Polycarbonate (PC) là gì?

1．Polycarbonate (PC) là gì?

Polycarbonate (PC) là một họ nhựa kỹ thuật đa năng không kết tinh và là vật liệu trong suốt duy nhất trong số các loại nhựa kỹ thuật đa năng khác nhau. Nhựa PC là thuật ngữ chung dùng để chỉ các polyme trong đó các monome được liên kết với nhau bằng các nhóm cacbonat thông qua các liên kết được gọi là liên kết este cacbonat. Khả năng chống va đập, độ trong suốt, khả năng chịu nhiệt tuyệt vời (nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh cao khoảng Tg ~ 150°C) và độ ổn định kích thước của nhựa polycarbonate khiến chúng trở thành lựa chọn vật liệu tốt cho nhiều ứng dụng. Mặt khác, các liên kết este trong polycarbonate làm cho chúng có khả năng kháng hóa chất kém hơn các vật liệu khác (đặc biệt nhạy cảm với chất kiềm và dung môi gốc hydrocarbon thơm như dầu), và polycarbonate cũng dễ bị thủy phân trong môi trường ấm áp, ẩm ướt.

2．Sản xuất nhựa polycarbonate

Cấu trúc hóa học cơ bản của polycarbonate được thể hiện trong Hình 1.

Như được hiển thị trong Hình 2, đơn vị được mô tả trong Hình 1 bao gồm 4 thành phần phân tử: hai phenol (đường đứt nét màu đỏ), một axeton (đường đứt nét màu xanh lá cây) và một cacbonat (đường đứt nét màu xanh lam).

Thuật ngữ polycarbonate bắt nguồn từ sự hiện diện của cacbonat trong Hình 2. Cụ thể hơn, polycarbonat là vật liệu bao gồm các chuỗi polymer được hình thành thông qua phản ứng lặp đi lặp lại của các hợp chất dihydroxy với các phân tử cacbonat, như trong Hình 3.

Việc thay đổi đơn vị được đánh dấu R trong Hình 3 cho phép tạo ra nhiều loại nhựa polycarbonate khác nhau; Đơn vị R được chọn để sản xuất công nghiệp là bisphenol A (BPA). Như thể hiện trong Hình 4, BPA bao gồm hai phân tử phenol được nối với nhau bằng phân tử axeton và là thành phần phổ biến trong các sản phẩm như sơn và chất kết dính.

Có nhiều kỹ thuật sản xuất nhựa polycarbonate, được phân biệt bằng chất phản ứng với BPA. Những phương pháp này được mô tả trong bảng dưới đây.

Phương pháp tiếp cận bề mặt (trùng hợp bề mặt)	BPA và phosgene được pha trộn, phản ứng và trùng hợp với sự có mặt của chất xúc tác. Phương pháp này cho phép dễ dàng điều chỉnh khối lượng phân tử và tạo ra nhựa polycarbonate có độ trong suốt tuyệt vời.
Phương pháp xúc tác (quá trình trao đổi este)	BPA và diphenyl cacbonat (DPC) được pha trộn, phản ứng và trùng hợp với sự có mặt của chất xúc tác.
Quá trình không phosgene của Asahi Kasei	BPA phản ứng với DPC - được tạo thành từ CO 2 và etylen oxit (EO) - và được trùng hợp. Ưu điểm bao gồm việc sử dụng CO 2 làm thành phần và không sử dụng phosgene, một loại khí cực độc, làm thành phần. Lưu ý rằng Asahi Kasei không tự sản xuất PC mà cấp phép công nghệ này cho các nhà sản xuất PC trên toàn thế giới. https://www.asahi-kasei.co.jp/tlb/en/index.html

3．Đặc điểm của nhựa polycarbonate

・Minh bạch:
Trong số tất cả các loại nhựa kỹ thuật đa năng, nhựa polycarbonate là loại nhựa trong suốt duy nhất. Các loại vật liệu trong suốt điển hình có độ truyền ánh sáng nhìn thấy được là 85-90% (đối với độ dày vật liệu 2 mm).
• Khả năng chống va đập:
Trong số tất cả các loại nhựa, nhựa polycarbonate có khả năng chống va đập cao nhất.
• Khả năng chịu nhiệt:
Với nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh gần 150°C, nhựa polycarbonate mang lại các đặc tính cơ học ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng. Nhiệt độ biến dạng nhiệt điển hình—đối với các loại vật liệu thông thường, không được gia cố cường độ—là khoảng 120-130°C khi chịu tải nặng 1,80 MPa.
• Độ ổn định kích thước:
Bởi vì polycarbonate là nhựa không kết tinh nên chúng có độ co rút tối thiểu trong quá trình đúc và sự thay đổi kích thước tối thiểu khi hấp thụ nước.
• Đặc tính tự dập lửa:
Các loại polycarbonate điển hình có khả năng chống cháy cao ở cấp độ UL 94 V-2. Các chất phụ gia chống cháy cũng có thể được thêm vào cho các ứng dụng đòi hỏi mức độ chống cháy cao hơn.
• Polycarbonate dễ bị ảnh hưởng bởi chất kiềm và dung môi gốc hydrocarbon thơm như dầu.
• Các liên kết este trong nhựa polycarbonate khiến chúng dễ bị thủy phân trong môi trường ấm và ẩm.

Một trong những tính năng hấp dẫn nhất của nhựa polycarbonate là độ trong suốt và tính chất cơ học tốt, đặc biệt là khả năng chống va đập tuyệt vời. Polycarbonate cũng mang lại độ chính xác cao vì cấu trúc phi tinh thể của chúng đảm bảo độ co rút tối thiểu trong quá trình đúc.

4．Ứng dụng của nhựa polycarbonate

Được xem xét theo khối lượng vật liệu được sử dụng, các ứng dụng chính của polycarbonate là các thiết bị điện và điện tử, thiết bị văn phòng, vật liệu màng và tấm, và các bộ phận ô tô.
​

Đối với các thiết bị điện/điện tử và thiết bị văn phòng, nhu cầu về vật liệu chiếu sáng LED đã tăng đáng kể trong những năm gần đây. Độ trong suốt quang học tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt của nhựa polycarbonate khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho ống kính. Trong các thiết bị điện gia dụng và văn phòng, vật liệu hợp kim pha trộn polycarbonate với ABS được sử dụng rộng rãi làm vật liệu khung và vỏ thiết bị. Trong số các lý do để sử dụng nhựa polycarbonate là đặc tính đúc tốt của chúng, khả năng tạo màu dễ dàng, khả năng chống cháy và khả năng chống va đập của chúng.

Trong xây dựng công trình và kỹ thuật dân dụng, độ trong suốt cao và khả năng chống va đập tuyệt vời của nhựa polycarbonate khiến chúng trở thành lựa chọn vật liệu được sử dụng rộng rãi cho màng và tấm. Tấm màn hình tinh thể lỏng là một ứng dụng khối lượng lớn khác của nhựa polycarbonate.

Trong lĩnh vực ô tô, có lẽ ứng dụng nổi bật nhất của polycarbonate là làm đèn pha ô tô (Hình 5). Nguồn sáng hiện đại, những tiến bộ trong thiết kế tản nhiệt, sự phát triển của kỹ thuật làm cứng bề mặt và các yếu tố khác đã dẫn đến việc sử dụng nhựa polycarbonate trong hầu hết các loại xe mới, chúng cũng giúp giảm trọng lượng tổng thể. Polycarbonate cũng được sử dụng cho các bộ phận trong suốt khác như bảng điều khiển và các loại thấu kính khác nhau cũng như cho các bộ phận bên ngoài như lưới tản nhiệt, cũng như các bộ phận bên trong và cấu trúc như nút bấm và công tắc.

Ngoài các ứng dụng được đề cập ở trên, DVD và các đĩa quang khác (Hình 5) cũng được làm từ nhựa polycarbonate; tính trong suốt và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời của nhựa PC khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho ứng dụng này, nhưng sự phổ biến ngày càng tăng của việc phân phối nội dung dựa trên internet đã dẫn đến nhu cầu giảm sút.

5．Polycarbonate và nhựa PPE biến tính: So sánh các tính năng chính và ứng dụng chính

Ngoài nhựa polycarbonate, danh mục nhựa kỹ thuật không kết tinh còn bao gồm nhựa PPE biến tính. Trong phần này, chúng tôi so sánh ngắn gọn các đặc điểm chính của hai họ vật liệu này và mô tả những cách khác nhau mà chúng được sử dụng.

	Polycarbonate	PPE đã sửa đổi
Trọng lượng riêng / giảm trọng lượng	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
Hấp thụ nước thấp	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
Kháng thủy phân	＋＋＋	＋＋＋＋＋
Chống cháy	+++++ (tùy theo cấp lớp)
Đặc tính đúc	+++++ (tùy theo cấp lớp)
Tính chất điện	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
Khả năng chịu nhiệt	+++++ (tùy theo cấp lớp)
Tính chất quang học	Minh bạch	Không minh bạch
Sự đổi màu/sự đổi màu	Có thể được tô màu	Có thể bị phai màu nhưng có thể xảy ra hiện tượng đổi màu vàng
Chống va đập	＋＋＋＋＋	＋＋＋
Kháng axit/kiềm	＋＋＋	＋＋＋＋＋
Khả năng kháng dung môi hữu cơ	＋＋	＋＋

Bảng: Tính chất của nhựa polycarbonate và nhựa PPE biến tính

Ứng dụng của polycarbonate

Vì polycarbonate trong suốt và có thể tạo màu nên chúng được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận quang học và các bộ phận ảnh hưởng đến hình thức bên ngoài của sản phẩm. Polycarbonate đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi cả độ trong suốt và khả năng chống va đập cao, đồng thời thường được sử dụng cho các bộ phận ô tô và bộ phận quang học yêu cầu khả năng chịu nhiệt cao.

Ứng dụng của nhựa PPE biến tính

Nhựa PPE biến tính được sử dụng trong nhiều ứng dụng khai thác các đặc tính có lợi của chúng, bao gồm trọng lượng riêng thấp (hữu ích để giảm trọng lượng), khả năng chống thủy phân, kháng hóa chất, tính chất điện tốt và độ chính xác kích thước cao. Ví dụ về các ứng dụng như vậy bao gồm các thành phần ngoại vi của hệ thống pin lithium-ion, đầu nối cho máy phát điện năng lượng mặt trời, các sản phẩm cần thiết cho hệ thống liên lạc 5G và các ứng dụng khác — mặc dù có lẽ không thấy rõ trong cuộc sống hàng ngày — nhưng vẫn có mặt khắp nơi trong thế giới hiện đại.

→ Nhấp vào đây để biết tổng quan về dòng nhựa PPE biến tính XYRON™ của Asahi Kasei

→ Nhấp vào đây để xem các ứng dụng mẫu và đề xuất sử dụng của dòng nhựa PPE biến tính XYRON™ của Asahi Kasei

6．Phương pháp xử lý

Bởi vì polycarbonate thường được sử dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao và độ biến dạng hình dạng thấp, nên các phương pháp hỗ trợ dòng vật liệu vào khuôn để ép phun- và các kỹ thuật cải thiện tính chất chuyển của bề mặt của vật đúc - là trọng tâm của những nỗ lực phát triển không ngừng . Một ví dụ là kỹ thuật ép phun nén được phát triển cho đĩa quang; theo phương pháp này, khoang được mở rộng trong quá trình đổ vật liệu để cho phép nhựa nóng chảy chảy dễ dàng hơn, sau đó được khôi phục về độ dày ban đầu để đảm bảo truyền bề mặt có độ chính xác cao. Một ví dụ khác là sự phát triển các phương pháp xử lý làm cứng bề mặt cho các bộ phận ô tô đòi hỏi khả năng chống chịu mài mòn cao.

7．Những cân nhắc thực tế liên quan đến việc sử dụng polycarbonate

Độ nhớt nóng chảy cao của nhựa polycarbonate đòi hỏi một số quy định đặc biệt nhất định đối với khuôn và quy trình đúc, nếu không có các quy định đó thì sản phẩm đúc có thể có khuyết tật, biến dạng hình dạng hoặc vết nứt.

Khả năng kháng hóa chất của polycarbonate, mặc dù tương đối cao trong số các vật liệu trong suốt, nhưng cuối cùng bị hạn chế bởi cấu trúc phi tinh thể và liên kết cacbonat của chúng, do đó đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận các điều kiện đúc để giảm thiểu biến dạng hình dạng. Người ta cũng phải cẩn thận để tránh sự bám dính của chất bôi trơn máy trong các giai đoạn xử lý và lựa chọn các chất tháo khuôn đảm bảo tác động còn sót lại ở mức tối thiểu. Tương tự, khi sử dụng các sản phẩm polycarbonate đúc khuôn, người ta phải cẩn thận chỉ chọn loại xịt và sản phẩm làm sạch để tránh những tác dụng phụ không mong muốn.

8．Polycarbonate và sự bền vững môi trường

Như đã thảo luận trong Phần 2, Sản xuất polycarbonate, Asahi Kasei đã phát triển một quy trình không phosgene thực tế để sản xuất polycarbonate sử dụng CO ₂ và EO làm thành phần. Quy trình này, không sử dụng khí phosgene cực độc hoặc chất gây ung thư nghi ngờ là methylene chloride, được thiết kế để ưu tiên tính an toàn và công nghệ của nó đã được cấp phép cho các nhà sản xuất PC trên toàn thế giới.

Asahi Kasei cũng cung cấp các loại polycarbonate dựa trên phương pháp cân bằng khối lượng để tương thích sinh khối. Mặc dù BPA, một thành phần dùng để sản xuất polycarbonate, được sản xuất từ phenol, nhưng các phương pháp này sử dụng các chất có nguồn gốc từ thành phần sinh khối cho phenol này.

Phương pháp chính để tái chế polycarbonate là tái chế vật liệu, trong đó vật liệu nhựa đã qua sử dụng được nghiền thành dạng bột, nấu chảy và đúc lại. Cách tiếp cận này đặc biệt hữu ích cho các hạng mục như đĩa quang đã qua sử dụng, có xu hướng có chất lượng cao và tương đối dễ tổng hợp với số lượng lớn.

Cột: Hiện tượng nóng chảy trong nhựa kết tinh và không kết tinh

Khi một vật liệu nhựa không kết tinh bị tan chảy bằng cách nung nóng trên một nhiệt độ nhất định, các phân tử lân cận bên trong nhựa sẽ tự do di chuyển khắp vật liệu. Nhiệt độ tại đó điều này xảy ra được gọi là nhiệt độ chuyển thủy tinh và được ký hiệu là Tg; ở nhiệt độ trên Tg, vật liệu bắt đầu thể hiện tính lưu loát. Nhiệt độ chuyển thủy tinh của polycarbonate là Tg ~ 150 ° C.

Sự tan chảy của nhựa tinh thể phức tạp hơn một chút. Nhìn lướt qua cấu trúc hiển vi của nhựa tinh thể cho thấy sự hiện diện của các vùng không kết tinh cùng tồn tại với các vùng kết tinh; ở nhiệt độ cao hơn, các phân tử ở vùng không kết tinh là những phân tử đầu tiên bắt đầu chuyển động—trong khi các vùng kết tinh, trong đó các phân tử bị liên kết bởi lực liên phân tử mạnh và không thể di chuyển, tiếp tục tồn tại ở trạng thái rắn. Khi nhiệt độ tăng hơn nữa, các phân tử trong vùng tinh thể cũng bắt đầu chuyển động tự do và vật liệu bắt đầu thể hiện tính lưu động. Nhiệt độ tại đó các phân tử ở vùng không kết tinh bắt đầu chuyển động tự do được gọi là nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) - thuật ngữ tương tự được sử dụng cho nhựa không kết tinh. Ngược lại, nhiệt độ tại đó các phân tử trong vùng tinh thể bắt đầu chuyển động tự do được gọi là điểm nóng chảy và ký hiệu là Tm.

Nhựa kết tinh ở nhiệt độ dưới Tg được cho là tồn tại ở trạng thái thủy tinh, trong khi giữa Tg và Tm người ta nói đến trạng thái cao su. Mặc dù cả nhựa thủy tinh và nhựa cao su đều là chất rắn, nhưng tính chất của chúng khác nhau đáng kể: hành vi phân tử ở trạng thái trước gợi nhớ đến các tính chất quen thuộc của thủy tinh trong cuộc sống hàng ngày, trong khi hành vi ở trạng thái sau gợi nhớ đến hành vi của cao su, do đó giải thích sự lựa chọn. của thuật ngữ. Không cần phải nói, đối với nhựa không kết tinh không có trạng thái tương tự như cao su. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và trạng thái dẻo được mô tả bằng đồ họa trong Hình 7.

(Viết bởi Isao Sato, Văn phòng Kỹ thuật Isao Sato)

Cung cấp tất cả các tin tức về ngành nhựa kỹ thuật cùng một lúc! Giới thiệu “Nhựa kỹ thuật Chuyên đề Nhựa”

Asahi Kasei cam kết cung cấp một loạt các sản phẩm nhựa kỹ thuật đầy đủ—và khai thác chuyên môn công nghệ độc đáo của chúng tôi để cải thiện hiệu suất sản phẩm. Vui lòng liên hệ với chúng tôi để đặt bất kỳ câu hỏi nào, thảo luận về bất kỳ mối quan tâm nào và yêu cầu mẫu.