聚碳酸酯在現(xiàn)代塑料工業(yè)的應(yīng)用及研究進(jìn)展

竇立巖，汪麗梅

(吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130018)

在五大通用工程塑料中，PC(聚碳酸酯)是唯一具有良好透明性的產(chǎn)品。利用這一優(yōu)點(diǎn)，PC成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域，其中包括電子電器、醫(yī)療用品、建筑節(jié)能、汽車部件等諸多正飛速發(fā)展的行業(yè)。聚碳酸酯生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，在全球只有少數(shù)幾個(gè)大公司具備生產(chǎn)能力[1]，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家都是外資或合資公司，隨著北美和西歐地區(qū)在建筑和汽車行業(yè)方面需求的增加，亞洲地區(qū)尤其是中國正加大PC生產(chǎn)投資規(guī)模，2019年將超過120萬t產(chǎn)能。

1 PC應(yīng)用前景的優(yōu)劣勢分析

目前PC的生產(chǎn)工藝主要有酯交換法和光氣法兩種，前者由于需要餾出高沸點(diǎn)苯酚而難以達(dá)到高分子量。后者在反應(yīng)過程中使用了光氣這種劇毒原料，對于技術(shù)和安全環(huán)節(jié)提出了極高要求，如果加上苯酚本身也具有毒性這點(diǎn)，PC生產(chǎn)的準(zhǔn)入門檻使其具有一定的壟斷性。

1.1 優(yōu)勢

PC是一種綜合性能優(yōu)良的工程塑料，具備較高的強(qiáng)度、延展性和韌性，具有出色的抗沖擊強(qiáng)度，同時(shí)電性能優(yōu)良，透光性好，透光率可超過90%。另外其阻燃性方面的研究也相當(dāng)成熟，許多合金材料都選擇PC作為改性物之一。PC用作板材隔熱性能是普通玻璃的1.25倍，抗沖擊強(qiáng)度是玻璃的250倍，而密度卻只有玻璃的一半，因此在建筑行業(yè)具有巨大的應(yīng)用潛力。另外PC易于模具加工，可替代目前某些汽車零件以達(dá)到減重節(jié)能的目的，尤其是我國的汽車行業(yè)在PC的使用方面僅占總用量的5%，與國外20%的比例相比，有很大的發(fā)展空間。在電子電器行業(yè)，PC的高抗沖性，高熱變形溫度，絕緣性，耐火性以及尺寸穩(wěn)定性的綜合優(yōu)良性能，使其用量始終保持強(qiáng)勁增長。鑒于每年國內(nèi)都要進(jìn)口幾十億的PC滿足需求，市場前景非常樂觀。

1.2 劣勢

PC的用途雖然廣泛，但競爭者眾多，成本居高不下，在很多應(yīng)用領(lǐng)域可以被替代。譬如對溫度和抗沖擊強(qiáng)度要求不高的電冰箱保鮮室和保護(hù)層，可以使用低成本的丙烯腈樹脂(SAN)。在一次性使用容器方面，透明PP，PET，PVC更具競爭力。在食品用具領(lǐng)域，本可以用作水瓶和嬰兒奶瓶的PC產(chǎn)品由于被認(rèn)為含有雙酚A而在某些國家(如歐盟、加拿大、美國)受到限制。PC產(chǎn)品正被迫向更好、更優(yōu)、更高端領(lǐng)域邁進(jìn)，對于其新產(chǎn)品開發(fā)能力及應(yīng)用領(lǐng)域探索提出了更高更廣泛的要求。

2 PC主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 電子電器

PC在較寬的溫、濕度范圍內(nèi)具有良好的絕緣性和強(qiáng)度，廣泛用作計(jì)算機(jī)及各種商用電器的外殼、蓋子和結(jié)構(gòu)部件?？芍谱鹘^緣套管、線圈框架、電動工具殼體、電冰箱冷凍抽屜、真空吸塵器零件等，也可用于制造尺寸精度很高的零件，如計(jì)算機(jī)、錄像機(jī)、電視機(jī)以及交換器、繼電器等通信器材中的重要部件，由于其出色的光學(xué)透明性、光散射性及尺寸穩(wěn)定性，在42寸以上大屏幕LCD擴(kuò)散板中獲得應(yīng)用。PC/ABS合金不僅降低了成本，而且具有更好的加工性及抗紫外性能，可以用來生產(chǎn)注塑筆記本電腦及膝上電腦的薄壁部分。

2.2 建筑材料

長久以來，玻璃是現(xiàn)代生活的主要采光材料，但用于大面積建筑物屋頂要求“輕質(zhì)高強(qiáng)”，PC本身的高強(qiáng)度，低密度彌補(bǔ)了玻璃自重大，易碎特點(diǎn)，結(jié)合其安全性高，安裝簡便，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢，從而在當(dāng)代建筑領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。當(dāng)然，僅靠材料本身的性質(zhì)優(yōu)勢還不足以完成一項(xiàng)宏大的建筑，正如水泥仍需鋼筋增強(qiáng)一樣，PC作為建筑材料加入了很多設(shè)計(jì)。隨著PC板材生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)的提升，PC中空板作為一種新型材料在建筑物屋面[2]、面墻及幕墻方面注入了許多新的建筑元素。這種板材又稱“陽光板”，可透過多數(shù)可見光，卻能阻擋大部分紅外線和紫外線，自然光通過該板材后在室內(nèi)形成柔和的漫反射而不致炫目，因此在工業(yè)廠房，體育館，展覽館，航空港等大空間大進(jìn)深建筑中大量采用。此外，PC板材由于出色的節(jié)能效果而被看作是一種綠色建筑材料，李崢嶸等利用EnergyPlus軟件模擬了上海某建筑的全年能耗，計(jì)算其能耗量及費(fèi)用，結(jié)論是與雙層玻璃窗相比，PC多層板窗的年費(fèi)用節(jié)省在6.2～36.6元/m2。

2.3 汽車行業(yè)

傳統(tǒng)的車窗和天窗玻璃正在被更輕的PC材料替代，低密度僅僅是發(fā)生這一變化的原因之一，塑料的優(yōu)良加工性能可以使汽車開發(fā)設(shè)計(jì)人員不斷創(chuàng)新，將高度彎曲的PC板與汽車車身結(jié)合起來，提高空氣動力效率，菲亞特500L的車窗展示了PC材料在該領(lǐng)域的強(qiáng)大競爭力。PC天窗的發(fā)展?jié)摿薮?，中國生產(chǎn)的汽車每 3輛就有 1 輛會配置天窗或全景天窗[3]。高耐熱聚碳酸酯在生產(chǎn)聚光鏡和反射鏡部件時(shí)可直接進(jìn)行真空噴鍍金屬。在照明系統(tǒng)中，PC可以用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的前燈、尾燈和轉(zhuǎn)向燈，提高耐沖擊性，由于采用聚碳酸酯，前車燈罩質(zhì)量較無機(jī)玻璃減少了 0.5～1.4 kg。PC合金由于具有高機(jī)械性能和良好的外觀，在汽車上主要用于外裝件和內(nèi)飾件，如PC/ABS合金具有優(yōu)異的耐熱性、耐沖擊性和剛性，良好的加工流動性和涂飾性，是制造汽車儀表板的理想材料，由其制成的儀表板無需進(jìn)行表面預(yù)處理，可以直接噴涂軟質(zhì)面漆或覆涂PVC膜。

2.4 醫(yī)療器械

典型的醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域包括高壓注射器、一次性牙科工具、外科手術(shù)面罩、血氧合器、血液收集器、血液分離裝置、外科手術(shù)裝置、腎透析設(shè)備、靜脈組件和醫(yī)用離心機(jī)等。能承受高能輻射及高溫消毒而不損失物理性能和變黃以及提高耐化學(xué)品性防止開裂是PC在該領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵問題。Bayer 公司先后推出了多種醫(yī)用新品，包括 Markrolon2258，Makrolon Rx2435 和Makrolon Rx2440。其中Makrolon Rx2440是一種新型透明高流動性醫(yī)療級 PC 材料，具有適宜生物相容性，當(dāng)其經(jīng)γ 射線或電子束輻射或環(huán)氧乙烷蒸氣滅菌時(shí)，顏色恢復(fù)時(shí)間比一般PC快，能夠用于多種醫(yī)藥設(shè)備方面，例如靜脈注射、呼吸道、外科手術(shù)、腎臟治療和其他方面?？扑冀瞻l(fā)布了MakrolonRx3440產(chǎn)品，該材料能耐腫瘤治療和清潔劑中的溶劑。這款醫(yī)用聚碳酸酯產(chǎn)品所具備的耐久性和耐化學(xué)性有助預(yù)防開裂，讓醫(yī)療專業(yè)人員能更安全地為腫瘤患者注入藥物。此外，Styron 公司推出了 Emerge PC/PET9100CR 合金產(chǎn)品，能夠滿足極端條件下的耐化學(xué)性能，不出現(xiàn)塑料表面分解、裂紋、破裂等現(xiàn)象。

2.5 其他

PC還可用于薄膜、光學(xué)透鏡及包裝領(lǐng)域。薄膜最薄達(dá)0.03 mm厚，無臭、無毒、高度透明的無色或微黃色，功能很多，有阻燃級、印刷級、防刮花、防靜電之分，可用于電力系統(tǒng)絕緣，特種印刷，手機(jī)等電子產(chǎn)品的視窗鏡片。光學(xué)級 PC 可用來制作高級攝象機(jī)、照相機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)鏡片、眼鏡鏡片，具有優(yōu)異的抗沖擊性。包裝方面主要用于大容量可重復(fù)使用的水瓶及食品用具。

3 最新研究進(jìn)展

從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，PC領(lǐng)域研究熱點(diǎn)主要包括阻燃劑的開發(fā)及復(fù)合型材料的研制。一方面，電子電氣領(lǐng)域要求PC材料在更薄的情況下能夠穩(wěn)定阻燃。而在更高端的領(lǐng)域如傳感器、太陽能電池、觸摸屏、顯示器及智能窗等，PC作為基體材料也顯示了一定的應(yīng)用前景。

3.1 阻燃劑

PC阻燃劑的種類眾多，早期有磺酸鹽系阻燃劑、有機(jī)磷系阻燃劑、溴系阻燃劑、有機(jī)硅系阻燃劑、無機(jī)阻燃劑等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前市場產(chǎn)品的趨勢是無鹵化，而且以磺酸鹽系阻燃劑居多，主要是因其具有較高的熱變形溫度和相對溫度指數(shù)值，但改性PC 材料的阻燃等級普遍為UL 94 V-0(1.0～1.5 mm)級。隨著社會的發(fā)展，人們要求電子設(shè)備不僅具有實(shí)用性和安全性，也強(qiáng)調(diào)美觀性。因此，薄壁化和良好的外觀是未來的發(fā)展趨勢，這就需要無鹵阻燃PC能夠達(dá)到更高的阻燃級別，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能、光澤度、熱性能及加工性能。

開發(fā)新型的阻燃劑或采用阻燃劑復(fù)配的方式來滿足材料各項(xiàng)綜合性能的需求是當(dāng)下各大企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)始終致力的方向。上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司的張永[4]等采用美國 FRX Polymers公司開發(fā)的聚磷酸酯均聚物HM1100作為PC阻燃劑，使阻燃級別達(dá)到1.0 mm的V-0級，與雙酚 A雙二苯基磷酸酯 (BDP)相比，大負(fù)荷下 (1.82 MPa)的熱變形溫度會大幅提升，最高可達(dá)123℃，且表現(xiàn)出相對 BDP更高的耐水解性。

3.2 復(fù)合型PC材料

PC本身具有優(yōu)異的力學(xué)和光學(xué)性能，是理想的基體材料。目前的研究包括：對PC本身進(jìn)行改性，以增強(qiáng)其與其他材料的復(fù)合能力；添加炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯等賦予其導(dǎo)電性能；作為薄膜基體材料與其他薄膜材料復(fù)合。沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)是全球頂尖的石化企業(yè)，在熱塑性塑料方面有很強(qiáng)的研發(fā)能力，該公司開發(fā)了一種新型聚碳酸酯樹脂，主鏈中具有特殊基團(tuán)，可直接與碳纖維復(fù)合，無需采用常規(guī)的硅烷偶聯(lián)劑改性碳纖維后再與之結(jié)合的過程，具有一定創(chuàng)新性。鄭州大學(xué)周冰[5]以聚碳酸酯(PC)為基體，多壁碳納米管(MWNTs)、單壁碳納米管(SWNTs)為導(dǎo)電粒子，通過自主設(shè)計(jì)的卷對卷(R2R)噴涂裝置，連續(xù)制備出 SWNTs/MWNTs/PC 透明導(dǎo)電薄膜，結(jié)果表明其具有良好的柔韌性，通斷電可循環(huán)調(diào)控透光性和顏色，對柔性智能窗的開發(fā)具有重要參考價(jià)值。

4 結(jié)論

人類正處在新材料時(shí)代，材料的發(fā)展和利用是每一個(gè)材料科學(xué)家都在關(guān)注和思考的問題。PC塑料以其優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能格外引人注目，尤其是在高端的應(yīng)用如電子產(chǎn)品，汽車部件、醫(yī)療設(shè)備及現(xiàn)代建筑方面的工藝和技術(shù)日臻成熟，為其日后的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。在經(jīng)濟(jì)全球化的帶動下，人們對物質(zhì)需求的不斷提高必定會推動PC這種內(nèi)在和外在都具備競爭力的產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展。