聚碳酸酯在现代塑料工业的应用及研究进展

窦立岩，汪丽梅

(吉林建筑大学，吉林 长春 130018)

在五大通用工程塑料中，PC(聚碳酸酯)是唯一具有良好透明性的产品。利用这一优点，PC成功应用于很多领域，其中包括电子电器、医疗用品、建筑节能、汽车部件等诸多正飞速发展的行业。聚碳酸酯生产工艺比较复杂，在全球只有少数几个大公司具备生产能力[1]，国内的生产厂家都是外资或合资公司，随着北美和西欧地区在建筑和汽车行业方面需求的增加，亚洲地区尤其是中国正加大PC生产投资规模，2019年将超过120万t产能。

1 PC应用前景的优劣势分析

目前PC的生产工艺主要有酯交换法和光气法两种，前者由于需要馏出高沸点苯酚而难以达到高分子量。后者在反应过程中使用了光气这种剧毒原料，对于技术和安全环节提出了极高要求，如果加上苯酚本身也具有毒性这点，PC生产的准入门槛使其具有一定的垄断性。

1.1 优势

PC是一种综合性能优良的工程塑料，具备较高的强度、延展性和韧性，具有出色的抗冲击强度，同时电性能优良，透光性好，透光率可超过90%。另外其阻燃性方面的研究也相当成熟，许多合金材料都选择PC作为改性物之一。PC用作板材隔热性能是普通玻璃的1.25倍，抗冲击强度是玻璃的250倍，而密度却只有玻璃的一半，因此在建筑行业具有巨大的应用潜力。另外PC易于模具加工，可替代目前某些汽车零件以达到减重节能的目的，尤其是我国的汽车行业在PC的使用方面仅占总用量的5%，与国外20%的比例相比，有很大的发展空间。在电子电器行业，PC的高抗冲性，高热变形温度，绝缘性，耐火性以及尺寸稳定性的综合优良性能，使其用量始终保持强劲增长。鉴于每年国内都要进口几十亿的PC满足需求，市场前景非常乐观。

1.2 劣势

PC的用途虽然广泛，但竞争者众多，成本居高不下，在很多应用领域可以被替代。譬如对温度和抗冲击强度要求不高的电冰箱保鲜室和保护层，可以使用低成本的丙烯腈树脂(SAN)。在一次性使用容器方面，透明PP，PET，PVC更具竞争力。在食品用具领域，本可以用作水瓶和婴儿奶瓶的PC产品由于被认为含有双酚A而在某些国家(如欧盟、加拿大、美国)受到限制。PC产品正被迫向更好、更优、更高端领域迈进，对于其新产品开发能力及应用领域探索提出了更高更广泛的要求。

2 PC主要应用领域

2.1 电子电器

PC在较宽的温、湿度范围内具有良好的绝缘性和强度，广泛用作计算机及各种商用电器的外壳、盖子和结构部件。可制作绝缘套管、线圈框架、电动工具壳体、电冰箱冷冻抽屉、真空吸尘器零件等，也可用于制造尺寸精度很高的零件，如计算机、录像机、电视机以及交换器、继电器等通信器材中的重要部件，由于其出色的光学透明性、光散射性及尺寸稳定性，在42寸以上大屏幕LCD扩散板中获得应用。PC/ABS合金不仅降低了成本，而且具有更好的加工性及抗紫外性能，可以用来生产注塑笔记本电脑及膝上电脑的薄壁部分。

2.2 建筑材料

长久以来，玻璃是现代生活的主要采光材料，但用于大面积建筑物屋顶要求“轻质高强”，PC本身的高强度，低密度弥补了玻璃自重大，易碎特点，结合其安全性高，安装简便，可设计性强等优势，从而在当代建筑领域占据了一席之地。当然，仅靠材料本身的性质优势还不足以完成一项宏大的建筑，正如水泥仍需钢筋增强一样，PC作为建筑材料加入了很多设计。随着PC板材生产工艺和生产技术的提升，PC中空板作为一种新型材料在建筑物屋面[2]、面墙及幕墙方面注入了许多新的建筑元素。这种板材又称“阳光板”，可透过多数可见光，却能阻挡大部分红外线和紫外线，自然光通过该板材后在室内形成柔和的漫反射而不致炫目，因此在工业厂房，体育馆，展览馆，航空港等大空间大进深建筑中大量采用。此外，PC板材由于出色的节能效果而被看作是一种绿色建筑材料，李峥嵘等利用EnergyPlus软件模拟了上海某建筑的全年能耗，计算其能耗量及费用，结论是与双层玻璃窗相比，PC多层板窗的年费用节省在6.2～36.6元/m2。

2.3 汽车行业

传统的车窗和天窗玻璃正在被更轻的PC材料替代，低密度仅仅是发生这一变化的原因之一，塑料的优良加工性能可以使汽车开发设计人员不断创新，将高度弯曲的PC板与汽车车身结合起来，提高空气动力效率，菲亚特500L的车窗展示了PC材料在该领域的强大竞争力。PC天窗的发展潜力巨大，中国生产的汽车每 3辆就有 1 辆会配置天窗或全景天窗[3]。高耐热聚碳酸酯在生产聚光镜和反射镜部件时可直接进行真空喷镀金属。在照明系统中，PC可以用于生产形状复杂的前灯、尾灯和转向灯，提高耐冲击性，由于采用聚碳酸酯，前车灯罩质量较无机玻璃减少了 0.5～1.4 kg。PC合金由于具有高机械性能和良好的外观，在汽车上主要用于外装件和内饰件，如PC/ABS合金具有优异的耐热性、耐冲击性和刚性，良好的加工流动性和涂饰性，是制造汽车仪表板的理想材料，由其制成的仪表板无需进行表面预处理，可以直接喷涂软质面漆或覆涂PVC膜。

2.4 医疗器械

典型的医疗应用领域包括高压注射器、一次性牙科工具、外科手术面罩、血氧合器、血液收集器、血液分离装置、外科手术装置、肾透析设备、静脉组件和医用离心机等。能承受高能辐射及高温消毒而不损失物理性能和变黄以及提高耐化学品性防止开裂是PC在该领域扩大应用的关键问题。Bayer 公司先后推出了多种医用新品，包括 Markrolon2258，Makrolon Rx2435 和Makrolon Rx2440。其中Makrolon Rx2440是一种新型透明高流动性医疗级 PC 材料，具有适宜生物相容性，当其经γ 射线或电子束辐射或环氧乙烷蒸气灭菌时，颜色恢复时间比一般PC快，能够用于多种医药设备方面，例如静脉注射、呼吸道、外科手术、肾脏治疗和其他方面。科思近日发布了MakrolonRx3440产品，该材料能耐肿瘤治疗和清洁剂中的溶剂。这款医用聚碳酸酯产品所具备的耐久性和耐化学性有助预防开裂，让医疗专业人员能更安全地为肿瘤患者注入药物。此外，Styron 公司推出了 Emerge PC/PET9100CR 合金产品，能够满足极端条件下的耐化学性能，不出现塑料表面分解、裂纹、破裂等现象。

2.5 其他

PC还可用于薄膜、光学透镜及包装领域。薄膜最薄达0.03 mm厚，无臭、无毒、高度透明的无色或微黄色，功能很多，有阻燃级、印刷级、防刮花、防静电之分，可用于电力系统绝缘，特种印刷，手机等电子产品的视窗镜片。光学级 PC 可用来制作高级摄象机、照相机、显微镜、望远镜的光学镜片、眼镜镜片，具有优异的抗冲击性。包装方面主要用于大容量可重复使用的水瓶及食品用具。

3 最新研究进展

从现有文献来看，PC领域研究热点主要包括阻燃剂的开发及复合型材料的研制。一方面，电子电气领域要求PC材料在更薄的情况下能够稳定阻燃。而在更高端的领域如传感器、太阳能电池、触摸屏、显示器及智能窗等，PC作为基体材料也显示了一定的应用前景。

3.1 阻燃剂

PC阻燃剂的种类众多，早期有磺酸盐系阻燃剂、有机磷系阻燃剂、溴系阻燃剂、有机硅系阻燃剂、无机阻燃剂等，各有优缺点。目前市场产品的趋势是无卤化，而且以磺酸盐系阻燃剂居多，主要是因其具有较高的热变形温度和相对温度指数值，但改性PC 材料的阻燃等级普遍为UL 94 V-0(1.0～1.5 mm)级。随着社会的发展，人们要求电子设备不仅具有实用性和安全性，也强调美观性。因此，薄壁化和良好的外观是未来的发展趋势，这就需要无卤阻燃PC能够达到更高的阻燃级别，同时具有良好的力学性能、光泽度、热性能及加工性能。

开发新型的阻燃剂或采用阻燃剂复配的方式来满足材料各项综合性能的需求是当下各大企业及研究机构始终致力的方向。上海金发科技发展有限公司的张永[4]等采用美国 FRX Polymers公司开发的聚磷酸酯均聚物HM1100作为PC阻燃剂，使阻燃级别达到1.0 mm的V-0级，与双酚 A双二苯基磷酸酯 (BDP)相比，大负荷下 (1.82 MPa)的热变形温度会大幅提升，最高可达123℃，且表现出相对 BDP更高的耐水解性。

3.2 复合型PC材料

PC本身具有优异的力学和光学性能，是理想的基体材料。目前的研究包括：对PC本身进行改性，以增强其与其他材料的复合能力；添加炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等赋予其导电性能；作为薄膜基体材料与其他薄膜材料复合。沙特基础工业公司(SABIC)是全球顶尖的石化企业，在热塑性塑料方面有很强的研发能力，该公司开发了一种新型聚碳酸酯树脂，主链中具有特殊基团，可直接与碳纤维复合，无需采用常规的硅烷偶联剂改性碳纤维后再与之结合的过程，具有一定创新性。郑州大学周冰[5]以聚碳酸酯(PC)为基体，多壁碳纳米管(MWNTs)、单壁碳纳米管(SWNTs)为导电粒子，通过自主设计的卷对卷(R2R)喷涂装置，连续制备出 SWNTs/MWNTs/PC 透明导电薄膜，结果表明其具有良好的柔韧性，通断电可循环调控透光性和颜色，对柔性智能窗的开发具有重要参考价值。

4 结论

人类正处在新材料时代，材料的发展和利用是每一个材料科学家都在关注和思考的问题。PC塑料以其优异的力学、光学和热学性能格外引人注目，尤其是在高端的应用如电子产品，汽车部件、医疗设备及现代建筑方面的工艺和技术日臻成熟，为其日后的发展提供了强有力的支撑。在经济全球化的带动下，人们对物质需求的不断提高必定会推动PC这种内在和外在都具备竞争力的产品的持续发展。