Inženirske plastike: Polikarbonat (PC) – lastnosti, uporaba in razvoj (1)

Definicija in struktura polikarbonata

Polikarbonat je splošen izraz za razred visokomolekularnih polimerov, ki v svojih molekularnih verigah vsebujejo karbonatne skupine. Glede na razlike v strukturi estrskih skupin jih lahko razvrstimo v različne vrste, kot so alifatski PC, aliciklični PC in aromatski PC. Med njimi imajo alifatski in alifatsko-aromatski polikarbonati omejeno uporabo na področju inženirskih plastik zaradi slabih mehanskih lastnosti.

Trenutno se v industriji proizvaja predvsem aromatski polikarbonat, zlasti aromatski polikarbonat tipa bisfenola A. Njegova kemijska formula je produkt polikondenzacije bisfenola A s fosgenom ali difenil karbonatom. Ta edinstvena molekularna struktura daje polikarbonatu vrsto odličnih lastnosti, zaradi česar izstopa med številnimi materiali.

Lastnosti polikarbonata

(I) Optične lastnosti

Polikarbonat se ponaša z izjemno prosojnostjo, s prepustnostjo svetlobe več kot 90 %, kar je blizu prepustnosti anorganskega stekla, kar mu omogoča, da sije v optičnem polju. Ne glede na to, ali se uporablja pri izdelavi preciznih optičnih komponent, kot so optični diski, leče in optične leče, ali za vsakodnevne optične izdelke, kot so veliki senčniki, zaščitno steklo in okensko steklo, lahko polikarbonat zaradi svoje visoke prosojnosti uporabnikom zagotovi jasno vizualno izkušnjo. Hkrati pa njegova dobra prilagodljivost barvanju omogoča izdelkom, da pokažejo bogato paleto barv, kar ustreza estetskim potrebam različnih scenarijev.

(II) Mehanske lastnosti

Polikarbonat kaže odlično odpornost proti udarcem, z zarezno Izodovo udarno trdnostjo do 600–900 J/m², kar ga uvršča med najboljše inženirske plastike. Njegove trpežne, a hkrati toge lastnosti mu omogočajo, da prenese znatne zunanje udarce, ne da bi se zlahka zlomil, in ta vrhunska mehanska zmogljivost postavlja trdne temelje za njegovo uporabo na številnih področjih s strogimi zahtevami glede trdnosti in odpornosti proti udarcem.

Poleg tega sta natezna in upogibna trdnost polikarbonata primerljivi z najlonom in polioksimetilenom, kar izstopa med termoplastičnimi plastikami in se približuje ravni fenolnih smol, ojačanih s steklenimi vlakni, ali nenasičenih poliestrov. Poleg tega lahko oblikovani deli izpolnjujejo zahteve glede visoke natančnosti in ohranjajo dimenzijsko stabilnost v širokem razponu okoljskih sprememb, s konstantno stopnjo krčenja pri oblikovanju 0,5–0,7 %. Imajo tudi izjemno odpornost proti lezenju.

(III) Toplotne lastnosti

Polikarbonat ima temperaturo steklastega prehoda približno 147 °C in temperaturo toplotne deformacije 135 °C, kar omogoča njegovo stabilno uporabo dlje časa v temperaturnem območju od -45 °C do 120 °C. Zaradi odlične toplotne stabilnosti se lahko prilagodi različnim kompleksnim delovnim okoljem; izdelki iz polikarbonata lahko delujejo normalno, bodisi v hladnih polarnih območjih bodisi v vročem tropskem podnebju.

Poleg tega se polikarbonat tali pri 220–230 °C in ima temperaturo toplotnega razkroja, ki presega 310 °C. Je samougasljiva smola, kar do neke mere poveča njeno varnost pri uporabi v okoljih z visokimi temperaturami.

(IV) Kemijska stabilnost

Polikarbonat ima dobro odpornost na šibke kisline, šibke alkalije in nevtralna olja ter lahko ohranja stabilno delovanje v okoljih, ki vsebujejo te kemikalije. Vendar je relativno občutljiv na močne alkalije in nagnjen k koroziji zaradi njih, njegova UV-odpornost pa je relativno slaba.

Zato je treba v praktični uporabi na polikarbonat uporabiti ustrezno zaščito ali modifikacijo glede na specifično delovno okolje, da se podaljša njegova življenjska doba.

Proizvodni procesi polikarbonata

(I) Fosgenska metoda (medfazna polikondenzacija)

Fosgenska metoda je trenutno eden glavnih postopkov za proizvodnjo polikarbonata. Pri tem postopku bisfenol A reagira s fosgenom v alkalni raztopini in tvori PC z visoko molekulsko maso. Prednost te metode je, da lahko proizvede polikarbonatne izdelke z visoko čistostjo in odlično kakovostjo.

Vendar je fosgen zelo strupen plin, ki zahteva stroge varnostne ukrepe med proizvodnjo, da se zagotovi varnost upravljavcev in okolja. Poleg tega postavlja izjemno visoke zahteve glede tesnjenja in odpornosti proizvodne opreme proti koroziji, kar povečuje proizvodne stroške in tehnične izzive.

(II) Metoda transesterifikacije (policondenzacija taline)

Metoda transesterifikacije je še en pomemben proizvodni postopek za polikarbonat. Pri njej se kot surovini uporablja difenil karbonat in bisfenol A za izvajanje reakcij polikondenzacije pri visokih temperaturah in vakuumu.

Ta metoda ima relativno preprost procesni potek in ne zahteva uporabe zelo strupenega fosgena, kar do neke mere zmanjšuje varnostna tveganja v proizvodnem procesu. Vendar pa ima metoda transesterifikacije tudi nekaj pomanjkljivosti. Na primer, molekulska masa proizvedenega polikarbonata je relativno nizka, zato je lahko učinkovitost izdelka v nekaterih pogledih slabša od učinkovitosti polikarbonata, proizvedenega s fosgensko metodo. Zato je ta metoda primernejša za proizvodnjo izdelkov z nizko viskoznostjo, ki nimajo visokih zahtev glede molekulske mase.

Trenutno stanje polikarbonatne industrije

(I) Svetovna proizvodna zmogljivost in proizvodnja

Svetovna proizvodna zmogljivost polikarbonata (PC) se še naprej širi, čeprav se stopnja rasti postopoma upočasnjuje. Leta 2024 se je svetovna proizvodna zmogljivost PC medletno povečala za 4,7 %, proizvodnja se je medletno povečala za 4,0 %, povprečna stopnja delovanja proizvodnih obratov pa je znašala 63,5 %.

Regionalna koncentracija svetovne proizvodnje osebnih računalnikov se preusmerja proti severovzhodni Aziji, pri čemer je proizvodnja osredotočena predvsem na regije, kot so severovzhodna Azija, zahodna Evropa in Severna Amerika. Leta 2024 je severovzhodna Azija predstavljala 66,3 % svetovne proizvodne zmogljivosti osebnih računalnikov, kar je prvo mesto; Zahodna Evropa je predstavljala 12,9 %; Severna Amerika pa 10,3 %.

Konkurenca v panogi je zelo koncentrirana. Leta 2024 je bilo več kot 30 večjih svetovnih proizvajalcev osebnih računalnikov, proizvodna zmogljivost desetih največjih proizvajalcev pa je predstavljala 71,8 % celotne svetovne proizvodne zmogljivosti. Med njimi je Covestro največji proizvajalec osebnih računalnikov na svetu.

(II) Mednarodne trgovinske razmere

Leta 2023 je skupna vrednost mednarodne trgovine s polikarbonatom (PC) znašala 8,93 milijarde USD, kar je 23,5 % manj kot v enakem obdobju lani, skupni obseg trgovine pa je znašal 3,232 milijona ton, kar je 15,6 % manj kot v prejšnjem letu. Kar zadeva cene, je bila povprečna svetovna izvozna cena PC 2.761,6 USD na tono, kar je 9,4 % manj kot v enakem obdobju lani.

Kitajska, Indija in Mehika so največje uvoznice osebnih računalnikov na svetu, njihov skupni uvoz pa predstavlja približno 43,9 % svetovnega uvoza. Južna Koreja, Tajska in Kitajska so glavne izvoznice, katerih skupni izvoz predstavlja približno 44,4 % svetovnega izvoza.

(III) Razmere na kitajskem trgu

Stopnja rasti proizvodnih zmogljivosti osebnih računalnikov na Kitajskem se je upočasnila. V zadnjih nekaj letih se je kitajska proizvodna zmogljivost osebnih računalnikov hitro povečala, očiten pojav pomanjkanja ponudbe v industriji pa se je znatno izboljšal. V zadnjih dveh letih se je industrija začela vračati k racionalnosti, tempo širitve zmogljivosti se je znatno upočasnil in postopoma prešel iz prejšnje hitre širitve v optimizacijo obstoječih zalog in izboljšanje učinkovitosti.

Leta 2024 se je kitajska proizvodna zmogljivost osebnih računalnikov medletno povečala za 13,1 %, proizvodnja pa se je medletno povečala za 22,6 %. Kitajski uvoz osebnih računalnikov se je še naprej zmanjševal, medtem ko se je izvoz še naprej povečeval. Leta 2024 se je kitajski uvoz osebnih računalnikov medletno zmanjšal za 14,8 %, izvoz pa se je medletno povečal za 34,6 %.

Kitajski uvoz osebnih računalnikov poteka predvsem prek splošne trgovine in predelave z uvoženimi materiali, kar predstavlja 69,6 % oziroma 18,9 % celotnega uvoza. Kitajski uvoženi osebni računalniki prihajajo predvsem iz držav in regij, kot so Južna Koreja, Tajska in kitajska provinca Tajvan, kar predstavlja približno 60,3 % celotnega uvoza.

Kitajska navidezna poraba osebnih računalnikov se je medletno povečala za 8,9 %, stopnja samozadostnosti pa se je medletno zvišala za 9,9 odstotne točke. Z dokončanjem in zagonom več novih in razširjenih obratov se bo proizvodna zmogljivost osebnih računalnikov na Kitajskem še povečala, obseg dobave pa se bo prav tako hitro povečeval. Čeprav izdelki iz novih obratov še vedno ne zadostujejo za hitro in učinkovito nadomestitev uvoženih materialov, se je stopnja samozadostnosti znatno povečala, odvisnost od tujih surovin pa se je opazno zmanjšala.