Qu'est-ce que le polycarbonate (PC) ?

Le polycarbonate (PC) est une classe de plastiques techniques amorphes à usage général, et c'est aussi le seul matériau transparent parmi tous les types de plastiques techniques à usage général. La résine PC est un terme général qui désigne un polymère dans lequel les monomères sont liés entre eux par des groupes carbonates au moyen de liaisons carbonates. L'excellente résistance aux chocs, la transparence, la résistance à la chaleur (température de transition vitreuse élevée autour de Tg ~ 150°C) et la stabilité dimensionnelle du polycarbonate en font un bon choix de matériau pour une variété d'applications. En revanche, les liaisons ester du polycarbonate le rendent moins résistant chimiquement que d'autres matériaux (il est particulièrement sensible aux alcalis et aux solvants à base d'hydrocarbures aromatiques tels que les huiles), et le polycarbonate est également sensible à l'hydrolyse dans les environnements chauds et humides.

2. Production de polycarbonate

La structure chimique de base du polycarbonate est présentée à la figure 1.

Figure 1 : Structure chimique du polycarbonate

Comme le montre la figure 2, l'unité illustrée à la figure 1 est constituée de quatre composants moléculaires : deux phénols (ligne pointillée rouge), une acétone (ligne pointillée verte) et un carbonate (ligne pointillée bleue).

Figure 2 : Composition moléculaire du polycarbonate

Le terme polycarbonate est dérivé de la présence de carbonate dans la figure 2. Plus précisément, le polycarbonate est un matériau constitué de chaînes de polymères formées par des réactions répétées de composés dihydroxylés avec des molécules de carbonate, comme le montre la figure 3.

Figure 3 : Réaction à la production de polycarbonate.

Le changement de l'unité étiquetée R dans la figure 3 peut produire une variété de polycarbonates différents, et l'unité R utilisée dans la production industrielle est le bisphénol A (BPA). Comme le montre la figure 4, le BPA est constitué de deux molécules de phénol liées par des molécules d'acétone et est un ingrédient courant dans des produits tels que les peintures et les adhésifs.

Figure 4 : Bisphénol A

Il existe plusieurs techniques de fabrication du polycarbonate, qui varient en fonction de la substance qui réagit avec le BPA. Ces méthodes sont décrites dans le tableau suivant.

3. Caractéristiques du polycarbonate

Transparence :
De tous les plastiques techniques d'usage général, le polycarbonate est la seule résine transparente. Les qualités de matériaux transparents typiques offrent une transmission de la lumière visible de 85-90% (pour les matériaux d'une épaisseur de 2 mm).
- Résistance à l'impact :
De toutes les matières plastiques, le polycarbonate est celle qui présente le plus haut niveau de résistance aux chocs.
-Tolérance à la chaleur :
Avec une température de transition vitreuse de près de 150°C, le polycarbonate présente des propriétés mécaniques stables sur une large plage de températures. Pour les qualités générales non renforcées, la température typique de déformation à chaud est d'environ 1 à 80°C pour une charge importante de 120,130 MPa.
- Stabilité dimensionnelle :
Les polycarbonates étant des résines amorphes, ils présentent un retrait minimal lors du moulage et un changement dimensionnel minimal lorsqu'ils absorbent de l'eau.
- Caractéristiques d'auto-extinction :
Les qualités typiques de polycarbonate ont un indice d'ignifugation élevé de UL 94 V-2. Pour les applications nécessitant des niveaux plus élevés de retardement de la flamme, des additifs retardateurs de flamme peuvent également être ajoutés.
- Les polycarbonates sont sensibles aux alcalis et aux solvants à base d'hydrocarbures aromatiques (par exemple, les huiles).
- Les liaisons ester du polycarbonate le rendent sensible à l'hydrolyse dans les environnements chauds et humides.

Les caractéristiques les plus attrayantes du polycarbonate sont sa transparence et ses bonnes propriétés mécaniques, en particulier son excellente résistance aux chocs. Le polycarbonate présente également une grande précision dimensionnelle, car sa structure amorphe garantit un retrait minimal pendant le processus de moulage.

4. Application du polycarbonate

En termes de quantité de matériau utilisé, les principales applications du polycarbonate sont les équipements électriques et électroniques, les équipements de bureau, les films et les feuilles, ainsi que les pièces automobiles.

Ces dernières années, la demande de matériaux d'éclairage LED pour les équipements électriques/électroniques et les équipements de bureau a augmenté de manière significative. L'excellente clarté optique et la résistance à la chaleur du polycarbonate en font un matériau idéal pour les lentilles. Dans les appareils ménagers et de bureau, l'alliage de polycarbonate et d'ABS est largement utilisé pour les châssis et les boîtiers d'instruments. Les raisons d'utiliser le polycarbonate sont sa bonne moulabilité, sa facilité de coloration, son caractère ignifuge et sa résistance aux chocs.

Dans le domaine de la construction et du génie civil, la grande clarté du polycarbonate et son excellente résistance aux chocs en font un matériau de choix pour les films et les feuilles. Les panneaux d'affichage à cristaux liquides constituent une autre application importante du polycarbonate.

L'application la plus importante du polycarbonate dans le secteur automobile est sans doute celle des phares (figure 5). Les sources lumineuses modernes, les progrès de la conception thermique, le développement de la technologie de cémentation et d'autres facteurs ont conduit à l'utilisation du polycarbonate dans la plupart des nouvelles voitures, ce qui contribue également à la réduction du poids global. Le polycarbonate est également utilisé dans d'autres pièces transparentes, telles que les tableaux de bord et divers types de lentilles, ainsi que dans des pièces extérieures telles que les grilles, et dans des pièces intérieures et structurelles telles que les boutons et les interrupteurs.

Outre les applications décrites ci-dessus, les DVD et autres disques optiques (figure 5) sont également fabriqués en polycarbonate. L'excellente clarté et la résistance à la chaleur de la résine PC en font un matériau idéal pour cette application, mais la popularité croissante de la distribution de contenu sur Internet a entraîné une baisse de la demande.

Figure 5 : Les phares (à gauche) et les disques (à droite) sont des applications courantes du polycarbonate.

5. Polycarbonate et résines PPE modifiées : comparaison des principales caractéristiques et des principales applications

Outre le polycarbonate, la catégorie des plastiques techniques amorphes comprend:Résine PPE modifiée。 Dans cette section, nous comparerons brièvement les principales caractéristiques de ces deux familles de matériaux et décrirons les différents modes d'utilisation.

Tableau : Propriétés du polycarbonate et des résines PPE modifiées

Application du polycarbonate

Le polycarbonate étant transparent et pouvant être coloré, il est largement utilisé dans les composants optiques et les pièces qui affectent l'apparence des produits. Le polycarbonate est particulièrement bien adapté aux applications qui requièrent de la transparence et une grande résistance aux chocs, et il est souvent utilisé pour les composants automobiles et les composants optiques qui requièrent une grande résistance à la chaleur.

Application des résines PPE modifiées

Les résines PPE modifiées sont utilisées dans une variété d'applications grâce à leurs propriétés avantageuses, notamment leur faible densité (qui permet de réduire le poids), leur résistance à l'hydrolyse, leur résistance chimique, leurs bonnes propriétés électriques et leur grande précision dimensionnelle. Parmi ces applications, on peut citer les composants périphériques des systèmes de batteries lithium-ion, les connecteurs des générateurs solaires, les produits nécessaires aux systèmes de communication 5G et d'autres applications omniprésentes dans le monde moderne, même si elles ne sont pas forcément évidentes dans la vie de tous les jours.

6. Méthode de traitement

Le polycarbonate étant souvent utilisé dans des domaines qui exigent une grande précision dimensionnelle et une faible distorsion de forme, il aide le matériau à s'écouler dans le moulage par injection La méthode d'outillage et la technologie permettant d'améliorer les propriétés de transfert de surface du corps moulé font l'objet d'un travail de développement continu. Un exemple est la technique de moulage par injection et compression mise au point pour les disques optiques, dans laquelle la cavité est élargie pendant le remplissage du matériau, ce qui permet à la résine fondue de s'écouler plus facilement et de revenir ensuite à son épaisseur d'origine pour assurer un transfert de surface de haute précision. Un autre exemple est le développement de traitements de cémentation pour les composants automobiles qui nécessitent une résistance élevée aux dommages causés par l'usure.

7. Considérations pratiques liées à l'utilisation du polycarbonate

La viscosité élevée du polycarbonate à l'état fondu exige certaines règles spéciales pour le moule et le processus de moulage, faute de quoi le produit moulé peut présenter des défauts, des distorsions de forme ou des fissures.

La résistance chimique du polycarbonate, bien que relativement élevée dans les matériaux transparents, est en fin de compte limitée par sa structure amorphe et ses liaisons carbonates, de sorte que les conditions de moulage doivent être soigneusement ajustées pour minimiser les distorsions de forme. Il faut également veiller à éviter l'adhésion des lubrifiants de machine pendant la phase de traitement et à choisir un agent de démoulage qui garantisse des effets résiduels minimaux. De même, lors de l'utilisation de produits en polycarbonate moulé, il convient de sélectionner avec soin les sprays et les produits de nettoyage afin d'éviter les effets secondaires indésirables.

8. Polycarbonate et durabilité environnementale

Comme dans le verset 2″Production de polycarbonate ”Comme indiqué, Asahi Kasei a mis au point un procédé pratique sans phosgène qui utilise le CO ₂et l'OE comme ingrédient dans la fabrication du polycarbonate. Le procédé n'utilise pas de phosgène, un gaz hautement toxique, ni de chlorure de méthylène, un agent cancérigène présumé. Il est conçu dans un souci de sécurité et sa technologie a été concédée sous licence à des fabricants d'ordinateurs dans le monde entier.

Asahi Kasei propose également des qualités de polycarbonate basées sur une approche de bilan massique pour la compatibilité avec la biomasse. Bien que le BPA utilisé pour fabriquer le polycarbonate soit produit à partir de phénol, ces méthodes utilisent des substances dérivées de composants de la biomasse pour produire ce phénol.

La principale méthode de recyclage du polycarbonate est le recyclage des matériaux, qui consiste à réduire en poudre les matériaux résineux usagés, à les faire fondre et à les remodeler. Cette méthode est particulièrement utile pour des articles tels que les disques d'occasion, qui tendent à être de haute qualité et relativement faciles à agréger en grandes quantités.

Colonne : Fusion des plastiques cristallins et amorphes

Lorsqu'une matière plastique amorphe fond en la chauffant au-dessus d'une certaine température, les molécules adjacentes du plastique peuvent se déplacer librement dans la matière. La température à laquelle cela se produit est appelée température de transition vitreuse, désignée par le symbole Tg. Lorsque la température est supérieure à Tg, le matériau commence à présenter une certaine fluidité. La température de transition vitreuse du polycarbonate est Tg~150°C.

La fusion des plastiques cristallins est légèrement plus compliquée. Si l'on examine la microstructure des plastiques cristallins, on constate que la région amorphe coexiste avec la région cristalline et qu'à des températures plus élevées, les molécules de la région amorphe commencent à se déplacer en premier, tandis que les molécules de la région cristalline sont liées par de fortes forces intermoléculaires et ne peuvent pas se déplacer, de sorte qu'elles continuent à exister à l'état solide. Au fur et à mesure que la température augmente, les molécules de la région cristalline commencent à se déplacer librement et le matériau commence à présenter une certaine fluidité. La température à laquelle les molécules de la région amorphe commencent à se déplacer librement est appelée température de transition vitreuse (Tg) - le même terme que celui utilisé pour les plastiques amorphes. Au contraire, la température à laquelle les molécules de la région de cristallisation commencent à se déplacer librement est appelée point de fusion et est notée Tm.

Les plastiques cristallins existent dans un état vitreux à des températures inférieures à Tg, tandis qu'entre Tg et Tm, ils existent dans un état caoutchouteux. Bien que les plastiques vitreux et caoutchouteux soient tous deux des solides, leurs propriétés présentent des différences significatives : le comportement moléculaire dans le premier état rappelle les propriétés familières du verre dans la vie de tous les jours, tandis que le comportement moléculaire dans le second état rappelle l'un des comportements du caoutchouc, ce qui explique le choix du terme. Il va sans dire que les plastiques amorphes n'ont pas d'analogie avec l'état du caoutchouc. La relation entre la température et l'état plastique est illustrée à la figure 7.

Figure 6 : Point de fusion et température de transition vitreuse