Поликарбонат: характеристики, получение, технология, применение

Что такое поликарбонат

Поликарбонат - относится к классу синтетических полимеров - линейный полиэфир угольной кислоты и двухатомных фенолов. Они образуются из соответствующего фенола и фосгена в присутствии оснований или при нагревании диалкилкарбоната с двухатомным фенолом при 180-300 0С.

Поликарбонаты — бесцветная прозрачная масса с температурой размягчения 180-300 0С (в зависимости от метода получения) и молекулярной массой 50000-500000. Имеют высокую теплостойкость - до 153 0С. Термостойкие марки (PC-HT), представляющие собой сополимеры, выдерживают температуру до 160-205 0С. Обладает высокой жесткостью в сочетании с очень высокой стойкостью к ударным воздействиям в том числе при повышенной и пониженной температуре. Выдерживает циклические перепады температур от -253 до +100 0С. Базовые марки имеют высокий коэффициент трения. Рекомендуется для точных деталей. Имеет высокую размерную стабильность, незначительное водопоглощение. Нетоксичен. Подвергается стерилизации. Имеет отличные диэлектрические свойства. Допускает пайку контактов. Обладает хорошими оптическими свойствами. Чувствителен к остаточным напряжениям. Детали с высокими остаточными напряжениями легко растрескиваются при действии бензина, масел. Требует хорошей сушки перед переработкой.

Поликарбонат обладает высокой химической устойчивостью к большинству неинертных веществ, что дает возможность применять его в агрессивных средах без изменения его химического состава и свойств. К таким веществам относятся минеральные кислоты даже высоких концентраций, соли, насыщенные углеводороды и спирты, включая метанол. Но следует также учитывать, что ряд химических соединений оказывают на материал ПК разрушающее действие (среди полимеров не много таких, которые стойко выдерживают контакт с ними). Этими веществами являются щелочи, амины, альдегиды, кетоны и хлорированные углеводороды (метиленхлорид используют для склеивания поликарбоната). Материал частично растворим в ароматических углеводородах и сложных эфирах.

Несмотря на кажущуюся устойчивость поликарбоната к таким химическим соединениям, при повышенных температурах и в напряженном состоянии листового материала (изгиб, например) они будут действовать как трещинообразователи. Это явление повлечет за собой нарушение оптических свойств поликарбоната. Причем максимальное трещинообразование будет наблюдаться в местах наибольших изгибных напряжений.

Еще одной отличительной чертой поликарбоната является высокая проницаемость для газов и паров. Когда требуются барьерные свойства (например, при ламинировании и применении декоративных виниловых пленок средней и большой толщины от 100 до 200 мкм), необходимо на поверхность поликарбоната предварительно нанести специальное покрытие.

Поликарбонат - не имеет аналогов по механическим свойствам среди применяемых в настоящее время полимерных материалов. Он сочетает такие свойства, как высокая термостойкость, уникальная ударопрочность и высокая прозрачность. Его свойства мало зависят от изменений температуры, а критические температуры, при которых этот материал становится хрупким, находятся вне диапазона возможных отрицательных температур эксплуатации.

Характеристики марочного ассортимента поликарбоната

(минимальные и максимальные значения для промышленных марок)

Наименование показателей (при 23 0С)	Поликарбонат (ПК)	ПК+40% стекловолокна	ПК термостойкий ПК-НТ
Плотность, г/см3	1,19-1,20	1,50	1,14-1,18
Теплостойкость по Вика (50 0С/ч, 50 Н), 0С	95-153	163	158-205
Предел текучести при растяжении (50мм/мин), МПа	40-67	-	65
Предел прочности при растяжении (50мм/мин), МПа	-	120	-
Модуль упругости при растяжении (1мм/мин), МПа	2000-2600	10000	2250
Относительное удлинение при растяжении (50мм/мин), %	20-140	2	50-70
Ударная вязкость по Шарпи (образец с надрезом), кДж/м2	8-91	9	6-10
Твердость при вдавливании шарика (358 Н, 30 с), МПа	95-108	-	115
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом	10^14-10^15	10^15	10^15
Водопоглощение (24 ч, влажн. 50%), %	0,13-0,4	0,09	0,15
Коэффициент светопропускания для прозрачных марок (3 мм), %	85-89	-	90

Выдающимся свойством ПК пленки является ее размерная стабильность, она совершенно непригодна в качестве усадочной пленки; нагревание пленки до 150 °С (т.е. выше точки размягчения) в течение 10 мин. дает усадку всего 2%. ПК легко сваривается как импульсным, так и ультразвуковым способами, а также обычной сваркой горячими электродами. Пленку легко формовать в изделия, при этом возможны большие степени вытяжки с хорошим воспроизведением деталей форм. Хорошую печать можно получить разными методами (шелкографии, флексографии, гравировки).

Промышленные способы получения

Основными промышленными способами получения поликарбонатов являются:

фосгенирование бисфенолов в органическом растворителе в присутствии третичных органических оснований, связывающих соляную кислоту — побочный продукт реакции (способ поликонденсации в растворе);

фосгенирование бисфенолов, растворенных в водном растворе щелочи, на поверхности раздела фаз в присутствии каталитических количеств третичных аминов (способ межфазной поликонденсации);

переэтерификация ароматических эфиров угольной кислоты (диарилкарбонатов) бисфенолами (способ поликонденсации в расплаве).

Большинство производителей поликарбоната использует технологию получения полимера с использованием фосгена и бисфенола А. Новые разработки и технологии отошли от использования фосгена.

Способ поликонденсации в растворе (в среде пиридина или смеси пиридина с метиленхлоридом) и способ межфазной поликонденсации (одна фаза — водно-щелочной раствор бисфенола, другая фаза — метиленхлорид, гептан, дибутиловый эфир и другие растворители, не смешивающиеся с водой) осуществляются при невысокой температуре и дают возможность получать поликарбонат с различными значениями молекулярной массы. Но в каждом из них применяются разбавленный растворы компонентов и поэтому приходится пользоваться аппаратурой большого объема, регенерировать органические растворители и подвергать очистке промывные воды.

Способ переэтерификации обеспечивает получение поликарбонатов повышенной чистоты и не нуждается в применении растворителей, но он обладает меньшей универсальностью в сравнении с предыдущими способами (получается поликарбонат с невысокой молекулярной массой), протекает только при высоких температурах (250-300 0С) и при использовании особо чистых компонентов, что значительно удорожает сырье.

Экономическое сравнение всех способов производства поликарбонатов показывает, что наиболее экономичным является способ межфазной поликонденсации. В этом случае процесс получения поликарбонатов является двухстадийным. На первой стадии образуется олигомерный продукт с концевыми группами хлоругольной кислоты, который на второй стадии участвует в дальнейшей реакции поликонденсации и превращается в полимер.

Большинство компаний — изготовителей поликарбонатов используют свой собственный запатентованный процесс производства (они базируются преимущественно на использовании в качестве исходного сырья либо фосгена, либо бисфенола-А). Новейшие технологии ориентируются на нефосгенный способ выпуска.

Технология переработки

Поликарбонаты перерабатывают всеми методами, используемыми для переработки термопластов, в т. ч. методами холодного формования (штамповкой, прокатом, клепкой, вытяжкой). Температура переработки 513-573 К, вязкость расплава высокая по сравнению с вязкостью расплавов других полимеров. Изделия можно сваривать, склеивать, точить, сверлить, фрезеровать, пилить, резать, шлифовать, полировать, соединять одно с другим заклепками и гвоздями.

Области применения поликарбоната

Перечисленные выше свойства поликарбоната обусловили его широкое применение во многих отраслях взамен цветных металлов, сплавов и силикатного стекла. Благодаря высокой механической прочности, сочетающейся с малым водопоглощением, а также способности изделий из него сохранять стабильные размеры в широком диапазоне рабочих температур, поликарбонат успешно используется для изготовления прецизионных деталей, инструментов, корпусов фотоаппаратов, шаблонов, шестерен, втулок и т. д.

Высокая ударная вязкость в сочетании с теплостойкостью позволяет использовать поликарбонат для изготовления электроустановочных и конструкционных элементов автомобилей, работающих в жестких условиях динамических, механических и тепловых нагрузок.

Хорошие диэлектрические свойства ПК дают возможность изготавливать из него детали электронных аппаратов и цветных телевизоров, каркасы для катушек, клеммные панели, корпуса и крышки батарей, телефонные аппараты, корпуса электро-инструментов, конденсаторов, электроизоляторов, многоконтактные штепсельные разъемы, реле времени, аппаратуру для телесвязи и др.

Хорошие оптические свойства обусловили применение поликарбоната для изготовления светотехнических деталей светофильтров, светорассеивающих колпаков, панелей шахтных светильников, фар машин, дорожной сигнализации, фонарей, телефонных дисков.

Биологическая инертность ПК и возможность подвергать изделия из него стерилизации сделали этот материал незаменимым в медицине для изготовления чашек Петри, фильтров, сосудов для крови, корпусов бормашин, зубных протезов и т. д. Из него можно изготавливать посуду для пищевых продуктов, молочные бутылки, детали машин, перерабатывающие пищевые продукты, трубы для транспортирования фруктовых соков, пива, вина, молока, детали холодильников, стиральных и посудомоечных машин, кофеварок и др.

Поликарбонат широко используют в машиностроении (пневмостаканы, сепараторы, втулки, вкладыши, шестерни и т. д.), в судостроении (судовая трубопроводная аппаратура, клапаны, фильтры и пр.), в автомобильной промыш-ленности (крышки, колпаки, сигнальные лампы и линзы фонарей, защитные решетки, колеса, корпуса задних фар автомобилей и т. д.). Из поликарбоната изготавливают корпуса киносъемочных камер, фотокамер и биноклей. Обшивку и переднюю панель таксофонов выполняют из листового поликарбоната.

Из поликарбонатов изготавливают упаковку для пищи, используемую при повышенных температурах. Перспективные области применения - пакеты, стерилизуемые в автоклавах и упаковки для микроволновых печей, упаковка медицинских изделий. ). Из поликарбоната формуют разогреваемые подносики с готовыми блюдами (упаковка типа “кипяти-в-упаковке”). В обоих случаях используют его высокую теплостойкость.

Структура потребления поликарбонатов

Сферы потребления поликарбонатов	Доля в общем потреблении, %
Автомобилестроение	20
Оптические стекла	20
Оконные стекла	20
Оборудование	15
Товары народного потребления	10
Индустрия отдыха	10
Медицина	5

Применение сотового поликарбоната

За последние годы сотовый поликарбонат получил широкое распространение. Изначально листовой материал необычного сечения (многоперегородчатый) был разработан для устойчивых к градобитию и снеговым нагрузкам кровельных конструкций - прочных, прозрачных и одновременно с этим легких. Благодаря высокой вязкости, ПК можно изгибать в холодном состоянии, руководствуясь такими показателями, как минимально возможный радиус сгибания и требуемая для необходимого изгиба толщина сотового материала.

Уникальные свойства сотового поликарбоната дали возможность выйти далеко за рамки общепринятой области применения.

На сегодняшний день сотовый ПК может служить не только для кровельного и вертикального остекления зданий, парников, зимних садов и витрин, но и для изготовления различного рода защитных и декоративных, плоских и профильных перегородок, а также различных элементов с внутренней подсветкой. Разнообразие декораций интерьеров может быть обеспечено не только фантазией дизайнера, но и правильно подобранным цветом материала. В стандартную производственную программу обычно входят три основные модификации - прозрачный бесцветный, прозрачный дымчато-коричневый («бронза») и молочно-белый («молоко», «опал») поликарбонат. Любой тип освещения (люминесцентные лампы, лампы накаливания и пр.) при удачном расположении источника дает возможность получить нестандартные световые эффекты за счет многократного преломления света во внутренних секциях сотового листа.

В случае использования в световой рекламе молочно-белого ПК, несмотря на неоднородность материала, при некотором навыке и опыте можно добиться равномерной освещенности. При изготовлении световых коробов больших форматов достоинства поликарбоната также окажутся на лицо. Во-первых, лицевую сторону такого короба можно сделать из одного куска, не прибегая к склеиванию или дополнительному профильному креплению освещаемой поверхности (поставляемые габаритные размеры листа - 2,1х6,0 м). Во-вторых, конструкция надежно сохранится даже в результате нанесения ей преднамеренного или случайного ущерба.

Технология сотового поликарбоната появилась за рубежом около 10 лет назад и успела завоевать популярность во всем мире. В России и Украине поликарбонат появился чуть позже -около 7 лет назад и использовался в основном для изготовления рекламных щитов, световых коробов, вывесок, козырьков, объемных букв и др. рекламного оборудования. Например, из поликарбоната изготавливаются рекламные шиты, устанавливаемые над эскалаторами в метро.

Основной вопрос, который задают потребители, это вопрос пожарной и санитарной безопасности используемых материалов. Ведь зачастую тот или иной вид стекла является частью конструкции, находящейся в прямом контакте с людьми, в том числе и детьми, когда вредные для здоровья выделения исключены категорически Поликарбонатные стекла наилучшим образом удовлетворяют перечисленным требованиям. По результатам испытаний, проведенных российскими органами сертификации, ячеистые стекла из ПК являются гигиенически безопасными, то есть не содержат дифенилпропана, формальдегида, а растворители присутствуют в концентрации в 50 раз меньшей предельно допустимой. Тесты проводились дважды: в дистиллированной воде и на предмет выделения в воздух при температуре 20 и 40 градусов. Суммарный показатель токсичности составил в обоих случаях менее единицы. (Приведенные данные равным образом относятся и к компактному или монолитному поликарбонатному стеклу, речь о котором пойдет ниже).

Применение монолитного поликарбоната

Ударостойкий, прозрачный, пожаробезопасный. Поликарбонат является общепризнанным лидером среди антивандальных пластиков. Ударопрочность поликарбоната в 250 раз превышает ударопрочность обычного стекла и почти в 10 раз ударопрочность органического (акрилового) стекла.

В технических характеристиках на листовой поликарбонат напротив слова "ударопрочность" в графе "значение показателя" Вы, скорее всего, обнаружите "не бьется" или "не разрушается". И это действительно так. Именно поэтому поликарбонат используется в качестве защитного антивандального остекления - самолетов, катеров, поездов, общественного транспорта, переходов на МКАД, автобусных остановок и телефонных будок, прозрачных ограждений в зоопарках, остекления в залах ожидания, музеях и т.д.

Из поликарбоната делают борта хоккейных площадок, кабинки подвесных канатных дорог, формуют прозрачные щиты для полицейских и защитные мотоциклетные шлемы. Монолитный поликарбонат широко применяется в качестве светопропускающего покрытия и остекления различных сооружений, для изготовления зенитных фонарей, осветительного оборудования, перегородок.

В производстве наружной рекламы при повышенных требованиях к ударопрочности материала также используется поликарбонат (объемные буквы с внутренней подсветкой, полнообъемные модели рекламируемого изделия, вывески и т.д.). Любые изделия, выполненные из монолитного поликарбоната, будут надежно защищены от любых проявлений вандализма.

Поликарбонату принадлежат и еще три неоспоримые "пальмы первенства": Во-первых - это самый морозостойкий среди пластиков. Он может применяться при температурах до -50 0С без нагрузки и до -40 0С с нагрузкой, в том числе и ударной (что особенно важно). Во-вторых, поликарбонат пожаробезопасен, т.к. это - трудновоспламеняемый самозатухающий материал. И, в-третьих, поликарбонат - самый теплостойкий среди прозрачных пластиков, максимальная температура его эксплуатации +120 0С.