Che cos'è il policarbonato (PC)?

Il policarbonato (PC) è una classe di tecnopolimeri amorfi di uso generale ed è anche l'unico materiale trasparente tra tutti i tipi di tecnopolimeri di uso generale. La resina PC è un termine generale che si riferisce a un polimero in cui i monomeri sono collegati tra loro da gruppi di carbonato attraverso legami di carbonato. L'eccellente resistenza agli urti, la trasparenza, la resistenza al calore (elevata temperatura di transizione vetrosa intorno a Tg ~ 150°C) e la stabilità dimensionale del policarbonato ne fanno una buona scelta per una varietà di applicazioni. D'altra parte, i legami esterici del policarbonato lo rendono meno resistente chimicamente rispetto ad altri materiali (è particolarmente sensibile agli alcali e ai solventi a base di idrocarburi aromatici, come gli oli) e il policarbonato è anche suscettibile di idrolisi in ambienti caldi e umidi.

2. Produzione di policarbonato

La struttura chimica di base del policarbonato è riportata nella Figura 1.

Figura 1: Struttura chimica del policarbonato

Come mostrato nella Figura 2, l'unità illustrata nella Figura 1 è costituita da 4 componenti molecolari: due fenoli (linea tratteggiata rossa), un acetone (linea tratteggiata verde) e un carbonato (linea tratteggiata blu).

Figura 2: Composizione molecolare del policarbonato

Il termine policarbonato deriva dalla presenza di carbonati nella Figura 2. Più precisamente, il policarbonato è un materiale costituito da catene polimeriche formate da reazioni ripetute di composti diidrossi con molecole di carbonato, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: Reazione alla produzione di policarbonato.

Cambiando l'unità R nella Figura 3 si possono produrre diversi policarbonati e l'unità R utilizzata nella produzione industriale è il bisfenolo A (BPA). Come mostrato nella Figura 4, il BPA è costituito da due molecole di fenolo legate da molecole di acetone ed è un ingrediente comune in prodotti come vernici e adesivi.

Figura 4: Bisfenolo A

Esistono diverse tecniche di produzione del policarbonato, che variano a seconda della sostanza che reagisce con il BPA. Questi metodi sono descritti nella tabella seguente.

3. Caratteristiche del policarbonato

Trasparenza:
Tra tutti i tecnopolimeri per uso generale, il policarbonato è l'unica resina trasparente. I tipici materiali trasparenti offrono una trasmissione della luce visibile di 85-90% (per materiali con uno spessore di 2 mm).
- Resistenza agli urti:
Tra tutte le plastiche, il policarbonato presenta il più alto livello di resistenza agli urti.
-Tolleranza al calore:
Con una temperatura di transizione vetrosa di quasi 150°C, il policarbonato offre proprietà meccaniche stabili in un ampio intervallo di temperature. Per i gradi generali non rinforzati, la temperatura di deformazione termica tipica è di circa 1-80°C a un carico pesante di 120.130 MPa.
- Stabilità dimensionale:
Essendo resine amorfe, i policarbonati presentano un ritiro minimo durante lo stampaggio e una variazione dimensionale minima quando assorbono acqua.
- Caratteristiche di autoestinguenza:
I tipi di policarbonato tipici hanno un elevato grado di resistenza alla fiamma, pari a UL 94 V-2. Per le applicazioni che richiedono livelli più elevati di resistenza alla fiamma, è possibile aggiungere additivi ritardanti di fiamma.
- I policarbonati sono sensibili agli alcali e ai solventi di idrocarburi aromatici (ad esempio, gli oli).
- I legami esterici del policarbonato lo rendono suscettibile all'idrolisi in ambienti caldi e umidi.

Le caratteristiche più interessanti del policarbonato sono la trasparenza e le buone proprietà meccaniche, in particolare l'eccellente resistenza agli urti. Il policarbonato presenta inoltre un'elevata precisione dimensionale, poiché la sua struttura amorfa garantisce un ritiro minimo durante il processo di stampaggio.

4. Applicazione del policarbonato

In termini di quantità di materiale utilizzato, le principali applicazioni del policarbonato sono le apparecchiature elettriche ed elettroniche, le apparecchiature per ufficio, le pellicole e le lastre e le parti di automobili.

Negli ultimi anni, la domanda di materiali per l'illuminazione a LED per le apparecchiature elettriche/elettroniche e per l'ufficio è cresciuta in modo significativo. L'eccellente chiarezza ottica e la resistenza al calore del policarbonato lo rendono un materiale ideale per le lenti. Negli elettrodomestici e negli elettrodomestici da ufficio, il materiale in lega con il policarbonato e l'ABS è ampiamente utilizzato come telaio degli strumenti e materiale per l'alloggiamento. I motivi per cui si utilizza il policarbonato sono la sua buona modellabilità, la facilità di colorazione, il ritardo di fiamma e la resistenza agli urti.

Nell'edilizia e nell'ingegneria civile, l'elevata trasparenza e l'eccellente resistenza agli urti fanno del policarbonato una scelta ampiamente diffusa per i materiali in pellicola e in lastre. I pannelli a cristalli liquidi sono un'altra applicazione del policarbonato in grandi volumi.

L'applicazione forse più importante del policarbonato nel settore automobilistico è quella dei fari (Figura 5). Le moderne sorgenti luminose, i progressi nella progettazione termica, lo sviluppo della tecnologia di incrudimento e altri fattori hanno portato all'uso del policarbonato nella maggior parte delle nuove automobili, contribuendo anche alla riduzione del peso complessivo. Il policarbonato viene utilizzato anche in altre parti trasparenti, come i pannelli degli strumenti e vari tipi di lenti, oltre che in parti esterne come le griglie, nonché in parti interne e strutturali come pulsanti e interruttori.

Oltre alle applicazioni descritte sopra, anche i DVD e altri dischi ottici (Figura 5) sono realizzati in policarbonato; l'eccellente chiarezza e la resistenza al calore della resina PC ne fanno un materiale ideale per questa applicazione, ma la crescente popolarità della distribuzione di contenuti via Internet ha portato a un calo della domanda.

Figura 5: Le applicazioni più comuni del policarbonato sono i fari per autoveicoli (a sinistra) e i dischi (a destra).

5. Policarbonato e resine PPE modificate: confronto tra le principali caratteristiche e le principali applicazioni

Oltre al policarbonato, la categoria dei tecnopolimeri amorfi comprende:Resina PPE modificata。 In questa sezione, confronteremo brevemente le caratteristiche principali di queste due famiglie di materiali e descriveremo le diverse modalità di utilizzo.

Tabella: Proprietà del policarbonato e delle resine PPE modificate

Applicazione del policarbonato

Poiché il policarbonato è trasparente e può essere colorato, è ampiamente utilizzato nei componenti ottici e nelle parti che influenzano l'aspetto dei prodotti. Il policarbonato è particolarmente adatto per le applicazioni che richiedono trasparenza ed elevata resistenza agli urti ed è spesso utilizzato per componenti automobilistici e ottici che richiedono un'elevata resistenza al calore.

Applicazione delle resine PPE modificate

Le resine PPE modificate sono utilizzate in una varietà di applicazioni grazie alle loro proprietà vantaggiose, tra cui il basso peso specifico (che contribuisce a ridurre il peso), la resistenza all'idrolisi, la resistenza chimica, le buone proprietà elettriche e l'elevata precisione dimensionale. Esempi di tali applicazioni sono i componenti periferici per i sistemi di batterie agli ioni di litio, i connettori per i generatori solari, i prodotti necessari per i sistemi di comunicazione 5G e altre applicazioni che sono onnipresenti nel mondo moderno, anche se possono non essere evidenti nella vita quotidiana.

6. Metodo di lavorazione

Poiché il policarbonato è spesso utilizzato in settori che richiedono un'elevata precisione dimensionale e una bassa distorsione della forma, aiuta il materiale a fluire nello stampaggio a iniezioneIl metodo di attrezzaggio e la tecnologia per migliorare le proprietà di trasferimento superficiale del corpo stampato sono al centro di un continuo lavoro di sviluppo. Un esempio è la tecnica di stampaggio a compressione a iniezione sviluppata per i dischi ottici, in cui la cavità viene allargata durante il riempimento del materiale, consentendo alla resina fusa di fluire più facilmente e tornando poi allo spessore originale per garantire un trasferimento superficiale di alta precisione. Un altro esempio è lo sviluppo di trattamenti di cementazione per componenti automobilistici che richiedono un'elevata resistenza ai danni da usura.

7. Considerazioni pratiche relative all'utilizzo del policarbonato

L'elevata viscosità di fusione del policarbonato richiede alcune regole speciali per lo stampo e il processo di stampaggio, altrimenti il prodotto stampato potrebbe presentare difetti, distorsioni della forma o crepe.

La resistenza chimica del policarbonato, pur essendo relativamente elevata nei materiali trasparenti, è in ultima analisi limitata dalla sua struttura amorfa e dai legami carbonatici, per cui le condizioni di stampaggio devono essere attentamente regolate per ridurre al minimo la distorsione della forma. Occorre inoltre prestare attenzione a evitare l'adesione di lubrificanti per macchine durante la fase di lavorazione e selezionare un agente distaccante che garantisca effetti residui minimi. Allo stesso modo, quando si utilizzano prodotti in policarbonato stampato, è necessario prestare attenzione alla scelta di spray e prodotti per la pulizia per evitare effetti collaterali negativi.

8. Policarbonato e sostenibilità ambientale

Come nel verso 2″Produzione di policarbonato ”Come discusso, Asahi Kasei ha sviluppato un processo pratico senza fosgene che utilizza la CO ₂e EO come ingrediente per la produzione di policarbonato. Il processo non utilizza fosgene, un gas altamente tossico, o cloruro di metilene, un sospetto cancerogeno, ed è stato progettato tenendo conto della sicurezza; la sua tecnologia è stata concessa in licenza ai produttori di PC di tutto il mondo.

Asahi Kasei offre anche gradi di policarbonato basati su un approccio di equilibrio di massa per la compatibilità con la biomassa. Sebbene l'ingrediente BPA utilizzato per produrre il policarbonato sia prodotto dal fenolo, questi metodi utilizzano sostanze derivate da componenti della biomassa per produrre il fenolo.

Il metodo principale di riciclaggio del policarbonato è il riciclaggio dei materiali, in cui i materiali di resina usati vengono macinati in polvere, fusi e rimodellati. Questo metodo è particolarmente utile per articoli come i dischi di seconda mano, che tendono ad essere di alta qualità e relativamente facili da aggregare in grandi quantità.

Colonna: Fusione di plastiche cristalline e amorfe

Quando un materiale plastico amorfo si scioglie riscaldandolo al di sopra di una certa temperatura, le molecole adiacenti all'interno della plastica possono muoversi liberamente nel materiale. La temperatura a cui avviene questo fenomeno è chiamata temperatura di transizione vetrosa, indicata con il simbolo Tg; quando la temperatura è superiore a Tg, il materiale inizia a mostrare fluidità. La temperatura di transizione vetrosa del policarbonato è Tg~150°C.

La fusione delle plastiche cristalline è leggermente più complicata. Osservando la microstruttura delle plastiche cristalline, si può notare che la regione amorfa coesiste con quella cristallina e, a temperature più elevate, le molecole della regione amorfa iniziano a muoversi per prime, mentre le molecole della regione cristallina sono legate da forti forze intermolecolari e non possono muoversi, quindi continuano a esistere allo stato solido. Quando la temperatura aumenta ulteriormente, anche le molecole della regione cristallina iniziano a muoversi liberamente e il materiale inizia a mostrare fluidità. La temperatura alla quale le molecole della regione amorfa iniziano a muoversi liberamente è chiamata temperatura di transizione vetrosa (Tg), lo stesso termine usato per le plastiche amorfe. Al contrario, la temperatura alla quale le molecole nella regione di cristallizzazione iniziano a muoversi liberamente è nota come punto di fusione ed è indicata come Tm.

Le plastiche cristalline esistono allo stato vetroso a temperature inferiori a Tg, mentre tra Tg e Tm esistono allo stato gommoso. Sebbene le plastiche vetrose e gommose siano entrambe solide, vi sono differenze significative nelle loro proprietà: il comportamento molecolare nel primo stato ricorda le proprietà familiari del vetro nella vita quotidiana, mentre il comportamento molecolare nel secondo stato ricorda uno dei comportamenti della gomma, spiegando così la scelta del termine. Inutile dire che per le plastiche amorfe non esistono analoghi allo stato di gomma. La relazione tra temperatura e stato plastico è mostrata nella Figura 7.

Figura 6: Punto di fusione e temperatura di transizione vetrosa