聚碳酸酯的性能与应用解析

1、聚碳酸酯的性能与应用解析聚碳酸酯最早由德国科学家Alfred Einhorn在1898年 首次合成。聚碳酸酯是一种透明材料，有很好的力学性能、 阻燃性能和耐高温性。作为五大工程塑料之一，聚碳酸酯被 应用于建筑业板材、汽车零部件、医疗器械、航空航天、电 子电器、光学透镜、光盘基础材料、LED照明许多领域， 市场前景广阔。一说起？。，大多数人想到的都是电脑(Personal Computer)的缩写，但是我们这里要说的是塑料中的PC (Polycarbonated)，中文名称是聚碳酸酯。聚碳酸酯是塑料 中的一种，在我们周围，有很多生活物品就是用聚碳酸酯制 造的，比如：水桶、光盘、镜片作为五大工程塑

2、料之一 的聚碳酸酯，早就渗透到了我们生活的方方面面。本文就来 详解一下聚碳酸酯的“前世今生”。诞生聚碳酸酯最早由德国科学家Alfred Einhorn在1898年首 次合成，因为一直没有找到合适的应用领域，长达半个多世 纪“养在闺中无人识”。不过是金子就总会有发光的那一 天1955年，Bayer公司的科学家Hermann Schnell重新将聚碳酸酯合成出来，并于当年申请了专利。同年，Bayer公 司正式给自家的聚碳酸酯起了个商品名“Makrolon”。纵观整个塑料科技史，不得不说，上世纪五六十年代是 塑料科技大发展的时代。就在同一时期，1953年GE公司（后 来塑料部门出身的杰克?韦尔奇担任

3、该公司CEO）的科学家 Daniel Fox也独立合成出了聚碳酸酯，而且，同样在1955年 向美国专利局提交了专利申请。一场知识产权大战由此展 开最后，美国专利局裁定，该项技术专利归Bayer所有， 因为他们比GE公司早提交申请书一个星期。就因这短短一 星期，Bayer从GE那里拿到了不少专利费。时间就是金钱， 在这里得到了完美的体现。1958年，Bayer公司开始量产并商业化“Makrolon”。两 午后，在支付了一笔“保护费”后，GE公司也开始量产聚碳 酸酯，GE家的聚碳酸酯商品名是“Lexan”。自此，聚碳酸酯 作为工程塑料登上了历史舞台，由于它集良好的光学性能、 力学性能以及阻燃性能于

4、一体，很快就得到了人们的关注。生产生产工艺目前，聚碳酸酯的生产主要有两种方法：一是光气法； 二是熔融法。虽然大多数生产商都米用光气法，但是，因为 光气剧毒，加之大众对环保问题日益重视，新建的PC生产 基地基本都采用较为环保的熔融法。可是鱼与熊掌不可兼得， 熔融法生产出的聚碳酸酯在某些性能上比光气法还是要差 一些。不过除了一些高端的应用需求，熔融法制备的聚碳酸 酯已基本可以满足大部分需求。虽然聚碳酸酯的实验室制备只有一步反应，非常简单， 但在实际生产中却并非如此。实际生产中，所有的原料都需 要从最基本的化学产品开始，一步步进行制备，并要将在此 过程中产生的副产物一一热、废水等加以回收并循环利用，

5、 这是一个相当复杂的系统性工程。就好像做一盘西红柿炒鸡 蛋，需要从种植西红柿和养鸡开始，还要达到自动化与智能 化。从图1不难看出聚碳酸酯工厂的规模与复杂性。主要供应商早起的鸟儿有虫吃，半个多世纪的耕耘使得Bayer和GE 成为了全球聚碳酸酯的主要供应商，占据着半壁江山。继它 们之后，美国的陶氏化学、日本的三菱、帝人，以及一些韩 国公司相继掌握了聚碳酸酯的合成技术，并纷纷建厂，投入 到浩浩荡荡的生产大军里来，但终究抵不过两位前辈在这个 市场上的根深叶茂。2011年，全球聚碳酸酯的产能大约为 466万吨，而Bayer和Sabic（原来的GE塑料）就分别占去 了 33%和22%的份额;日本厂商大约占

6、了 17%的产能;韩国企 业也占去了 8%的产能;其余如俄罗斯、沙特以及泰国都有大 规模生产聚碳酸酯的能力。同时，由于亚太区域作为新兴市场的崛起，各大聚碳酸 酯供应商纷纷在该区域建立生产基地，使得亚太区域的产能 与欧美国家的产能达到旗鼓相当的程度。那中国有没有国产的聚碳酸酯呢？虽然早在1958年， 沈阳化工研究院就开发出了聚碳酸酯的合成工艺，但是由于 早年生产工艺和设备落后，以及近年聚碳酸酯价格滑落等原 因，直到2014年，我国也仅仅只有几个年产不到万吨的聚 碳酸酯小厂。在日益追求国产化的今天，该来的终归会来一一2011年， 中石化和Sabic宣布将在天津合资建立年产26万吨的聚碳酸 酯项目。

7、如果说这个带着一半洋色彩的项目和真正国产化还 有一步距离的话，那么2015年4月，浙铁大风化工的拥有 独立知识产权的聚碳酸酯装置的成功投产，算是结束了国内 无万吨级以上自主工业化装置的历史。当然，要做到与欧美 老牌公司以及日韩新贵们分庭抗礼，还需假以时日。不过，随着塑料行业盈利水平的逐渐降低，欧美老牌公 司渐渐退出了这个市场：2010年，陶氏化学将其聚碳酸酯业 务部出售给贝恩资本，取名为Styron，2015年该公司又改 名为Trinseo;2015年9月，Bayer宣布将旗下材料业务集团（包 括聚碳酸酯业务）独立出来，赋予其一个新名字 Covestro; 最大的变数是GE塑料，2007年，沙

8、特基础工业公司以116 亿美元收购了 GE的塑料部门并更名为Sabic创新塑料部门， 又于2015年10月解散创新塑料部门，将其并入新的“特殊 产品部门”，其位于美国皮茨菲尔德的创新塑料总部也被关 闭。当年工程塑料界的王者落得如此结局，让人唏嘘不止。 白云苍狗，风云变幻，不知从这里起步的杰克?韦尔奇会作 何感想。性能为什么聚碳酸酯这么好用？ 一年466万吨的产能到底用 到哪里去了？只有了解了聚碳酸酯的性能，才会知道它的应 用市场。光学特性。它的透光率在90%左右，接近于玻璃但是又 比玻璃轻，不易碎，易于加工。有人会以为这就是所谓的“有 机玻璃”，其实不然！我们所说的有机玻璃的学名是“聚甲 基丙

9、烯酸甲酯”。有机玻璃虽然也是透明材料，甚至光学特 性比聚碳酸酯还要优越，但是，它的力学性能与耐热性能比 聚碳酸酯相差太多，而且还不防火。所以就综合性能而言， 聚碳酸酯更全面，应用也更为广泛。力学性能。聚碳酸酯是刚性与韧性的有机结合体。一般而言，一种材料刚 性很好的话，它就会很脆，往地上一摔就会碎。但聚碳酸酯 虽有很好的刚性，很难将其折弯，它的韧性却也相当好，由 其制成的产品，即使有重物从高处落在其上，也不容易破碎。 例如，4公斤的圆球从0.1米高处落在1.2cm厚的聚碳酸酯 板上，聚碳酸酯板能够完好无损。阻燃性能。2010年11月上海市胶州路一场大火，让防 火阻燃材料备受人们的关注。相较于其他

10、塑料而言，聚碳酸 酯有着优异的防火性能。在不添加任何阻燃剂的情况下，纯 的聚碳酸酯就可以通过一定级别的防火测试。如果辅以少量 的阻燃剂，聚碳酸酯就能达到最高级别的防火标准，同时， 还不会损失其优良的光学以及力学性能，这是其他塑料产品 根本做不到的。耐高温性。随着温度的升高，所有塑料都会在一定温度 下变软，从而失去使用价值。这个温度值也就是该塑料的最 高使用温度。可以想象，这个温度数值越高，塑料的使用范 围也就越宽。聚碳酸酯的最高使用温度可以达到120度至130 度。大约十几年前，流行过所谓的“太空杯”透明、轻便， 它就是以聚碳酸酯为原材料制作的。除了以上所说的四个主要特性，聚碳酸酯还有其他一些

11、 优良性能，比如电学性能、尺寸稳定性等等，这里不再赘述。市场与应用建筑业板材聚碳酸酯板材具有良好的透光性、抗冲击性、耐紫外线 辐射、制品的尺寸稳定性以及良好的成型加工性能，使其比 建筑业传统使用的无机玻璃具有明显的技术性能优势。经压 制或挤出方法制得的聚碳酸酯板材，重量是无机玻璃的50%， 隔热性能比无机玻璃提高25%，冲击强度是普通玻璃的250 倍，在世界建筑业上占主导地位，约有1/3用于窗玻璃、商 业橱窗等玻璃制品。另外，由聚碳酸酯制成的具有大理石外 观及低发泡木质外观的板材，也将在建筑业和家具行业中大 显身手。例如，上海南站的屋顶、重庆奥林匹克体育馆的天 窗、阿根廷城际动车组的窗户都是用

12、聚碳酸酯材料制成 的。汽车零部件在追求节能高效的今天，轻型化、安全化是汽车制造业 追求的重要目标。聚碳酸酯具有良好的抗冲击、抗热畸变性 能，而且耐候性好、硬度高，因此，适用于生产轿车和轻型 卡车的各种零部件，其主要应用领域集中在制造照明系统、 仪表板、加热板、除霜器及聚碳酸酯合金制的保险杠等。尤 其在汽车照明系统中，充分利用聚碳酸酯易成型加工的特性， 将车灯头部、连接片、灯体等全部模塑在透镜中，设计灵活 性大，便于加工，解决了传统玻璃制造头灯在工艺技术上的 困难。在西方国家，聚碳酸酯在电子电气、汽车制造业中使 用比例为40%-50%。目前，中国在该领域的使用比例只占10% 左右，电子电气和汽车

13、制造业是中国迅速发展的支柱产业， 未来这些领域对聚碳酸酯的需求量将是巨大的。医疗器械由于聚碳酸酯制品可经受蒸汽、清洗剂、加热和大剂量 辐射消毒，且不发生变黄和物理性能下降，因而被广泛应用 于人工肾血液透析设备，以及其他需要在透明、直观条件下 操作，并需反复消毒的医疗设备中，如生产高压注射器、外 科手术面罩、一次性牙科用具、血液充氧器、血液收集存储 器、血液分离器等。航空航天随着航空、航天技术的迅速发展，对飞机和航天器中各 部件的要求不断提高，使得PC在该领域的应用也日趋增加。 据统计，仅一架波音型飞机上所用聚碳酸酯部件就达2500 个，单机耗用聚碳酸酯约2吨。而在宇宙飞船上，则采用了 数百个不

14、同构型并由玻璃纤维增强的聚碳酸酯部件，以及宇 航员的防护用品等。包装领域近年来，在包装领域出现的新增长点是，可重复消毒和 使用的各种型号的储水瓶。由于聚碳酸酯制品具有质量轻、 抗冲击、透明性好、用热水和腐蚀性溶液洗涤处理时不变形 且保持透明的优点，目前在一些领域，聚碳酸酯瓶已完全取 代玻璃瓶。必须一提的是聚碳酸酯奶瓶一一因为轻质、透明， 曾经在市场上风靡一时。但是自1998年以来，陆续有研究 表明，聚碳酸酯中游离的双酚A会在高温下析出，对婴幼儿 的内分泌系统造成损害，引起性早熟，学习能力下降以及肥 胖等疾病。也有业界人士对此持不同态度，认为目前所有数 据都从小白鼠身上得出，并无人类试验的数据，

15、而且聚碳酸 酯奶瓶已经广泛使用了很多年，并未得到任何不良的反馈结 果。不过万事小心为上，欧盟自2011年3月起禁止生产聚 碳酸酯奶瓶;我国也要求自2011年6月1日，禁止生产聚碳 酸酯婴幼儿奶瓶和其他含双酚A的婴幼儿奶瓶;自2011年9 月1日起，禁止进口聚碳酸酯婴幼儿奶瓶和其他含双酚A的 婴幼儿奶瓶。同时，国家质检总局也吊销了所有使用聚碳酸 酯生产婴幼儿奶瓶企业的生产许可证。电子电器由于聚碳酸酯在较宽的温、湿度范围内具有良好而恒定 的电绝缘性，是优良的绝缘材料，再加上其良好的难燃性和 尺寸稳定性，使其在电子电器行业形成了广阔的应用领域。 聚碳酸酯树脂主要用于生产各种食品加工机械、电动工具外

16、壳、机体、支架、冰箱冷冻室抽屉和真空吸尘器零件等。而 且在零件精度要求较高的计算机、视频录像机、彩色电视机 中的重要零部件等领域，聚碳酸酯材料也显示出了极高的使 用价值。光学透镜聚碳酸酯以其独特的高透光率、高折射率、高抗冲性、 尺寸稳定性及易加工成型等特点，在光学透镜领域占有极其 重要的位置。采用光学级聚碳酸酯制作的光学透镜不仅可用 于制造照相机、显微镜、望远镜及光学测试仪器等，还可用 于制造电影投影机透镜、复印机透镜、红外自动调焦投影仪 透镜、激光束打印机透镜，以及各种棱镜、多面反射镜等， 其应用市场极为广阔。聚碳酸酯在光学透镜方面的另一重要 应用领域便是作为儿童眼镜、太阳镜、安全镜和成人眼

17、镜的 镜片材料。近年来，世界眼镜业聚碳酸酯消费量年均增长率 一直保持在20%以上，显示出极大的市场活力。光盘基础材料作为音像信息存储介质的光盘，是聚碳酸酯应用的又一 大市场。然而，近年来，受互联网、平板电脑、智能手机等 新兴媒体的影响，全球光盘市场需求急剧萎缩，全球CD类 光盘的复制量将下降到2009年的17%，DVD类光盘可能下 降到2009年的36%，蓝光光盘的产量增幅也在逐步放缓。 在没有新技术突破和新消费市场出现的情况下，光盘复制市 场需求逐年萎缩的态势将持续下去。LED照明行业近年来，面临全球能源危机，LED产业如雨后春笋一般 发展起来，现已广泛应用于照明、显示、背光等行业。而LED 照明的应用会逐步淘汰白炽灯、荧光灯，这对实现节能减排 以及积极应对全球气候变化具有重要意义。2013年，全球LED 照明市场规模有大约270亿美元，而中国2013年市场规模 也在480亿元人民币左右。因为聚碳酸酯的轻质、易加工、 韧性高，以及阻燃、耐热等性能，使其成为LED照明中替换 玻璃材质的首要选择。总的来看，全球电子类产品，尤其是消费性电子产品市 场约占到聚碳酸酯终端市场份额的20%;主要用于建筑工业 的薄板和薄膜市场占到聚碳酸酯终端市场份额的18%;光学 媒体市场占到18%;电器用具和汽车非窗体市场各占