聚碳酸酯的性能與應用解析

1、聚碳酸酯的性能與應用解析聚碳酸酯最早由德國科學家Alfred Einhorn在1898年 首次合成。聚碳酸酯是一種透明材料，有很好的力學性能、 阻燃性能和耐高溫性。作為五大工程塑料之一，聚碳酸酯被 應用于建筑業(yè)板材、汽車零部件、醫(yī)療器械、航空航天、電 子電器、光學透鏡、光盤基礎材料、LED照明許多領域， 市場前景廣闊。一說起？。，大多數(shù)人想到的都是電腦(Personal Computer)的縮寫，但是我們這里要說的是塑料中的PC (Polycarbonated)，中文名稱是聚碳酸酯。聚碳酸酯是塑料 中的一種，在我們周圍，有很多生活物品就是用聚碳酸酯制 造的，比如：水桶、光盤、鏡片作為五大工程塑

2、料之一 的聚碳酸酯，早就滲透到了我們生活的方方面面。本文就來 詳解一下聚碳酸酯的“前世今生”。誕生聚碳酸酯最早由德國科學家Alfred Einhorn在1898年首 次合成，因為一直沒有找到合適的應用領域，長達半個多世 紀“養(yǎng)在閨中無人識”。不過是金子就總會有發(fā)光的那一 天1955年，Bayer公司的科學家Hermann Schnell重新將聚碳酸酯合成出來，并于當年申請了專利。同年，Bayer公 司正式給自家的聚碳酸酯起了個商品名“Makrolon”。縱觀整個塑料科技史，不得不說，上世紀五六十年代是 塑料科技大發(fā)展的時代。就在同一時期，1953年GE公司（后 來塑料部門出身的杰克?韋爾奇擔任

3、該公司CEO）的科學家 Daniel Fox也獨立合成出了聚碳酸酯，而且，同樣在1955年 向美國專利局提交了專利申請。一場知識產權大戰(zhàn)由此展 開最后，美國專利局裁定，該項技術專利歸Bayer所有， 因為他們比GE公司早提交申請書一個星期。就因這短短一 星期，Bayer從GE那里拿到了不少專利費。時間就是金錢， 在這里得到了完美的體現(xiàn)。1958年，Bayer公司開始量產并商業(yè)化“Makrolon”。兩 午后，在支付了一筆“保護費”后，GE公司也開始量產聚碳 酸酯，GE家的聚碳酸酯商品名是“Lexan”。自此，聚碳酸酯 作為工程塑料登上了歷史舞臺，由于它集良好的光學性能、 力學性能以及阻燃性能于

4、一體，很快就得到了人們的關注。生產生產工藝目前，聚碳酸酯的生產主要有兩種方法：一是光氣法； 二是熔融法。雖然大多數(shù)生產商都米用光氣法，但是，因為 光氣劇毒，加之大眾對環(huán)保問題日益重視，新建的PC生產 基地基本都采用較為環(huán)保的熔融法?？墒囚~與熊掌不可兼得， 熔融法生產出的聚碳酸酯在某些性能上比光氣法還是要差 一些。不過除了一些高端的應用需求，熔融法制備的聚碳酸 酯已基本可以滿足大部分需求。雖然聚碳酸酯的實驗室制備只有一步反應，非常簡單， 但在實際生產中卻并非如此。實際生產中，所有的原料都需 要從最基本的化學產品開始，一步步進行制備，并要將在此 過程中產生的副產物一一熱、廢水等加以回收并循環(huán)利用，

5、 這是一個相當復雜的系統(tǒng)性工程。就好像做一盤西紅柿炒雞 蛋，需要從種植西紅柿和養(yǎng)雞開始，還要達到自動化與智能 化。從圖1不難看出聚碳酸酯工廠的規(guī)模與復雜性。主要供應商早起的鳥兒有蟲吃，半個多世紀的耕耘使得Bayer和GE 成為了全球聚碳酸酯的主要供應商，占據(jù)著半壁江山。繼它 們之后，美國的陶氏化學、日本的三菱、帝人，以及一些韓 國公司相繼掌握了聚碳酸酯的合成技術，并紛紛建廠，投入 到浩浩蕩蕩的生產大軍里來，但終究抵不過兩位前輩在這個 市場上的根深葉茂。2011年，全球聚碳酸酯的產能大約為 466萬噸，而Bayer和Sabic（原來的GE塑料）就分別占去 了 33%和22%的份額;日本廠商大約占

6、了 17%的產能;韓國企 業(yè)也占去了 8%的產能;其余如俄羅斯、沙特以及泰國都有大 規(guī)模生產聚碳酸酯的能力。同時，由于亞太區(qū)域作為新興市場的崛起，各大聚碳酸 酯供應商紛紛在該區(qū)域建立生產基地，使得亞太區(qū)域的產能 與歐美國家的產能達到旗鼓相當?shù)某潭?。那中國有沒有國產的聚碳酸酯呢？雖然早在1958年， 沈陽化工研究院就開發(fā)出了聚碳酸酯的合成工藝，但是由于 早年生產工藝和設備落后，以及近年聚碳酸酯價格滑落等原 因，直到2014年，我國也僅僅只有幾個年產不到萬噸的聚 碳酸酯小廠。在日益追求國產化的今天，該來的終歸會來一一2011年， 中石化和Sabic宣布將在天津合資建立年產26萬噸的聚碳酸 酯項目。

7、如果說這個帶著一半洋色彩的項目和真正國產化還 有一步距離的話，那么2015年4月，浙鐵大風化工的擁有 獨立知識產權的聚碳酸酯裝置的成功投產，算是結束了國內 無萬噸級以上自主工業(yè)化裝置的歷史。當然，要做到與歐美 老牌公司以及日韓新貴們分庭抗禮，還需假以時日。不過，隨著塑料行業(yè)盈利水平的逐漸降低，歐美老牌公 司漸漸退出了這個市場：2010年，陶氏化學將其聚碳酸酯業(yè) 務部出售給貝恩資本，取名為Styron，2015年該公司又改 名為Trinseo;2015年9月，Bayer宣布將旗下材料業(yè)務集團（包 括聚碳酸酯業(yè)務）獨立出來，賦予其一個新名字 Covestro; 最大的變數(shù)是GE塑料，2007年，沙

8、特基礎工業(yè)公司以116 億美元收購了 GE的塑料部門并更名為Sabic創(chuàng)新塑料部門， 又于2015年10月解散創(chuàng)新塑料部門，將其并入新的“特殊 產品部門”，其位于美國皮茨菲爾德的創(chuàng)新塑料總部也被關 閉。當年工程塑料界的王者落得如此結局，讓人唏噓不止。 白云蒼狗，風云變幻，不知從這里起步的杰克?韋爾奇會作 何感想。性能為什么聚碳酸酯這么好用？ 一年466萬噸的產能到底用 到哪里去了？只有了解了聚碳酸酯的性能，才會知道它的應 用市場。光學特性。它的透光率在90%左右，接近于玻璃但是又 比玻璃輕，不易碎，易于加工。有人會以為這就是所謂的“有 機玻璃”，其實不然！我們所說的有機玻璃的學名是“聚甲 基丙

9、烯酸甲酯”。有機玻璃雖然也是透明材料，甚至光學特 性比聚碳酸酯還要優(yōu)越，但是，它的力學性能與耐熱性能比 聚碳酸酯相差太多，而且還不防火。所以就綜合性能而言， 聚碳酸酯更全面，應用也更為廣泛。力學性能。聚碳酸酯是剛性與韌性的有機結合體。一般而言，一種材料剛 性很好的話，它就會很脆，往地上一摔就會碎。但聚碳酸酯 雖有很好的剛性，很難將其折彎，它的韌性卻也相當好，由 其制成的產品，即使有重物從高處落在其上，也不容易破碎。 例如，4公斤的圓球從0.1米高處落在1.2cm厚的聚碳酸酯 板上，聚碳酸酯板能夠完好無損。阻燃性能。2010年11月上海市膠州路一場大火，讓防 火阻燃材料備受人們的關注。相較于其他

10、塑料而言，聚碳酸 酯有著優(yōu)異的防火性能。在不添加任何阻燃劑的情況下，純 的聚碳酸酯就可以通過一定級別的防火測試。如果輔以少量 的阻燃劑，聚碳酸酯就能達到最高級別的防火標準，同時， 還不會損失其優(yōu)良的光學以及力學性能，這是其他塑料產品 根本做不到的。耐高溫性。隨著溫度的升高，所有塑料都會在一定溫度 下變軟，從而失去使用價值。這個溫度值也就是該塑料的最 高使用溫度?？梢韵胂?，這個溫度數(shù)值越高，塑料的使用范 圍也就越寬。聚碳酸酯的最高使用溫度可以達到120度至130 度。大約十幾年前，流行過所謂的“太空杯”透明、輕便， 它就是以聚碳酸酯為原材料制作的。除了以上所說的四個主要特性，聚碳酸酯還有其他一些

11、 優(yōu)良性能，比如電學性能、尺寸穩(wěn)定性等等，這里不再贅述。市場與應用建筑業(yè)板材聚碳酸酯板材具有良好的透光性、抗沖擊性、耐紫外線 輻射、制品的尺寸穩(wěn)定性以及良好的成型加工性能，使其比 建筑業(yè)傳統(tǒng)使用的無機玻璃具有明顯的技術性能優(yōu)勢。經(jīng)壓 制或擠出方法制得的聚碳酸酯板材，重量是無機玻璃的50%， 隔熱性能比無機玻璃提高25%，沖擊強度是普通玻璃的250 倍，在世界建筑業(yè)上占主導地位，約有1/3用于窗玻璃、商 業(yè)櫥窗等玻璃制品。另外，由聚碳酸酯制成的具有大理石外 觀及低發(fā)泡木質外觀的板材，也將在建筑業(yè)和家具行業(yè)中大 顯身手。例如，上海南站的屋頂、重慶奧林匹克體育館的天 窗、阿根廷城際動車組的窗戶都是用

12、聚碳酸酯材料制成 的。汽車零部件在追求節(jié)能高效的今天，輕型化、安全化是汽車制造業(yè) 追求的重要目標。聚碳酸酯具有良好的抗沖擊、抗熱畸變性 能，而且耐候性好、硬度高，因此，適用于生產轎車和輕型 卡車的各種零部件，其主要應用領域集中在制造照明系統(tǒng)、 儀表板、加熱板、除霜器及聚碳酸酯合金制的保險杠等。尤 其在汽車照明系統(tǒng)中，充分利用聚碳酸酯易成型加工的特性， 將車燈頭部、連接片、燈體等全部模塑在透鏡中，設計靈活 性大，便于加工，解決了傳統(tǒng)玻璃制造頭燈在工藝技術上的 困難。在西方國家，聚碳酸酯在電子電氣、汽車制造業(yè)中使 用比例為40%-50%。目前，中國在該領域的使用比例只占10% 左右，電子電氣和汽車

13、制造業(yè)是中國迅速發(fā)展的支柱產業(yè)， 未來這些領域對聚碳酸酯的需求量將是巨大的。醫(yī)療器械由于聚碳酸酯制品可經(jīng)受蒸汽、清洗劑、加熱和大劑量 輻射消毒，且不發(fā)生變黃和物理性能下降，因而被廣泛應用 于人工腎血液透析設備，以及其他需要在透明、直觀條件下 操作，并需反復消毒的醫(yī)療設備中，如生產高壓注射器、外 科手術面罩、一次性牙科用具、血液充氧器、血液收集存儲 器、血液分離器等。航空航天隨著航空、航天技術的迅速發(fā)展，對飛機和航天器中各 部件的要求不斷提高，使得PC在該領域的應用也日趨增加。 據(jù)統(tǒng)計，僅一架波音型飛機上所用聚碳酸酯部件就達2500 個，單機耗用聚碳酸酯約2噸。而在宇宙飛船上，則采用了 數(shù)百個不

14、同構型并由玻璃纖維增強的聚碳酸酯部件，以及宇 航員的防護用品等。包裝領域近年來，在包裝領域出現(xiàn)的新增長點是，可重復消毒和 使用的各種型號的儲水瓶。由于聚碳酸酯制品具有質量輕、 抗沖擊、透明性好、用熱水和腐蝕性溶液洗滌處理時不變形 且保持透明的優(yōu)點，目前在一些領域，聚碳酸酯瓶已完全取 代玻璃瓶。必須一提的是聚碳酸酯奶瓶一一因為輕質、透明， 曾經(jīng)在市場上風靡一時。但是自1998年以來，陸續(xù)有研究 表明，聚碳酸酯中游離的雙酚A會在高溫下析出，對嬰幼兒 的內分泌系統(tǒng)造成損害，引起性早熟，學習能力下降以及肥 胖等疾病。也有業(yè)界人士對此持不同態(tài)度，認為目前所有數(shù) 據(jù)都從小白鼠身上得出，并無人類試驗的數(shù)據(jù)，

15、而且聚碳酸 酯奶瓶已經(jīng)廣泛使用了很多年，并未得到任何不良的反饋結 果。不過萬事小心為上，歐盟自2011年3月起禁止生產聚 碳酸酯奶瓶;我國也要求自2011年6月1日，禁止生產聚碳 酸酯嬰幼兒奶瓶和其他含雙酚A的嬰幼兒奶瓶;自2011年9 月1日起，禁止進口聚碳酸酯嬰幼兒奶瓶和其他含雙酚A的 嬰幼兒奶瓶。同時，國家質檢總局也吊銷了所有使用聚碳酸 酯生產嬰幼兒奶瓶企業(yè)的生產許可證。電子電器由于聚碳酸酯在較寬的溫、濕度范圍內具有良好而恒定 的電絕緣性，是優(yōu)良的絕緣材料，再加上其良好的難燃性和 尺寸穩(wěn)定性，使其在電子電器行業(yè)形成了廣闊的應用領域。 聚碳酸酯樹脂主要用于生產各種食品加工機械、電動工具外

16、殼、機體、支架、冰箱冷凍室抽屜和真空吸塵器零件等。而 且在零件精度要求較高的計算機、視頻錄像機、彩色電視機 中的重要零部件等領域，聚碳酸酯材料也顯示出了極高的使 用價值。光學透鏡聚碳酸酯以其獨特的高透光率、高折射率、高抗沖性、 尺寸穩(wěn)定性及易加工成型等特點，在光學透鏡領域占有極其 重要的位置。采用光學級聚碳酸酯制作的光學透鏡不僅可用 于制造照相機、顯微鏡、望遠鏡及光學測試儀器等，還可用 于制造電影投影機透鏡、復印機透鏡、紅外自動調焦投影儀 透鏡、激光束打印機透鏡，以及各種棱鏡、多面反射鏡等， 其應用市場極為廣闊。聚碳酸酯在光學透鏡方面的另一重要 應用領域便是作為兒童眼鏡、太陽鏡、安全鏡和成人眼

17、鏡的 鏡片材料。近年來，世界眼鏡業(yè)聚碳酸酯消費量年均增長率 一直保持在20%以上，顯示出極大的市場活力。光盤基礎材料作為音像信息存儲介質的光盤，是聚碳酸酯應用的又一 大市場。然而，近年來，受互聯(lián)網(wǎng)、平板電腦、智能手機等 新興媒體的影響，全球光盤市場需求急劇萎縮，全球CD類 光盤的復制量將下降到2009年的17%，DVD類光盤可能下 降到2009年的36%，藍光光盤的產量增幅也在逐步放緩。 在沒有新技術突破和新消費市場出現(xiàn)的情況下，光盤復制市 場需求逐年萎縮的態(tài)勢將持續(xù)下去。LED照明行業(yè)近年來，面臨全球能源危機，LED產業(yè)如雨后春筍一般 發(fā)展起來，現(xiàn)已廣泛應用于照明、顯示、背光等行業(yè)。而LED 照明的應用會逐步淘汰白熾燈、熒光燈，這對實現(xiàn)節(jié)能減排 以及積極應對全球氣候變化具有重要意義。2013年，全球LED 照明市場規(guī)模有大約270億美元，而中國2013年市場規(guī)模 也在480億元人民幣左右。因為聚碳酸酯的輕質、易加工、 韌性高，以及阻燃、耐熱等性能，使其成為LED照明中替換 玻璃材質的首要選擇。總的來看，全球電子類產品，尤其是消費性電子產品市 場約占到聚碳酸酯終端市場份額的20%;主要用于建筑工業(yè) 的薄板和薄膜市場占到聚碳酸酯終端市場份額的18%;光學 媒體市場占到18%;電器用具和汽車非窗體市場各占