什么是聚碳酸酯 (PC)？

1．什么是聚碳酸酯（PC）？

聚碳酸酯（PC）是一类非结晶通用工程塑料，也是各类通用工程塑料中少有的透明的材料。 PC树脂是一个统称，是指单体通过碳酸酯基团通过碳酸酯键连接在一起的聚合物。聚碳酸酯优异的抗冲击性、透明度、耐热性（Tg ~ 150°C 左右的高玻璃化转变温度）和尺寸稳定性使其成为各种应用的良好材料选择。另一方面，聚碳酸酯中的酯键使其比其他材料的耐化学性较差（特别容易受到碱和芳香烃基溶剂（例如油）的影响），并且聚碳酸酯在温暖、潮湿的环境中也容易发生水解。

2．聚碳酸酯的生产

聚碳酸酯的基本化学结构如图1所示。

如图 2 所示，图 1 所示的单元由 4 种分子成分组成：两种酚（红色虚线）、一种丙酮（绿色虚线）和一种碳酸盐（蓝色虚线）。

聚碳酸酯一词源于图 2 中碳酸酯的存在。更具体地说，聚碳酸酯是由二羟基化合物与碳酸酯分子重复反应形成的聚合物链组成的材料，如图 3 所示。

改变图 3 中标记为 R 的单位可以产生各种不同的聚碳酸酯；用于工业生产的R单元是双酚A (BPA)。如图 4 所示，BPA 由两个通过丙酮分子连接的苯酚分子组成，是油漆和粘合剂等产品中的常见成分。

制造聚碳酸酯的技术有多种，根据与 BPA 反应的物质而不同。下表描述了这些方法。

界面方法（界面聚合）	BPA 和光气在催化剂存在下混合、反应和聚合。该方法可以轻松调节分子量并产生具有优异透明度的聚碳酸酯。
催化方法（酯交换过程）	BPA 和碳酸二苯酯 (DPC) 在催化剂存在下混合、反应和聚合。
旭化成的非光气工艺	BPA 与由CO2和环氧乙烷 (EO) 生成的 DPC 发生反应并聚合。 其优点包括使用 CO 2作为原料，而不使用剧毒气体光气作为原料。请注意，旭化成化成本身并不生产 PC，而是将该技术授权给世界各地的 PC 生产商。 https://www.asahi-kasei.co.jp/tlb/en/index.html

3．聚碳酸酯的特性

·透明度：
在所有通用工程塑料中，聚碳酸酯是少有的透明的树脂。典型的透明材料等级提供 85-90% 的可见光透射率（对于 2 毫米厚度的材料）。
• 抗冲击性：
在所有塑料中，聚碳酸酯具有较高水平的抗冲击性
• 耐热性：
聚碳酸酯的玻璃化转变温度接近 150°C，可在较宽的温度范围内提供稳定的机械性能。对于一般的非强度增强材料等级，在 1.80 MPa 的重载荷下，典型的热变形温度约为 120-130°C。
• 尺寸稳定性：
由于聚碳酸酯是非结晶树脂，因此它们在成型过程中表现出较小的收缩率，并且吸水时的尺寸变化也较小。
• 自熄特性：
典型的聚碳酸酯牌号具有 UL 94 V-2 级别的高阻燃性。对于要求更高阻燃水平的应用，还可以添加阻燃添加剂。
• 聚碳酸酯容易受到碱和芳香烃类溶剂（例如油）的影响。
• 聚碳酸酯中的酯键使其在温暖、潮湿的环境中容易发生水解。

聚碳酸酯最吸引人的特点是其透明度和良好的机械性能，特别是优异的抗冲击性。聚碳酸酯还具有高尺寸精度，因为其非晶体结构可使得成型过程中的收缩较小。

4．聚碳酸酯的应用

从使用的材料量来看，聚碳酸酯的主要应用是电气和电子设备、办公设备、薄膜和片材以及汽车零部件。
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近年来，电气/电子设备和办公设备对LED照明材料的需求大幅增长。聚碳酸酯优异的光学透明度和耐热性使其成为镜片的理想材料。在家用和办公电器中，聚碳酸酯与ABS共混的合金材料被广泛用作仪器底盘和外壳材料。采用聚碳酸酯的原因包括其良好的成型性能、易于着色、阻燃性和抗冲击性。

在建筑和土木工程中，聚碳酸酯的高透明度和优异的抗冲击性使其成为广泛使用的薄膜和片材材料选择。液晶显示面板是聚碳酸酯的另一个大批量应用。

在汽车领域，聚碳酸酯最突出的应用也许是汽车头灯（图 5）。现代光源、热设计的进步、表面硬化技术的发展以及其他因素导致大多数新车使用聚碳酸酯，它们还有助于减轻整体重量。聚碳酸酯还用于其他透明部件，例如仪表板和各种类型的透镜，以及格栅等外部部件，以及按钮和开关等内部和结构部件。

除了上述应用之外，DVD 和其他光盘（图 5）也由聚碳酸酯制成； PC树脂优异的透明度和耐热性使其成为该应用的理想材料，但基于互联网的内容分发的日益普及导致需求下降。

5．聚碳酸酯和改性PPE树脂：主要特性和主要应用的比较

除聚碳酸酯外，非结晶工程塑料类别还包括改性PPE树脂。在本节中，我们将简要比较这两种材料系列的主要特征，并描述它们的不同使用方式。

	聚碳酸酯	改良个人防护装备
比重/减重	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
吸水率低	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
耐水解性	＋＋＋	＋＋＋＋＋
阻燃性	+++++（取决于年级）
成型性能	+++++（取决于年级）
电气性能	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
耐热性	+++++（取决于年级）
光学特性	透明度	不透明
着色/变色	可能是彩色的	可能会着色，但可能会出现黄色变色
抗冲击性	＋＋＋＋＋	＋＋＋
耐酸/耐碱	＋＋＋	＋＋＋＋＋
耐有机溶剂	＋＋	＋＋

表：聚碳酸酯和改性 PPE 树脂的性能

聚碳酸酯的应用

由于聚碳酸酯透明且可以着色，因此广泛用于光学部件和影响产品外观的部件。聚碳酸酯特别适合要求透明度和高抗冲击性的应用，通常用于需要高耐热性的汽车部件和光学部件。

改性PPE树脂的应用

改性 PPE 树脂利用其优势特性被用于多种应用，包括低比重（有助于减轻重量）、耐水解性、耐化学性、良好的电气性能和高尺寸精度。此类应用的示例包括锂离子电池系统的外围组件、太阳能发电机的连接器、5G 通信系统所需的产品以及其他应用（尽管在日常生活中可能不明显），但在现代世界中却无处不在。

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6．加工方法

由于聚碳酸酯经常用于要求高尺寸精度和低形状变形的领域，因此帮助材料流入注射成型模具的方法以及改善成型体表面转移性能的技术是持续开发工作的重点。一个例子是为光盘开发的注射压缩成型技术；在这种方法中，在材料填充期间加宽型腔，使熔融树脂更容易流动，然后恢复到原来的厚度，以确保高精度的表面转移。另一个例子是为需要高耐磨损坏性的汽车部件开发表面硬化处理。

7．与使用聚碳酸酯相关的实际考虑因素

聚碳酸酯的高熔融粘度需要对模具和成型工艺进行某些特殊规定，否则成型产品可能会存在缺陷、形状扭曲或裂纹。

聚碳酸酯的耐化学性虽然在透明材料中相对较高，但最终受到其非晶结构和碳酸酯键的限制，因此需要仔细调整成型条件以尽量减少形状变形。还必须注意避免在加工阶段粘附机器润滑剂，并选择残留影响较小的脱模剂。同样，在使用模制聚碳酸酯产品时，必须小心选择喷雾剂和清洁产品，以避免产生不良副作用。

8．聚碳酸酯与环境可持续性

如第 2 节“聚碳酸酯的生产”中所述，旭化成开发了一种实用的非光气法，使用 CO ₂和 EO 作为原料来生产聚碳酸酯。该工艺不使用剧毒气体光气或疑似致癌物二氯甲烷，旨在优先考虑安全性，其技术已授权给世界各地的 PC 生产商。

旭化成还提供基于质量平衡方法的聚碳酸酯等级，以实现生物质相容性。尽管用于制造聚碳酸酯的成分 BPA 是由苯酚生产的，但这些方法使用源自生物质成分的物质来生产这种苯酚。

回收聚碳酸酯的主要方法是材料回收，其中将使用过的树脂材料研磨成粉末形式，熔化并重新成型。这种方法对于诸如二手光盘之类的物品特别有用，这些物品往往质量很高并且相对容易大量聚集。

专栏：结晶和非结晶塑料的熔化现象

当非结晶塑料材料通过加热到一定温度以上而熔化时，塑料内的相邻分子可以在整个材料中自由移动。发生这种情况的温度称为玻璃化转变温度，用符号 Tg 表示；当温度高于 Tg 时，材料开始表现出流动性。聚碳酸酯的玻璃化转变温度为Tg~150℃。

结晶塑料的熔化稍微复杂一些。纵观结晶塑料的微观结构，可以发现非结晶区域与结晶区域共存；在较高温度下，非结晶区域中的分子首先开始移动，而结晶区域中的分子受到强大的分子间力的束缚而无法移动，因此继续以固态存在。随着温度进一步升高，结晶区域中的分子也开始自由移动，材料开始表现出流动性。非结晶区域中的分子开始自由移动的温度称为玻璃化转变温度 (Tg)——与非结晶塑料使用的术语相同。相反，结晶区域中的分子开始自由移动的温度称为熔点，记为 Tm。

结晶塑料在低于 Tg 的温度下以玻璃态存在，而在 Tg 和 Tm 之间则以橡胶态存在。尽管玻璃状塑料和橡胶状塑料都是固体，但它们的性质有显着差异：前一种状态下的分子行为让人想起日常生活中熟悉的玻璃性质，而后一种状态下的分子行为让人想起橡胶的行为之一，从而解释了选择术语。不用说，对于非结晶塑料来说，没有橡胶状态的类似物。温度和塑性状态之间的关系如图 7 所示。

（作者：佐藤功技术室）

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