PC

 

 

 

 

 

学名:聚碳酸脂

英文名:Polycarbonate
缩写:PC
别名:防弹胶

PC是一种无定型、无臭、无毒、高度透明的无色或微黄色热塑性工程塑料。凡分子链中含有碳酸酯基 [O-R-O-CO] 的聚合物统称聚碳酸脂,可以看作是由二羟基化合物与碳酸的缩聚产物。

制备方法

结构式中R代表生成碳酸脂的二羟基化合物的主体部分,R可以属於脂肪族、脂环族、芳香族、脂肪一芳香族型。R不同,所得到的聚碳酸脂不同。因此,聚碳酸脂可以有很多品种。其中具有实用价值的是芳香族聚碳酸酯,并以双酚A型聚碳酸酯为最重要,应用也最普遍。以下介绍是以双酚A型的聚碳酸脂。

双酚A型聚碳酸脂结构

由於自由状态的碳酸并不存在,因此双酚A型聚碳酸脂的制备需采用碳碳酸类与二羟基化合物的酯交换法或光气法来实现。两种方法都要采用单体双酚A。双酚A是由丙酮与苯酚在离子交换树脂或其他催化剂存在下反应而得。

酯交换法(熔融缩聚法)

酯交换法又称熔融缩聚法,聚合时不使用溶剂,不需要回收溶剂的设备,产品可直接出料造粒,此制法未使用溶剂,故无需洗净,精制与溶剂去除等操作步骤,其制程特徵在於可直接制得高纯度的聚碳酸酯。酯交换法制备双酚A型碳酸脂的原理是在硷性催化剂的存在下用双酚A与碳酸二苯酯在高温,高真空和熔融条件下进行酯交换。

上述的酯交换法反应必须在高温的真空条件下进行,并必须采用催化剂。催化剂可以采用苯甲酸钠或醋酸锂,醋酸铬,醋酸钴或四硼酸钠。进行反应的两单体用量理论上应是1:1,才能获得高分量产物,但因碳酸二苯酯沸点低於双酚A,反应时容易逸出反应体系,故实际上采用双酚A与碳酸二苯酯的配比为1:1.05,以弥补後者的损失。保持真空条件同样是为了获得高分子产物。

脂交换法生产工艺有叁个步骤:一.酯交换 二.缩聚反应 叁.後处理

酯交换法的优点:不使用溶剂,无毒性和火灾危险。

酯交换法的缺点:反应时间长,产物分子量低,设备要求高。

酯交换法(熔融缩聚法)

酯交换法又称熔融缩聚法,聚合时不使用溶剂,不需要回收溶剂的设备,产品可直接出料造粒,此制法未使用溶剂,故无需洗净,精制与溶剂去除等操作步骤,其制程特徵在於可直接制得高纯度的聚碳酸酯。酯交换法制备双酚A型碳酸脂的原理是在硷性催化剂的存在下用双酚A与碳酸二苯酯在高温,高真空和熔融条件下进行酯交换。

上述的酯交换法反应必须在高温的真空条件下进行,并必须采用催化剂。催化剂可以采用苯甲酸钠或醋酸锂,醋酸铬,醋酸钴或四硼酸钠。进行反应的两单体用量理论上应是1:1,才能获得高分量产物,但因碳酸二苯酯沸点低於双酚A,反应时容易逸出反应体系,故实际上采用双酚A与碳酸二苯酯的配比为1:1.05,以弥补後者的损失。保持真空条件同样是为了获得高分子产物。

脂交换法生产工艺有叁个步骤:一.酯交换 二.缩聚反应 叁.後处理

酯交换法的优点:不使用溶剂,无毒性和火灾危险。

酯交换法的缺点:反应时间长,产物分子量低,设备要求高。

光气法(溶剂法)

直接采用光气作单体,使二羟基化有机化合物(这?指双酚A)羰基化而合成聚碳酸脂的方法叫做光气法。这种方法是在催化剂,熔剂和除酸剂存在下,使光气与双酚A进行反应来实现的; 反应过程中生成的低分子聚碳酸脂溶於有机溶剂(如卤代烷烃等),继续进行缩聚反应;副生的氯化氢被及时排除,以利於高相对分子品质聚碳酸脂的生成。一般加入除酸剂(例如?啶, 水等)即可达到此目的。 光气化法又分为溶液缩聚法和介面缩聚法。

溶液缩聚法
溶液缩聚法是将光气通入双酚A的淀溶液中进行。此法中所使用的啶有恶臭,易燃易爆,有一定毒性,污染环境,给生产操作带来困难,操作人员需要特殊劳动保护,而且淀较贵,溶液及沉淀剂需分离回收,使过程繁杂。因此,该法不具备工业化条件。

介面缩聚法
介面缩聚法是指在两相介面上使原料单体进行缩聚聚合的方法。与一般的缩聚方法不同,它是一个不可逆的非平衡转变过程。这种反应通常是在室温下,在互不相溶的两相介面上进行,而且可制得很高相对分子品质的树脂产品。本法对於那些本身对热不稳定,但能合成高熔点聚合物的单体来说,更具开创了一个良好的制取高聚物的途径。目前合成聚碳酸脂的光气化法,通常是指光气介面缩聚法。

光气法的优点:反应温度低,速度快,可得到高分子量产物。

光气法缺点: 消耗较昂贵的溶剂,具有毒性与火灾性的危险。

 性能特点

冲击强度
聚碳酸脂的冲击强度在通用工程塑料以及所有热塑性塑胶中都是很突出的,其数值与45%玻璃纤维增强聚酯(PET)相似,常温下的悬臂梁缺口冲击值高达60-90KJ/m2,在-20~-30以下条件下,其破坏断裂状态从延展性断裂转为脆性断裂,虽然如此,其冲击值仍比其他树脂要高。

当聚碳酸脂的平均相对分子品质<2.0×104时,其冲击强度较低;当平均分子品质>2.0×104时,冲击强度逐渐增加;当平均相对分子品质为(2.8~3.0)×104时,其冲击强度达到最大值;随着相对分子品质的继续增大,冲击强度便逐渐下降.因此,在要求具有高的冲击强度的场合,应选择使用平均相对分子品质为(2.8~3.0)×104左右的聚碳酸脂。

对冲击强度有不良影响的主要因素有相对分子品质,缺口半径,温度和添加剂,产品设计等。

分子品质
相对分子品质越高(2.8~3.0)×104左右,冲击值越高。

缺口半径
聚碳酸脂对缺口的繁感性大;无缺口冲击强度比缺口冲击强度几乎大1倍。

温度
冲击值与环境温度有关。随温度的升高,其冲击值也逐渐增大。当温度升到160-180℃时,冲击强度便达到最大值而趋於恒定。此外还受制件热处理温度的提高和处理时间的延长而下降加大。在100℃以下处理,对冲击影响不大;当>100℃度下处理时,冲击值有下降趋势。热处理的效果与制品成型时的模温也有关系。模具温度越低,热处理後冲击强度的变化越大;模具温度越高,热处理後冲击强度变化较小。

添加剂
添加剂主要有增塑剂,颜料,UV吸收剂,脱模剂等。加入量超过一定的比例,冲击强度将会下降。因此添加剂的含量应兼顾冲击强度和其他性能。

产品设计
设计的产品不带缺口,尖角等,可避免低温条件下的脆性断裂,在较宽温度 围内保持稳定的耐冲击性。

耐蠕变性
当对试片施加一定的应力後,其变形量将随时间的推移而增加,这种现象被称为蠕变。蠕变与温度及施加的压力有密切的关系。

聚碳酸脂的耐蠕变性在热塑性工程塑料中是相当好的,甚至优於尼龙和聚甲醛。在30MPa以内应力下对聚碳酸脂作蠕变试验表明,在最初300h内蠕变速度较快;随着时间继续延长,蠕变速度显着减缓。在室温下逐渐趋於恒定,而升温则会使蠕变加快和允许负荷减少。

疲劳强度
当有回圈载荷作用时,材料在比其弯曲破坏强度更低的负荷下发生破坏的特性聚碳酸脂抵抗周期性应力循环往复作用的能力较差,由於耐疲劳强度低,因此在长期负荷情况下所能允许的应力就比较小。

旋转次数 PC PA6 PA66 H-POM PPO
106 10-14 22 21 35
107 7.5 1.2-1.9 2.3-2.5 3 0.85-1.4

 

尺寸稳定性

具有优良的耐蠕变性能,尺寸几乎不受吸湿,温度,时间的变化的影响。成型收缩率0.5-0.7%,线膨胀系数0.7×10-4/℃,玻纤增强型成型收缩率0.02-0.5%,线膨胀系数0.2-0.6×10-4/℃

应力开裂性
聚碳酸脂制品的残留应力和应力开裂现象是较突出的问题。塑胶的内应力主要是由於被强迫取向的大分子链间相互作用所造成的。

将聚碳酸脂的弯曲强度试样挠曲并放置一定的时间,当挠曲应力超过其极限值时,便会发生微撕裂现象。如果聚碳酸脂制品在成型加工过程中因温度过高等原因而发生了分解老化,或者制品本身有缺口或熔接缝等脆弱部分以及制品在化学气体中长期使用,那麽发生微裂的时间将会大大缩短,所受的极限应力值也将大幅度下将。

磨耗性能
与大多数工程塑料相比,聚碳酸脂的摩擦因数较大,耐磨擦性较差,本身无自润滑性。比尼龙,聚甲醛,氯化聚醚及聚四氟乙烯等差,属於一种中等耐磨材料。但比金属材料还是好很多。在加入微粉状PTFE,便可降低磨擦因数或磨耗量,加入玻纤也可降低其磨耗量。

材料 负荷/N 试验时间/min 摩擦因数 磨痕宽度/mm
MC尼龙 230 180 0.45 5.0
PA66 230 180 0.50 4.8
PC 230 180 0.73 10.5
POM 230 180 0.31 5.5
PI 230 180 0.43 3.5
PTFE 230 30 0.13-0.16 14.5

热性能
在通用工程塑料中,聚碳酸脂的耐热性是较好的,热分解温度(Td)在300℃以上,又具有良好的耐寒性,脆化温度(Tc)低达-100℃,可在-60~120℃长期使用;无明显熔点,在 220-230℃呈熔融状态;

项目 PC PA6 POM PPO
HDT/ 130~140 66~77 95~100 185~193
Tg/ 145~150 50 -50 210
Tm/ 220~230 214~225 165~175 ~257
比热容/J.(g.k)-1 1.17 1.88 1.46
热导率/W.(m.k)-1 0.19 0.242 0.23
线膨胀系数/K-1 (5~7)×10-5 10×10-5 4.5×10-5 (4.9~5.6) ×10-5
成型收缩率 /(%) 0.5~0.8 1.5~2.0 2.0~2.5 0.7

电性能
聚碳酸脂的分子极性小,是弱极性聚合物。极性的存在对电性能有一定不利影响。在标准条件下电性能虽然不如聚烯烃,聚苯乙烯等,但也不失为是电性能较优的绝缘材料。特别是因其耐热性优於聚烯径,聚苯乙烯,可在较宽温度 围保持良好的电性能。由於吸湿性小,环境湿度对电性能无明显影响。

电场频率对电性能影响小,随电场频率增高,介电常数略有减小。从60Hz到109Hz,介电常数从3.1逐渐减小为约2.8左右。介电损耗随电场频率增大先是有所增大,从10-3数量级增大到10-2数量级,当电场频率为107 Hz时,介电损耗正切值达最大值,约为1.2×10-2,频率继续增大,损耗又重新减小。

聚碳酸脂的体积电阻率(ρv)受温度的影响较大,当温度<-40℃时,其ρv比常温时的稍小;当温度在-40~0℃ 围,ρv达到最大值(约1017 Ω.cm);当温度由常温逐渐上升到其Tg(150℃)时,ρv逐渐下降但较缓慢;当温度>Tg时,随温度的升高,其ρv显着下降。

电气强度/KV.mm-1 相对介电常数 体积电阻率
/Ω.cm
介电损耗因数
60Hz 106Hz 60Hz 106Hz
PC 20~22 3.0~3.2 2.8~3.1 (2~4) ×1016  (3~9) ×10-4 (3~7) ×10-3
PA6 16~25 3.9~5.5 3.5~4.7 1014 (1~4) ×10-2
POM 20 3.4~3.7 1015 (3~4) ×10-3
PPO 16~20 2.58 1017 3.5×10-4 9×10-4
PET 17 3.3. 3.00 1018 2.5×10-3 1.6×10-2

由上表可知,聚碳酸脂的电绝缘性能非常好,已接近或相当於向来被认为电绝缘性能优良的聚酯(PET) 。

耐化性能
双酚A型聚碳酸脂是无定型聚合物,分子间堆切不够致密,它的内聚能密度在塑胶中居中等水准,芳香烃,氯化烃类有机溶剂能使其溶胀或溶解,容易引起溶剂开裂现象.能使聚碳酸脂溶胀而不溶解的溶剂有四氯化碳,丙酮,苯,乙酸乙酯等。乙醚能使聚碳酸脂轻微溶胀。另汽油也可对他造成影响,限制了PC在汽车上的应用。

聚碳酸脂的耐硷性较差.稀的氢氧化钠水溶液便可使它缓慢破坏;氨、胺或其10%水溶液即可使它迅速皂化降解.此外浓硫酸、浓硝酸、王水及糠醛等也可破坏它。

聚碳酸脂长期浸泡在甲醇中会引起结晶,降解并发脆;对乙醇、丁醛、樟脑油的耐蚀性也有限。聚碳酸脂制品浸泡在甲苯中可提高表面硬度,浸泡在二甲苯中则会发脆。

在常温下,它受下列化学试剂长期作用而不会溶解和引起性能变化:20%盐酸、20%硫酸、20%硝酸、40%氢氟酸、10%~100%甲酸、20%~100%乙酸、10%硫酸钠水溶液、食盐水溶液、10%重铬酸钾+10%硫酸复合溶液、饱合溴化钾水溶液、30%双氧水、脂肪烃、动植物油、乳酸、油酸、皂液及大多数醇类。但是,其甲酸和乙酸有轻微浸蚀作用。

其他性能

耐气候性
聚合物及产品在所处的热,光,风,雪,等环境条件下性能随着时间的推移会逐渐变坏。不同聚合物抵抗环境因素使其变坏的能力是不同的。

聚碳酸脂抵抗气候因素的能力极佳。将试片放于日光,雨水,气温等都激烈变化的户外环境中曝露3年,其颜色稍变黄,但屈服强度却没有明显的下降。

但是若聚碳酸脂长期处於阳光,氧,水汽下,尤其再加上高温,本身又含有一定杂质的情况下,还是会降解的。引入热稳定剂,紫外吸收剂等可改善其降解。

耐燃性
聚碳酸脂是可燃的,在火中燃烧时,火焰呈现淡黄色,冒黑烟;氧指数为25%,离开火源後即熄灭.若在基体树脂中加入阻燃性物质如卤化物,叁氧化二锑,氢氧化镁,红磷等,便可提高其阻燃性.即在火源中也不会燃烧。阻燃级别有HB V-2 V-0 5VB 5VA。

光学性
聚碳酸脂是非结晶物质,无色透明,具有良好的透过可见光的能力,透光率与光线的波长,制件厚度有关.2mm厚度的板可见光透过率达90~92%;但不能透过290×10-3nm以下的短波光线.3mm厚度的板可见光透过率为88~90%

聚碳酸脂的透光能力与产品表面粗糙度有关,因它的表面硬度较差,耐磨性欠佳,表面容易发毛而影响其透光。聚碳酸脂对可见光的折射率(20℃)为1.5872。折射率与温度密切相关:从-20℃到140℃,呈直线式地下降,即由1.5914成比例地下降到1.5745;从140℃到200℃,亦为直线关系,即由1.5745成比例地下降到1.5580,只是斜率不同而已。其中,140℃是折射率的突变点,相当於高聚物的Tg。

聚碳酸脂对红外光,可见光和紫外光等低能长波光线一般都有良好的稳定性。但是,当受波长290nm附近的紫外光作用时,会发生光氧化反应而逐渐老化。老化先从表面黄变开始,由於分子主链的断裂,相对分子品质降低,力学强度下降,最终发生龟裂。因此通常加入紫外线吸收剂以提高其防老化性能。

耐辐射性
聚碳酸脂耐辐射性能欠佳。聚碳酸脂薄膜在空气中受60Coγ射线照射结果表明,在约1290C/Kg辐射剂量时,其拉伸强度增加20%左右.当辐射剂量增至1806C/Kg以上时,其性能开始变坏.但是剂量在12900C/Kg以下,该薄膜电性能变化不大,辐射引起的氧化很小;当辐射剂量提高到12900C/Kg以上後,便发生一定氧化作用,薄膜变黄,脆性大增;在达到25800C/Kg时,产生了以主链断裂为主的裂解反应。随着辐射剂量进一步提高,对紫外线的吸收能力增大,辐射後的薄膜溶解速度加快;当辐射剂量达到77400C/Kg时,试样变成棕合色且极脆。辐射(尤其是高剂量辐射)会使聚碳酸脂薄膜高温力学强度明显下降。

在真空或氮气中辐射的结果比较接近;而且辐射剂量在1290C/Kg以下时,还与大气中照射结果相类似。但是,在更高辐射剂量之下发生的辐射降解则比在大气中要小得多。然而,电气强度和体积电阻率则大致与辐射剂量无关。用电子射线辐射聚碳酸脂试样的结果,与用60Coγ射线的结果是类似的。

透气性
聚碳酸脂的气密性较好,透气性与气体的相对分子品质和性质有关,也受到试样厚度的影响。以0.02mm厚的薄膜测得几种气体透过量如下所示。

PC对几种气体的透过量 (单位:75P pg/cm.h.Pa)
气体 透过量
水气 25
H2 1.35
CO2 0.75
O2 0.18
N2 0.01
空气 0.04

相容性
可与聚酯类树脂(如PET、PBT等)、PA、ABS、PS、POM、PU,ASA,MBS,PTFE某些丙烯酸树脂等均匀熔混,提高材料性能。通常与ABS共混较多,与ABS共混,可以改善溶体的流动性。随ABS用量增加,流动性增加幅度变大,但力学性能,耐热性却降低。当ABS在30%以内时,力学性能,耐热性下降不明显。因此ABS用量大都是控制在30%以内。

主要应用

玻璃装配业
PC可用作门窗玻璃,PC层压板广泛用於银行、使馆、拘留所和公共场所的防护窗,用於飞机舱罩,照明设备、工业安全档板和防弹玻璃。 PC板可做各种标牌,如汽油泵表盘、汽车仪表板、货栈及露天商业标牌、点式滑动指示器。

汽车工业
PC树脂用於汽车照相系统,仪表盘系统和内装饰系统,用作前灯罩,带加强筋汽车前後档板,反光镜框,门框套、操作杆护套、阻流板。

电子电器
PC被应用用作接线盒、插座、插头及套管、垫片、电视转换装置,电话线路支架下通讯电缆的连接件,电闸盒、电话总机、配电盘元件,继电器外壳, PC可做低载荷零件,用於家用电器马达、真空吸尘器,洗头器、咖啡机、烤面包机、动力工具的手柄,各种齿轮、蜗轮、轴套、导规、冰箱内搁架。

光学
PC是光碟储存介质理想的材料,可应用於CD、CD-ROM、CD-R、DVD以及液晶行业。

办公设备
PC及PC合金可做电脑架,外壳及辅机,印表机,传真机零件。

医疗器械
改性PC耐高能辐射杀菌,耐蒸煮和烘烤消毒,可用於采血标本器具,血液充氧器,外科手术器械,肾透析器等。

日常用品
PC瓶(容器)透明、重量轻、抗冲性好,耐一定的高温和腐蚀溶液洗涤,作为可回收利用瓶(容器)。PC可做头盔和安全帽,防护面罩,墨镜和运动护眼罩。