Τι είναι το πολυανθρακικό (PC);

Το πολυκαρβονικό (PC) είναι μια κατηγορία άμορφων τεχνικών πλαστικών γενικής χρήσης και είναι επίσης το μόνο διαφανές υλικό μεταξύ όλων των ειδών των τεχνικών πλαστικών γενικής χρήσης. Η ρητίνη PC είναι ένας γενικός όρος που αναφέρεται σε ένα πολυμερές στο οποίο τα μονομερή συνδέονται μεταξύ τους με ανθρακικές ομάδες μέσω ανθρακικών δεσμών. Η εξαιρετική αντοχή του πολυανθρακικού στην κρούση, η διαφάνεια, η αντοχή στη θερμότητα (υψηλή θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης γύρω στους Tg ~ 150°C) και η σταθερότητα διαστάσεων το καθιστούν καλή επιλογή υλικού για μια ποικιλία εφαρμογών. Από την άλλη πλευρά, οι εστερικοί δεσμοί στο πολυανθρακικό το καθιστούν λιγότερο ανθεκτικό χημικά από άλλα υλικά (είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στα αλκάλια και στους διαλύτες με βάση τους αρωματικούς υδρογονάνθρακες, όπως τα έλαια) και το πολυανθρακικό είναι επίσης ευαίσθητο στην υδρόλυση σε θερμά, υγρά περιβάλλοντα.

2. Παραγωγή πολυανθρακικού

Η βασική χημική δομή του πολυκαρβονικού φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1: Χημική δομή του πολυανθρακικού

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, η μονάδα που φαίνεται στο Σχήμα 1 αποτελείται από 4 μοριακά συστατικά: δύο φαινόλες (κόκκινη διακεκομμένη γραμμή), μία ακετόνη (πράσινη διακεκομμένη γραμμή) και ένα ανθρακικό άλας (μπλε διακεκομμένη γραμμή).

Σχήμα 2: Μοριακή σύνθεση του πολυκαρβονικού άλατος

Ο όρος πολυανθρακικό προέρχεται από την παρουσία ανθρακικού άλατος στο Σχήμα 2. Πιο συγκεκριμένα, το πολυκαρβονικό είναι ένα υλικό που αποτελείται από πολυμερικές αλυσίδες που σχηματίζονται από επαναλαμβανόμενες αντιδράσεις διυδροξυ ενώσεων με μόρια ανθρακικού άλατος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3: Αντίδραση για την παραγωγή πολυκαρβονικού.

Η αλλαγή της μονάδας με την ένδειξη R στο Σχήμα 3 μπορεί να παράγει μια ποικιλία διαφορετικών πολυκαρβονικών ενώ η μονάδα R που χρησιμοποιείται στη βιομηχανική παραγωγή είναι η δισφαινόλη Α (BPA). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, η BPA αποτελείται από δύο μόρια φαινόλης συνδεδεμένα με μόρια ακετόνης και είναι κοινό συστατικό σε προϊόντα όπως τα χρώματα και οι κόλλες.

Σχήμα 4: Δισφαινόλη Α

Υπάρχουν διάφορες τεχνικές για την κατασκευή πολυκαρβονικού, οι οποίες ποικίλλουν ανάλογα με την ουσία που αντιδρά με την BPA. Οι μέθοδοι αυτές περιγράφονται στον ακόλουθο πίνακα.

3. Χαρακτηριστικά του πολυανθρακικού

Διαφάνεια:
Από όλα τα τεχνικά πλαστικά γενικής χρήσης, το πολυκαρβονικό είναι η μόνη διαφανής ρητίνη. Οι τυπικές διαφανείς ποιότητες υλικών παρέχουν 85-90% διαπερατότητα ορατού φωτός (για υλικά με πάχος 2 mm).
- Αντοχή σε κρούση:
Από όλα τα πλαστικά, το πολυανθρακικό έχει το υψηλότερο επίπεδο αντοχής σε κρούση.
-Ανοχή θερμότητας:
Με θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης σχεδόν 150°C, το πολυανθρακικό παρέχει σταθερές μηχανικές ιδιότητες σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Για τις γενικές μη ενισχυμένες με αντοχή ποιότητες, η τυπική θερμοκρασία θερμικής κάμψης είναι περίπου 1-80°C σε βαρύ φορτίο 120,130 MPa.
- Σταθερότητα διαστάσεων:
Επειδή τα πολυκαρβονικά είναι άμορφες ρητίνες, παρουσιάζουν ελάχιστη συρρίκνωση κατά τη χύτευση και ελάχιστη αλλαγή διαστάσεων όταν απορροφούν νερό.
- Αυτοσβενόμενα χαρακτηριστικά:
Οι τυπικές ποιότητες πολυανθρακικού έχουν υψηλή επιβράδυνση φλόγας UL 94 V-2. Για εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερα επίπεδα επιβράδυνσης φλόγας, μπορούν επίσης να προστεθούν πρόσθετα επιβράδυνσης φλόγας.
- Τα πολυανθρακικά είναι ευαίσθητα στα αλκάλια και στους διαλύτες αρωματικών υδρογονανθράκων (π.χ. έλαια).
- Οι εστερικοί δεσμοί στο πολυκαρβονικό το καθιστούν ευαίσθητο στην υδρόλυση σε θερμά, υγρά περιβάλλοντα.

Τα πιο ελκυστικά χαρακτηριστικά του πολυανθρακικού είναι η διαφάνεια και οι καλές μηχανικές του ιδιότητες, ιδίως η εξαιρετική αντοχή του σε κρούση. Το πολυανθρακικό έχει επίσης υψηλή ακρίβεια διαστάσεων, καθώς η άμορφη δομή του εξασφαλίζει ελάχιστη συρρίκνωση κατά τη διαδικασία χύτευσης.

4. Εφαρμογή του πολυανθρακικού

Όσον αφορά την ποσότητα του υλικού που χρησιμοποιείται, οι κύριες εφαρμογές του πολυκαρβονικού είναι ο ηλεκτρικός και ηλεκτρονικός εξοπλισμός, ο εξοπλισμός γραφείου, οι μεμβράνες και τα φύλλα και τα εξαρτήματα αυτοκινήτων.

Τα τελευταία χρόνια, η ζήτηση για υλικά φωτισμού LED για ηλεκτρικό/ηλεκτρονικό εξοπλισμό και εξοπλισμό γραφείου έχει αυξηθεί σημαντικά. Η εξαιρετική οπτική διαύγεια και η αντοχή στη θερμότητα του πολυανθρακικού υλικού το καθιστούν ιδανικό υλικό για φακούς. Στις οικιακές συσκευές και τις συσκευές γραφείου, το υλικό κράματος που αναμιγνύεται με πολυανθρακικό και ABS χρησιμοποιείται ευρέως ως υλικό πλαισίου και περιβλήματος οργάνων. Οι λόγοι για τη χρήση του πολυανθρακικού περιλαμβάνουν την καλή δυνατότητα μορφοποίησης, την ευκολία χρωματισμού, την επιβράδυνση φλόγας και την αντοχή στην κρούση.

Στις κατασκευές και την πολιτική μηχανική, η υψηλή διαύγεια του πολυανθρακικού και η εξαιρετική αντοχή του σε κρούση το καθιστούν μια ευρέως χρησιμοποιούμενη επιλογή για φιλμ και φύλλα. Τα πάνελ οθόνης υγρών κρυστάλλων είναι μια άλλη εφαρμογή μεγάλου όγκου πολυανθρακικού υλικού.

Ίσως η πιο σημαντική εφαρμογή του πολυανθρακικού στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας είναι οι προβολείς αυτοκινήτων (Σχήμα 5). Οι σύγχρονες πηγές φωτός, η πρόοδος στον θερμικό σχεδιασμό, η ανάπτυξη της τεχνολογίας σκλήρυνσης του περιβλήματος και άλλοι παράγοντες έχουν οδηγήσει στη χρήση πολυανθρακικού στα περισσότερα νέα αυτοκίνητα, τα οποία συμβάλλουν επίσης στη συνολική μείωση του βάρους. Το πολυκαρβονικό χρησιμοποιείται επίσης σε άλλα διαφανή μέρη, όπως πίνακες οργάνων και διάφορους τύπους φακών, καθώς και σε εξωτερικά μέρη, όπως γρίλιες, καθώς και σε εσωτερικά και δομικά μέρη, όπως κουμπιά και διακόπτες.

Εκτός από τις εφαρμογές που περιγράφονται παραπάνω, τα DVD και άλλοι οπτικοί δίσκοι (Εικόνα 5) κατασκευάζονται επίσης από πολυανθρακικό- η εξαιρετική διαύγεια και η αντοχή στη θερμότητα της ρητίνης PC την καθιστούν ιδανικό υλικό για αυτή την εφαρμογή, αλλά η αυξανόμενη δημοτικότητα της διανομής περιεχομένου μέσω του Διαδικτύου έχει οδηγήσει σε μείωση της ζήτησης.

Εικόνα 5: Οι συνήθεις εφαρμογές του πολυανθρακικού περιλαμβάνουν τους προβολείς αυτοκινήτων (αριστερά) και τους δίσκους (δεξιά).

5. Πολυανθρακικές και τροποποιημένες ρητίνες PPE: σύγκριση των κύριων χαρακτηριστικών και των κύριων εφαρμογών

Εκτός από το πολυανθρακικό, η κατηγορία των άμορφων τεχνικών πλαστικών περιλαμβάνει: Τροποποιημένη ρητίνη PPE。 Σε αυτή την ενότητα, θα συγκρίνουμε εν συντομία τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των δύο οικογενειών υλικών και θα περιγράψουμε τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους χρησιμοποιούνται.

Πίνακας: Ιδιότητες πολυκαρβονικών και τροποποιημένων ρητινών PPE

Εφαρμογή του πολυανθρακικού

Επειδή το πολυανθρακικό είναι διαφανές και μπορεί να χρωματιστεί, χρησιμοποιείται ευρέως σε οπτικά εξαρτήματα και μέρη που επηρεάζουν την εμφάνιση των προϊόντων. Το πολυανθρακικό υλικό είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για εφαρμογές που απαιτούν διαφάνεια και υψηλή αντοχή σε κρούση και χρησιμοποιείται συχνά για εξαρτήματα αυτοκινήτων και οπτικά εξαρτήματα που απαιτούν υψηλή αντοχή στη θερμότητα.

Εφαρμογή τροποποιημένων ρητινών PPE

Οι τροποποιημένες ρητίνες PPE χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών χρησιμοποιώντας τις πλεονεκτικές τους ιδιότητες, όπως το χαμηλό ειδικό βάρος (που συμβάλλει στη μείωση του βάρους), την αντοχή στην υδρόλυση, τη χημική αντοχή, τις καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και την υψηλή ακρίβεια διαστάσεων. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών περιλαμβάνουν περιφερειακά εξαρτήματα για συστήματα μπαταριών ιόντων λιθίου, συνδέσμους για ηλιακές γεννήτριες, προϊόντα που απαιτούνται για συστήματα επικοινωνίας 5G και άλλες εφαρμογές που είναι πανταχού παρούσες στον σύγχρονο κόσμο, αν και μπορεί να μην είναι εμφανείς στην καθημερινή ζωή.

6. Μέθοδος επεξεργασίας

Δεδομένου ότι το πολυκαρβονικό χρησιμοποιείται συχνά σε τομείς που απαιτούν υψηλή ακρίβεια διαστάσεων και χαμηλή παραμόρφωση του σχήματος, βοηθάει το υλικό να ρέει σεΧύτευση με έγχυσηΗ μέθοδος κατασκευής εργαλείων και η τεχνολογία για τη βελτίωση των ιδιοτήτων μεταφοράς επιφάνειας του χυτευμένου σώματος βρίσκονται στο επίκεντρο συνεχών εργασιών ανάπτυξης. Ένα παράδειγμα είναι η τεχνική χύτευσης με έγχυση με συμπίεση που αναπτύχθηκε για τους οπτικούς δίσκους, στην οποία η κοιλότητα διευρύνεται κατά τη διάρκεια της πλήρωσης του υλικού, επιτρέποντας στη λιωμένη ρητίνη να ρέει πιο εύκολα και στη συνέχεια να επιστρέφει στο αρχικό της πάχος, ώστε να διασφαλίζεται η μεταφορά επιφάνειας υψηλής ακρίβειας. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η ανάπτυξη κατεργασιών σκλήρυνσης υπό πίεση για εξαρτήματα αυτοκινήτων που απαιτούν υψηλή αντοχή στη φθορά.

7. Πρακτικές εκτιμήσεις σχετικά με τη χρήση του πολυανθρακικού

Το υψηλό ιξώδες τήγματος του πολυκαρβονικού απαιτεί ορισμένους ειδικούς κανονισμούς για το καλούπι και τη διαδικασία χύτευσης, διαφορετικά το χυτευμένο προϊόν μπορεί να έχει ελαττώματα, παραμορφώσεις σχήματος ή ρωγμές.

Η χημική αντοχή του πολυανθρακικού, ενώ είναι σχετικά υψηλή στα διαφανή υλικά, περιορίζεται τελικά από την άμορφη δομή του και τους ανθρακικούς δεσμούς, οπότε οι συνθήκες χύτευσης πρέπει να προσαρμόζονται προσεκτικά για την ελαχιστοποίηση της παραμόρφωσης του σχήματος. Πρέπει επίσης να ληφθεί μέριμνα για την αποφυγή της προσκόλλησης λιπαντικών μηχανής κατά τη φάση της επεξεργασίας και για την επιλογή ενός παράγοντα αποδέσμευσης που εγγυάται ελάχιστες υπολειμματικές επιδράσεις. Ομοίως, κατά τη χρήση προϊόντων από χυτευμένο πολυανθρακικό, πρέπει να δίνεται προσοχή στην επιλογή των σπρέι και των προϊόντων καθαρισμού για την αποφυγή ανεπιθύμητων παρενεργειών.

8. Πολυανθρακικό και περιβαλλοντική βιωσιμότητα

Όπως στο εδάφιο 2 ”Παραγωγή πολυκαρβονικού" Όπως συζητήθηκε, η Asahi Kasei έχει αναπτύξει μια πρακτική διαδικασία χωρίς φωσγένιο που χρησιμοποιεί CO ₂και EO ως συστατικό για την παρασκευή πολυκαρβονικού. Η διαδικασία δεν χρησιμοποιεί φωσγένιο, ένα εξαιρετικά τοξικό αέριο, ούτε χλωριούχο μεθυλένιο, ένα ύποπτο καρκινογόνο, και έχει σχεδιαστεί με γνώμονα την ασφάλεια, ενώ η τεχνολογία της έχει παραχωρηθεί σε κατασκευαστές ηλεκτρονικών υπολογιστών σε όλο τον κόσμο.

Η Asahi Kasei προσφέρει επίσης τύπους πολυκαρβονικών με βάση μια προσέγγιση ισοζυγίου μάζας για συμβατότητα με τη βιομάζα. Αν και το συστατικό BPA που χρησιμοποιείται για την παραγωγή πολυκαρβονικού παράγεται από φαινόλη, οι μέθοδοι αυτές χρησιμοποιούν ουσίες που προέρχονται από συστατικά βιομάζας για την παραγωγή αυτής της φαινόλης.

Η κύρια μέθοδος ανακύκλωσης πολυκαρβονικού είναι η ανακύκλωση υλικών, κατά την οποία τα χρησιμοποιημένα υλικά ρητίνης αλέθονται σε μορφή σκόνης, λιώνουν και επαναδιαμορφώνονται. Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για αντικείμενα όπως οι μεταχειρισμένοι δίσκοι, οι οποίοι τείνουν να είναι υψηλής ποιότητας και σχετικά εύκολο να συγκεντρωθούν σε μεγάλες ποσότητες.

Στήλη: Κρυσταλλικά και άμορφα πλαστικά

Όταν ένα άμορφο πλαστικό υλικό λιώνει με τη θέρμανσή του πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, τα γειτονικά μόρια μέσα στο πλαστικό μπορούν να κινηθούν ελεύθερα σε όλο το υλικό. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτό ονομάζεται θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, η οποία συμβολίζεται με το σύμβολο Tg, και όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από την Tg, το υλικό αρχίζει να παρουσιάζει ρευστότητα. Η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης του πολυκαρβονικού είναι Tg~150°C.

Η τήξη των κρυσταλλικών πλαστικών είναι λίγο πιο περίπλοκη. Εξετάζοντας τη μικροδομή των κρυσταλλικών πλαστικών, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η άμορφη περιοχή συνυπάρχει με την κρυσταλλική περιοχή, και σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τα μόρια στην άμορφη περιοχή αρχίζουν να κινούνται πρώτα, ενώ τα μόρια στην κρυσταλλική περιοχή δεσμεύονται από ισχυρές διαμοριακές δυνάμεις και δεν μπορούν να κινηθούν, οπότε συνεχίζουν να υπάρχουν σε στερεή κατάσταση. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται περαιτέρω, τα μόρια στην κρυσταλλική περιοχή αρχίζουν επίσης να κινούνται ελεύθερα και το υλικό αρχίζει να παρουσιάζει ρευστότητα. Η θερμοκρασία στην οποία τα μόρια στην άμορφη περιοχή αρχίζουν να κινούνται ελεύθερα ονομάζεται θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg) - ο ίδιος όρος που χρησιμοποιείται για τα άμορφα πλαστικά. Αντίθετα, η θερμοκρασία στην οποία τα μόρια στην περιοχή κρυστάλλωσης αρχίζουν να κινούνται ελεύθερα είναι γνωστή ως σημείο τήξης και συμβολίζεται ως Tm.

Τα κρυσταλλικά πλαστικά βρίσκονται σε υαλώδη κατάσταση σε θερμοκρασίες κάτω από Tg, ενώ μεταξύ Tg και Tm βρίσκονται σε ελαστικοποιημένη κατάσταση. Αν και τα υαλώδη και τα ελαστικά πλαστικά είναι και τα δύο στερεά, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις ιδιότητές τους: η μοριακή συμπεριφορά στην πρώτη κατάσταση θυμίζει τις γνωστές στην καθημερινή ζωή ιδιότητες του γυαλιού, ενώ η μοριακή συμπεριφορά στη δεύτερη κατάσταση θυμίζει μία από τις συμπεριφορές του καουτσούκ, εξηγώντας έτσι την επιλογή του όρου. Περιττό να πούμε ότι για τα άμορφα πλαστικά δεν υπάρχουν ανάλογα στην κατάσταση του καουτσούκ. Η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και πλαστικής κατάστασης παρουσιάζεται στο σχήμα 7.

Σχήμα 6: Σημείο τήξης και θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης