Список тематических статей

Поликарбонат

Что такое поликарбонат

Поликарбонат (ПК, PC) является гетероцепным полимером полибисфенол-А-карбоната и относится к группам термопластов и сложных полиэфиров. Он является уникальным материалом, обладающим замечательным набором свойств: отличной прозрачностью, ударной прочностью и термостойкостью.

Химическая формула полимера представлена на рисунке ниже (n – степень полимеризации).

Рис.1. Формула ПК

Рассматриваемый полимер производят методом поликонденсации по одной из нескольких доступных технологий. В России его выпускает ОАО «Казаньоргсинтез» (Татарстан) и ООО «Гамма-пласт» (Москва). Товарный ПК выпускается в виде гранул, которые расфасованы в мешки по 25 кг или в биг-беги.

История ПК

Материал, похожий по описанию на поликарбонат впервые упоминается еще в 19 веке. Достоверно известно, что в 1898 году немецким химиком А. Эйнхорном был впервые описан механизм синтеза PC.

Однако коммерческое применение поликарбонат получил в 1950-е годы, когда его синтезировал Герман Шнелл, работавший в известной до сих пор компании BAYER (Германия). «Байер» и получил первый патент на PC под торговым именем Makrolon. Примерно в те же годы была разработана другая технология синтеза ПК, в виде сырья в ней применялся бисфенол А. Эту технологию применяли компании Mobay (торговое название MERLON) и General Electric (марки Lexan и Nalgene).

Крупнотоннажный выпуск поликарбонатов стартовал в 1960-е, а несколькими годами позже появился самый известный ныне материал на базе PC – сотовый поликарбонат. Такой материал, сочетающий в себе свойства листа и профиля, продается по всему миру под десятками брендов, среди которых Lexan, Makrolon, Bayblend, Makroblend, Trirex и другие.

Свойства ПК

Поликарбонат – это материал, который лучше всего из современных многотоннажных пластиков заменяет стекло в различных прозрачных конструкциях. Изделия из PC обладают высокими прочностными характеристиками, низкой массой, отличными оптическими данными, гибкостью и долговечностью. Среди всех полимеров у рассматриваемого в этой статье один из широких диапазонов применения по температуре окружающей среды, который составляет от -40 до 120 градусов. Кроме того, материал обладает неплохими теплоизоляционными свойствами и огнестойкостью. Несмотря на растворимость во многих реагентах, ПК имеет достаточно хорошую химической стойкость, успешно применяется в агрессивной среде.

При всех своих достоинствах полимер в чистом виде не стоек к действию ультрафиолета. Без светостабилизаторов или специального покрытия в составе поликарбонат за считанные годы на свету разрушается и становится непригодным для применения. Для решения этой проблемы в массу полимера добавляют стабилизаторы, а на листы наносят защитную пленку со специальной маркировкой.

Рис2. Деградировавший на свету материал

Плотность поликарбоната составляет всего около 1200 кг/куб.м, что делает конструкции даже из монолитного полимера достаточно легкими. Также он характеризуется хорошей размерной стабильностью, жесткостью и ударной вязкостью при различных температурах.

Предел упругости данного полимера при растяжении выше 2300 МПа, предел прочности более 70 МПа. PC обладает минимальным коэффициентом влагопоглощения – не более 0,2 процента, а его ударная прочность в 250 раз выше показателя силикатного стекла и около 10 раз выше уровня полиметилметакрилата («оргстекла).

Основные химические характеристики полимера:

- стойкость к гидролизу не постоянная величина, она изменяется в зависимости от окружающего давления и температуры. Если температура стабильно превышает 60 градусов, то поликарбонат начинает медленно деградировать;

- устойчивость к действию солей, маслам и смазкам;

- стоек к действию разбавленных кислот;

- частичная растворимость в хлорированных, циклогексаноне и диоксане;

- слабая устойчивость к щелочам и полярным органическим соединениям (аммиаку, альдегидам, кетонам, спиртам);

- плохая устойчивость к действию ароматических и алифатических углеводородов.

В связи с этим важно отметить, что описываемый полимер, хотя и подвержен разрушению химическими агентами, но это не значит, что они сильно влияют на его эксплуатационные свойства. ПК хорош тем, что под действием химиката он может лишь незначительно раствориться и абсорбировать химикат при практически не изменившихся характеристиках. В случае необходимости его контакта с герметиками, клеями, моющими средствами и т.д. крайне желательно проверить их состав на совместимость с ПК. Например, не стоит чистить поликарбонатные изделия средствами на основе аммиака.

Экологические характеристики поликарбоната высокие ввиду его химической стойкости. Кроме того, его свойства почти не ухудшаются при повышении или понижении температуры в разумных пределах использования.

Переработка ПК

Основная масса рассматриваемого полимера перерабатывается в изделия методом экструзии. Это касается сотового или монолитного листового ПК и пленок, а также более редких труб и профилей. Довольно большую часть полимера перерабатывают также литьем под давлением в детали для автопрома (где зачастую используют сплав PC-ABS), оптические и светотехнические изделия и т.д. Как с большинством пластмасс, для его литья используют специальные марки, отличающиеся от экструзионных.

Экструзия поликарбоната происходит при температурах от 240 до 280 градусов С. Литье под давлением обычно при более высокой температуре – порядка 300 градусов и выше. При литье ПК может подгорать с выделением черных следов на изделии, особенно при попадании каким-то образом в полость материального цилиндра или горячего канала прессформы воздуха. Этот дефект является типичным для литья поликарбонатных деталей.

Общая информация по применению ПК

Хорошие прочностные и физико-механические характеристики, а главное прекрасная прозрачность, позволяют применять рассматриваемый полимер для производства защитных очков, забрал для шлемов, спортивных шлемов и очков и т.п.

Специальный профиль, а именно выпускающийся практически только из ПК сотовый листовой пластик, широко применяется в строительстве, причем в некоторых неответственных случаях даже как альтернатива стеклу. Также этот материал находит применение в кровельном деле, и в других местах, где нужна его транспарентность и низкая стоимость.

Также сотовый поликарбонат применяют в тепличном сельском хозяйстве. Он гораздо прочнее и стекла и полиэтиленовой пленки, которые правили в теплицах до появления сотового ПК. Притом, что коэффициент светопропускаемости сотового пластика гораздо выше, чем у полиэтилена.

Монолитный поликарбонат применяется для производства CD, DVD, Blue-Ray и т.п. дисков, линз и светотехнической продукции, например рассеивателей светильников. Выпускают и монолитный листовой PC. По свойствам он во многих случаях может заменить минеральное стекло, при этом обладая в разы большей прочностью.

Одна из главных областей потребления поликарбонатов – это пленки. Они обладают рядом полезных свойств, прежде всего прочностью, высокими эстетическими данными. Это позволяет применять поликарбонатные пленки в различных местах от пищевой промышленности до рекламной индустрии. Так, они используются для упаковки продуктов при высокой температуре. Ее можно применять и в медицине, например для упаковки медизделий.

Ниже рассмотрим области применения данного полимера более детально.

Сотовый поликарбонат

Это листовой пластик, выпускающийся на экструзионных линиях из преимущественно первичного полимера. Состав линий подробно описан в специализированной литературе по экструзии, отметим лишь, что она состоит из экструдера, формующего инструмента (фильеры или экструзионной головки), определяющей конструкцию листа, калибрующих, охлаждающих, тянущих и отрезных устройств.

Рис.3. Разновидности сотового ПК

Сотовый пластик (многоперегородчатый поликарбонат) представляет собой листы, обладающие ячеистой структурой (см рис.2). Такой же конструкции производятся стеновые отделочные панели ПВХ, однако их ширина гораздо меньше, чем у сотового ПК. Современные технологии позволяют выпускать подобные листы с толщиной стенки от 0,3 миллиметров и выше. Это дает возможность получать материал с минимальным весом, достаточной прочностью и широким диапазоном свойств. Воздух, располагающийся между горизонтальными и вертикальными стенками сотового листа придает ему повышенные теплоизоляционные свойства. Ниже приведены некоторые наиболее ценные характеристики сотового пластика:

- отличная ударная прочность,

- хорошая термостойкость,

- хорошая огнестойкость,

- очень низкий удельный вес,

- слабая теплопроводность,

- отличная прозрачность,

- высокая шумоизоляция,

- хорошая химическая стойкость,

- высокая прочность,

- стойкость к атмосферному влиянию,

- долговечность,

Сотовый поликарбонат безопасен при остеклении: прочен и не дает очень острых частиц в случае, если его все-таки разбить. Его особый слой защищает от наиболее вредной для здоровья человека и живых организмов области ультрафиолета. Такой пластик обладает всеми качествами для создания эстетичных, легких и прочных конструкций.

Сотовый ПК успешно применяется в следующих конструкциях: элементах кровли, навесах, парниках и оранжереях, беседках, верандах, перегородках внутри помещений, рекламных конструкциях и витринах, а также в качестве отделочного материала.

Монолитный поликарбонат

Этот тип ПК, как следует из названия, не имеет ячеистой структуры, а является сплошным экструдированным листом полимера необходимой толщины. В целом монолит обладает теми же достоинствами, что и сотовый пластик. Монолитный ПК даже более светопрозрачен, чем сотовый, по оптическим характеристикам он близок к силикатному стеклу.

Монолитный поликарбонат также гораздо более прочен. Существуют данные, что листа из ПК толщиной 12 мм достаточно для получения пуленепробиваемой конструкции. Также такой пластик не имеет некоторых недостатков, связанных с ячеистой структурой сотового поликарбоната, например возможного попадания в полости воды, возникновения там водорослей («цветения»).  

Однако, легко догадаться, что монолитный пластик гораздо более тяжел и дорог, ввиду того что на его производство уходит большее количество высококачественного и дорогостоящего полимера. Также процесс производства технологически более медленный, а сам экструдер должен быть производительнее, чем в случае с сотовым листом.

Рис.4. Применение монолитного пластика

Тем не менее непосредственно для видового остекления монолитный материал выглядит более предпочтительным ввиду его лучших эстетических качеств, сохраняющихся на длительном промежутке времени. Монолитный ПК применяется и в высоконагруженных конструкциях, в частности его используют для остекления самолетов.

Поликарбонатная пленка

Одно из самых полезных свойств PC пленки – ее размерная стабильность. 10-минутный прогрев поликарбонатной пленки при температуре 150°С дает линейное уменьшение ее размеров не более, чем на 2 процента.

Пленка из поликарбоната хорошо сваривается различными методами, например термоконтактной сваркой, ультразвуковой и прочими. Она хорошо формуется, растягивается и поддается печати. Качественный рисунок на поликарбонатной пленке получается при помощи различных технологий, например шелкографией, флексопечатью, и т.д.

Недостатком ее является высокая газо- и паропроницаемость, что обуславливает необходимость в нанесении специального покрытия на пленку для повышения ее барьерных качеств.

Другие варианты применения

Всё более широкое распространение получают литьевые изделия из поликарбоната. В отличие от описанных выше профилей, листов и пленок, эти продукты производятся не на экструзионном, а на литьевом оборудовании. Либо на стандартных машинах для литья пластмасс под давлением, либо на специализированных агрегатах (как компакт-диски).

Важнейшей областью потребления ПК по всему миру является автомобильная промышленность. Из этого технически продвинутого полимера изготавливают не только прозрачные детали передней и задней оптики автомобиля, но и другие элементы, в том числе и непрозрачные. Для них поликарбонат часто используют не в чистом виде, а в сплаве с АБС пластиком. Это позволяет придать материалу некоторые нужные свойства и несколько удешевить его.

Незаменим ПК в производстве светотехнической продукции, особенно рассекателей светильников всех видов. Он обладает гораздо лучшими физико-механическими характеристиками, чем применяющиеся для этих целей стирольные полимеры и полиметилметакрилат (ПММА). Из него также производят и корпуса светильников, а также прочие конструкционные детали.

PC является одним из лучших полимеров для оптических изделий. Из него изготавливают не только линзы очков и забрала шлемов, но и линзы и другие приспособления с диоптриями, линзы светодиодов и прочие ответственные изделия.

Вторичная переработка поликарбоната

Сегодня особенно остро стоит проблема повторного использования отработанных материалов, в том числе пластиков. Рециклинг поликарбонатных продуктов вполне возможен и успешно применяется.

Сбор сотового и монолитного ПК для вторичной переработки не так затруднен, как сбор многих других полимеров, например полиэтилена в пакетах. Поликарбонат, как правило, используется сразу в достаточно больших объемах и его довольно просто демонтировать и сдать в переработку. Специализированные компании занимаются скупкой отходов и их вторичной переработкой или получением гранулированного вторсырья с дальнейшей его продажей. Обычно получение регранулята происходит по экструзионной технологии.