskozný (0,3 – 0,5 dL/g, vysoká tekutosť, vhodný na vstrekovanie tenkých stenových plastov), stredneviskozný (0,5 – 0,7 dL/g, univerzálny scenár) a vysokoviskozný (0,7 – 1,0 dL/g, vysoká pevnosť, vhodný na extrudované plechy a vyfukovanie). Podľa funkčných charakteristík sa delí na všeobecný typ (základný výkon, používaný na priehľadné komponenty), typ odolný voči poveternostným vplyvom (s pridanými ultrafialovými absorbérmi, používaný na vonkajšie použitie), typ spomaľujúci horenie (certifikovaný podľa úrovne UL94 V0, používaný na elektronické zariadenia) a typ s lekárskou hodnotou (nízka rozpustnosť, používaný na zdravotnícke pomôcky).

Technológia modifikácie a legované materiály

Technológia modifikácie PC sa používa hlavne na kompenzáciu jeho nízkej odolnosti voči opotrebovaniu a nedostatočnej chemickej odolnosti: pridanie sklenených vlákien (10 % – 40 %) na modifikáciu výstuže, zvýšenie pevnosti v ťahu na 100 – 150 MPa a zvýšenie teploty deformácie za tepla na 160 – 180 ℃, vhodné na výrobu konštrukčných komponentov; modifikácia odolná voči opotrebovaniu s mazivami, ako je PTFE a silikón, zníženie koeficientu trenia o viac ako 50 %, používaná na pohyblivé časti, ako sú ložiská a ozubené kolesá; chemicky odolná modifikácia sa mieša s ABS, PBT a inými materiálmi na zvýšenie odolnosti voči rozpúšťadlám. Napríklad zliatina PC/ABS kombinuje tepelnú odolnosť PC a chemickú odolnosť ABS a je široko používaná v interiéroch automobilov.

Zliatina PC je dôležitým smerom pre rozširovanie jej aplikácií. Zliatina PC/ABS tvorí viac ako 70 % celkovej zliatiny PC s rázovou húževnatosťou 20 – 50 kJ/m², teplotou deformácie za tepla 100 – 120 ℃ a nižšími nákladmi ako čistý PC. Zliatina PC/PET zlepšuje odolnosť voči olejom a spracovateľnosť a používa sa na výrobu periférnych komponentov automobilových motorov; zliatina PC/PMMA zlepšuje odolnosť PC voči poškriabaniu a používa sa na výrobu puzdier a šošoviek mobilných telefónov.

4. Diverzifikované oblasti použitia

PC so svojimi kombinovanými výhodami priehľadnosti, vysokej pevnosti a tepelnej odolnosti zaujíma kľúčové miesto v oblastiach ako elektronika, automobilový priemysel, medicína a stavebníctvo a je prelomovým materiálom pre špičkovú výrobu.

Elektronický a 3C priemysel: rovnaký dôraz na transparentnosť a ochranu

Sektor elektroniky je najväčším trhom pre počítače, pričom puzdrá na telefóny a rámy obrazoviek notebookov využívajú odolnosť voči nárazu a rozmerovú stabilitu zliatiny PC/ABS. Predný rám monitora a televízora je vyrobený z PC so spomaľovačom horenia, ktorý spĺňa požiadavky na protipožiarnu ochranu. Priehľadné komponenty produktov 3C, ako sú ochranné šošovky pre fotoaparáty mobilných telefónov a puzdrá tabletov, sú vyrobené z PC odolného voči poškriabaniu (povrchová úprava s kalením) s priepustnosťou svetla 90 % a odolnosťou voči nárazu. Okrem toho sa tienidlá LED žiaroviek a optické šošovky tiež spoliehajú na priehľadnosť a tepelnú odolnosť PC (aby sa prispôsobili rozptylu tepla LED).

Automobilový priemysel: Kombinácia bezpečnosti a odľahčenia

Aplikácia PC v automobiloch sa zameriava na bezpečnosť a transparentné komponenty: kryt predných svetlometov je vyrobený z PC odolného voči poveternostným vplyvom, ktorý má vysokú priepustnosť svetla a odolnosť voči nárazom štrku a váži iba polovicu skla; kryt palubnej dosky a okná (ako napríklad panoramatické strešné okno) zvyšujú bezpečnosť jazdy vďaka svojej priehľadnosti a odolnosti voči nárazom. Kryt batérie nových energetických vozidiel je vyrobený zo zliatiny PC/ABS s ohňovzdornou úpravou, ktorá má izolačné aj ohňovzdorné vlastnosti. Jeho hmotnosť je v porovnaní s kovovými krytmi znížená o viac ako 30 %. Každé auto môže použiť 5 – 15 kg PC, čo je kľúčový materiál pre odľahčenie a funkčnú integráciu automobilov.

Oblasť medicíny a zdravia: Zabezpečenie bezpečnosti a čistoty

PC lekárskej kvality sa široko používa v zdravotníckych pomôckach vďaka svojej priehľadnosti, odolnosti voči sterilizácii a biokompatibilite, ako sú infúzne súpravy a puzdrá striekačiek, kde je tok kvapaliny jasne viditeľný; Plášť dialyzátora krvi je odolný voči sterilizácii parou pri vysokých teplotách (121 ℃); Kyslíková maska a anestetická maska sú vyrobené z mäkkej zmesi PC, ktorá sa prispôsobí tvári a nemá zápach. V oblasti kontaktu s potravinami musia fľaše na vodu a dojčenské fľaše z PC spĺňať normy FDA a GB 4806.6 a prísne kontrolovať rozpúšťanie bisfenolu A.

Architektúra a ochrana: Vyváženie transparentnosti a trvanlivosti

V oblasti architektúry sa PC dosky (jednovrstvové, dvojvrstvové duté) používajú na strešné okná a zvukové bariéry s priepustnosťou svetla viac ako 80 % a 200-krát vyššou odolnosťou voči nárazu ako sklo. Sú tiež ľahké a ľahko sa inštalujú. V oblasti ochrany využíva nepriestrelné sklo (PC a sklenený kompozit), bezpečnostné prilby a ochranné okuliare odolnosť PC proti nárazu na zabezpečenie spoľahlivej ochrany. Okrem toho sa PC rúry používajú na potrubia pre horúcu vodu a prepravu priemyselných kvapalín vďaka svojej teplotnej a tlakovej odolnosti.

5. Trendy v ochrane a rozvoji životného prostredia

Ekologická šetrnosť PC je už dlho ovplyvňovaná kontroverziou okolo bisfenolu A. V posledných rokoch sa postupne rieši prostredníctvom technologických inovácií, pričom priemysel sa uberá smerom k vysokovýkonnému a zelenému rozvoju.

Spor a riešenie bisfenolu A

Endokrinné narušenie bisfenolu A vyvolalo obavy o bezpečnosť PC. V súčasnosti existujú dva spôsoby, ako tento problém riešiť: prvým je vývoj PC bez bisfenolu A s použitím biomonomérov, ako je izosorbid, ktoré nahradia bisfenol A, ktorý sa komerčne používa, najmä v oblasti výrobkov pre dojčatá a batoľatá; druhým je optimalizácia výrobného procesu a zníženie zvyškového množstva bisfenolu A. Migračné množstvo bisfenolu A v PC potravinárskej kvality bolo kontrolované v rámci bezpečnostného limitu (nariadenie EÚ ≤ 0,05 mg/kg).

Recyklácia a obehové hospodárstvo

Technológia fyzikálnej recyklácie PC je vyspelá. Po triedení, čistení, drvení a roztavení granulátu sa vyradené PC produkty môžu použiť na výrobu produktov, ktoré neprichádzajú do kontaktu s potravinami (ako sú elektrické kryty a odpadkové koše), pričom pomer miešania recyklovaných materiálov môže dosiahnuť 30 % – 50 %. Chemická recyklácia rozkladá PC na bisfenol A a difenylkarbonát prostredníctvom depolymerizačnej reakcie, ktoré sa opätovne používajú na polymerizáciu, čím sa dosiahne uzavretý obeh. V súčasnosti táto technológia vstúpila do priemyselnej fázy v Európe. Globálna miera recyklácie PC je približne 15 % – 20 % a očakáva sa, že do roku 2030 vzrastie na viac ako 30 %.

Smer technologických inovácií

Vývoj budúcich počítačov (PC) sa zameria na tri smery: zlepšenie vysokého výkonu prostredníctvom molekulárneho dizajnu na zvýšenie tepelnej odolnosti (teplota tepelnej deformácie presahujúca 160 ℃) a chemickej odolnosti s rozšírením do oblasti vysokoteplotného inžinierstva; funkčný vývoj antibakteriálneho PC (s pridanými iónmi striebra) a tepelne vodivého PC (kompozitný grafén) na splnenie potrieb rozptylu tepla v medicíne a elektronike; podpora zelených technológií podporuje industrializáciu bio-based PC. V súčasnosti sú komerčne dostupné PC s podielom bio-based 30 % – 50 % a vyvíjajú sa plne bio-based PC. Okrem toho sa vďaka ich vysokej presnosti tvarovania rýchlo rozširuje využitie 3D tlačených špecifických PC drôtov v oblasti personalizovanej výroby.

História vývoja PC ako vysokovýkonného technického plastu odráža snahu o komplexnú rovnováhu medzi pevnosťou, priehľadnosťou, tepelnou odolnosťou a odolnosťou v materiálovej vede. Od špičkovej výroby až po každodenné potreby, PC podporuje technologický pokrok modernej spoločnosti vďaka svojmu jedinečnému výkonu. Vďaka prelomu v technológiách ochrany životného prostredia a podpore obehového hospodárstva dosiahne PC udržateľnejší rozvoj a zároveň si zachová svoje výkonnostné výhody a bude naďalej hrať kľúčovú úlohu medzi špičkovými materiálmi.