Materiale plastice inginerești: Policarbonat (PC) – Proprietăți, aplicații și dezvoltare (1)

Definiția și structura policarbonatului

Policarbonatul este un termen general pentru o clasă de polimeri cu greutate moleculară mare care conțin grupări carbonat în lanțurile lor moleculare. În funcție de diferențele de structură ale grupărilor esterice, aceștia pot fi clasificați în diverse tipuri, cum ar fi PC alifatic, PC aliciclic și PC aromatic. Printre aceștia, policarbonatii alifatici și alifatico-aromatici au aplicații limitate în domeniul materialelor plastice inginerești din cauza proprietăților lor mecanice slabe.

În prezent, principalul tip produs industrial este policarbonatul aromatic, în special policarbonatul aromatic de tip bisfenol A. Formula sa chimică este produsul de policondensare al bisfenolului A cu fosgen sau carbonat de difenil. Această structură moleculară unică conferă policarbonatului o serie de proprietăți excelente, făcându-l să iasă în evidență printre numeroase materiale.

Proprietățile policarbonatului

(I) Proprietăți optice

Policarbonatul se mândrește cu o transparență excepțională, cu o transmitanță a luminii de peste 90%, apropiată de cea a sticlei anorganice, ceea ce îi permite să strălucească în domeniul optic. Fie că este utilizat în fabricarea de componente optice de precizie, cum ar fi discuri optice, lentile și lentile optice, fie în produse optice de zi cu zi, cum ar fi abajururi mari, sticlă de protecție și sticlă pentru geamuri, policarbonatul poate oferi utilizatorilor o experiență vizuală clară datorită transparenței sale ridicate. Totodată, adaptabilitatea sa bună la vopsire permite produselor să prezinte o varietate bogată de culori, satisfăcând nevoile estetice ale diferitelor scenarii.

(II) Proprietăți mecanice

Policarbonatul prezintă o rezistență excelentă la impact, cu o rezistență la impact Izod crestată de până la 600-900 J/m, clasându-se printre cele mai bune materiale plastice inginerești. Caracteristicile sale dure, dar rigide, îi permit să reziste la impacturi externe semnificative fără a se rupe ușor, iar această performanță mecanică superioară pune o bază solidă pentru aplicarea sa în numeroase domenii cu cerințe stricte de rezistență și impact.

În plus, rezistența la tracțiune și încovoiere a policarbonatului este comparabilă cu cea a nailonului și polioximetilenei, remarcându-se printre materialele plastice termoplastice și apropiindu-se de nivelul rășinilor fenolice armate cu fibră de sticlă sau al poliesterilor nesaturați. Mai mult, piesele turnate pot îndeplini cerințe de toleranță de înaltă precizie și pot menține stabilitatea dimensională pe o gamă largă de schimbări de mediu, cu o rată constantă de contracție la turnare de 0,5-0,7%. De asemenea, posedă o rezistență remarcabilă la fluaj.

(III) Proprietăți termice

Policarbonatul are o temperatură de tranziție vitroasă de aproximativ 147°C și o temperatură de distorsiune termică de 135°C, ceea ce îi permite să fie utilizat stabil pentru perioade lungi de timp în intervalul de temperatură de la -45°C la 120°C. Această stabilitate termică excelentă îi permite să se adapteze la diverse medii de lucru complexe; fie în regiuni polare reci, fie în climate tropicale calde, produsele fabricate din policarbonat pot funcționa normal.

În plus, policarbonatul se topește la 220-230°C și are o temperatură de descompunere termică care depășește 310°C. Este o rășină autostingătoare, ceea ce îi sporește într-o oarecare măsură siguranța atunci când este utilizată în medii cu temperaturi ridicate.

(IV) Stabilitate chimică

Policarbonatul are o bună rezistență la acizi slabi, alcalii slabi și uleiuri neutre și poate menține performanțe stabile în medii care conțin aceste substanțe chimice. Cu toate acestea, este relativ sensibil la alcalii puternici și predispus la coroziune din partea acestora, iar rezistența sa la UV este relativ slabă.

Prin urmare, în aplicațiile practice, policarbonatului ar trebui să i se aplice tratamente de protecție sau modificare adecvate, în funcție de mediul specific de utilizare, pentru a-i prelungi durata de viață.

Procese de producție a policarbonatului

(I) Metoda fosgenului (policondensare interfacială)

Metoda cu fosgen este în prezent unul dintre procesele principale pentru producerea policarbonatului. În acest proces, bisfenolul A reacționează cu fosgenul într-o soluție alcalină pentru a forma PC cu greutate moleculară mare. Avantajul acestei metode este că poate produce produse din policarbonat cu puritate ridicată și calitate excelentă.

Cu toate acestea, fosgenul este un gaz extrem de toxic, necesitând măsuri stricte de protecție și siguranță în timpul producției pentru a asigura siguranța operatorilor și a mediului. În plus, impune cerințe extrem de ridicate privind etanșarea și rezistența la coroziune a echipamentelor de producție, ceea ce crește costurile de producție și provocările tehnice.

(II) Metoda de transesterificare (policondensare la topire)

Metoda de transesterificare este un alt proces important de producție pentru policarbonat. Aceasta utilizează carbonat de difenil și bisfenol A ca materii prime pentru a efectua reacții de policondensare în condiții de temperatură ridicată și vid.

Această metodă prezintă un flux de proces relativ simplu și nu necesită utilizarea fosgenului extrem de toxic, ceea ce reduce într-o oarecare măsură riscurile de siguranță în procesul de producție. Cu toate acestea, metoda de transesterificare are și unele dezavantaje. De exemplu, greutatea moleculară a policarbonatului produs este relativ mică, iar performanța produsului poate fi inferioară celei a policarbonatului produs prin metoda fosgenului în anumite aspecte. Prin urmare, această metodă este mai potrivită pentru producerea de produse cu vâscozitate redusă, care nu au cerințe ridicate privind greutatea moleculară.

Starea actuală a industriei policarbonatului

(I) Capacitatea și producția globală

Capacitatea globală de producție de policarbonat (PC) continuă să se extindă, deși rata de creștere încetinește treptat. În 2024, capacitatea globală de producție de PC a crescut cu 4,7% față de anul precedent, producția crescând cu 4,0% față de anul precedent, iar rata medie de funcționare a instalațiilor de producție a fost de 63,5%.

Concentrarea regională a producției globale de PC-uri se deplasează spre Asia de Nord-Est, producția fiind concentrată în principal în regiuni precum Asia de Nord-Est, Europa de Vest și America de Nord. În 2024, Asia de Nord-Est a reprezentat 66,3% din capacitatea globală de producție de PC-uri, clasându-se pe primul loc; Europa de Vest a reprezentat 12,9%; iar America de Nord a reprezentat 10,3%.

Modelul concurențial din industrie este extrem de concentrat. În 2024, existau peste 30 de producători majori de PC-uri la nivel global, iar capacitatea de producție a primilor 10 producători reprezenta 71,8% din capacitatea totală de producție a lumii. Printre aceștia, Covestro este cel mai mare producător de PC-uri din lume.

(II) Situația comerțului internațional

În 2023, valoarea totală a comerțului internațional cu policarbonat (PC) a fost de 8,93 miliarde USD, o scădere de 23,5% față de anul precedent, cu un volum total al comerțului de 3,232 milioane de tone, în scădere cu 15,6% față de anul precedent. În ceea ce privește prețurile, prețul mediu global de export al PC a fost de 2.761,6 USD pe tonă, o scădere de 9,4% față de anul precedent.

China, India și Mexic sunt principalele țări importatoare de PC-uri la nivel mondial, importurile lor totale reprezentând aproximativ 43,9% din totalul importurilor globale. Coreea de Sud, Thailanda și China sunt principalele țări exportatoare, ale căror exporturi totale reprezintă aproximativ 44,4% din totalul exporturilor globale.

(III) Situația pieței chineze

Ritmul de creștere al capacității de producție de PC-uri a Chinei a încetinit. În ultimii ani, capacitatea de producție a Chinei a crescut rapid, iar fenomenul evident al deficitului de aprovizionare din industrie s-a îmbunătățit semnificativ. În ultimii doi ani, industria a început să revină la raționalitate, ritmul de extindere a capacității încetinind semnificativ, trecând treptat de la expansiunea rapidă anterioară la optimizarea stocului existent și îmbunătățirea eficienței.

În 2024, capacitatea de producție de PC-uri a Chinei a crescut cu 13,1% față de anul precedent, iar producția a crescut cu 22,6% față de anul precedent. Importurile de PC-uri ale Chinei au continuat să scadă, în timp ce exporturile au continuat să crească. În 2024, importurile de PC-uri ale Chinei au scăzut cu 14,8% față de anul precedent, iar exporturile au crescut cu 34,6% față de anul precedent.

Importurile de PC-uri ale Chinei se fac în principal prin comerț general și prelucrare cu materiale importate, reprezentând 69,6%, respectiv 18,9% din totalul importurilor. PC-urile importate de China provin în principal din țări și regiuni precum Coreea de Sud, Thailanda și provincia Taiwan din China, reprezentând aproximativ 60,3% din totalul importurilor.

Consumul aparent de PC-uri al Chinei a crescut cu 8,9% față de anul precedent, iar rata de autosuficiență a crescut cu 9,9 puncte procentuale față de anul precedent. Odată cu finalizarea și punerea în funcțiune a mai multor instalații noi și extinse, capacitatea de producție de PC-uri a Chinei va crește în continuare, iar volumul ofertei va crește, de asemenea, rapid. Deși produsele din noile instalații încă nu sunt suficiente pentru a înlocui rapid și eficient materialele importate, rata de autosuficiență a crescut semnificativ, iar dependența de materiile prime străine a scăzut considerabil.