Поликарбонатвключает в себя семейство термопластичных полимеров, отличающихся карбонатными функциональными группами (-O-(C=O)-O-) в их химической основе -структурное расположение, которое придает материалу характерное сочетание оптической прозрачности, стабильности размеров и механической прочности. Классификация типов поликарбонатов основывается в первую очередь на трех переменных: распределении молекулярной массы, включении сомономеров или смешиваемых полимеров, а также пакете добавок, используемых при составлении рецептуры. Каждый вариант обеспечивает различные технологические характеристики и свойства конечного-использования, при этом коммерчески доступные сорта в настоящее время насчитывают тысячи в глобальных базах данных смол, таких как MatWeb, который каталогизирует более 6100 различных рецептур поликарбоната.
Ясные вещи, которые знает каждый
Поликарбонат общего-назначения-ненаполненная оптически прозрачная версия-составляет большую часть того, с чем люди сталкиваются ежедневно. Чехлы для телефонов, защитные очки, кувшины для воды. Светопропускание колеблется в пределах 88-90%, что сопоставимо с оптическим стеклом. Показатель преломления примерно 1,58-1,59.
Но «общее назначение» скрывает значительные различия. Молекулярный вес здесь имеет огромное значение. Низкомолекулярные сорта во время литья под давлением текут, как вода, и это звучит великолепно, пока вы не поймете, что ударная вязкость падает с обрыва. Высокомолекулярные версии? Прочный как гвоздь, но кошмар при обработке-высокой вязкости расплава, длительности цикла, износа оборудования. Производители указывают-среднюю молекулярную массу от 20 000 до более 70 000 в зависимости от того, должен ли конечный продукт выдерживать многократные падения или ему просто нужно красиво выглядеть за стеклом.
Оптические классы для таких вещей, как линзы автомобильных фар и световоды, требуют контролируемого двойного лучепреломления, вызванного -напряжением-оптическим искажением, из-за которого все выглядит странно, если смотреть через поляризованные солнцезащитные очки. Производители автомобильного оборудования не терпят этого конкретного дефекта.
Версии со стеклянным-наполнителем
Добавьте к поликарбонату 10-40% стекловолокна, и индивидуальность полностью изменится.
Плюсы: резко возрастает жесткость, снижается тепловое расширение, повышается сопротивление ползучести примерно на 28 МПа при повышенных температурах. Стабильность размеров становится тем, на что действительно можно положиться при изготовлении прецизионных компонентов. Коэффициент теплового расширения приближается к металлу, что важно при креплении пластиковых деталей к алюминиевым рамам.
Плохое: попрощайтесь с прозрачностью. Ударопрочность-а именно поэтому большинство людей выбирают поликарбонат в первую очередь-терпит удар. Волокна создают концентрации напряжений. Вы обмениваете один набор недвижимости на другой.
Эти марки напрямую конкурируют с литым под давлением алюминием-в некоторых отраслях промышленности. Более легкий,-стойкий к коррозии и более дешевый инструмент. Процент загрузки стекла становится балансирующим действием: 20% дают небольшой прирост жесткости при сохранении приличной прочности, 40% превращают материал в нечто почти металлическое по своим свойствам, но все более хрупкое.
Стеклянный-компьютер разрушает инструменты. Абразивные волокна разъедают шнеки, цилиндры, поверхности пресс-форм. Любой, кто предлагает работу со стаканом-заполненным стаканом, лучше учитывает время простоя при обслуживании и циклы замены оборудования, иначе он потеряет деньги. Усвоил это на собственном горьком опыте.
Смеси ПК/АБС
Наиболее коммерчески успешная производная поликарбоната вовсе не является чистым поликарбонатом.
Смеси ПК и АБС-обычно содержат 60-90 % поликарбоната, легированного акрилонитрилбутадиенстиролом-сочетают термостойкость и прочность ПК с технологичностью и низкотемпературной пластичностью АБС. Полученный материал течет лучше, чем обычный поликарбонат, обрабатывается при более низких температурах и стоит дешевле. К 2022 году мировой спрос превысит 4,5 миллиона метрических тонн.
Осмотрите свой офис. Корпус для ноутбука? Почти наверняка PC/ABS. Лицевые панели мониторов, корпуса принтеров, корпуса клавиатур. Автомобильные интерьеры-приборные панели, центральные консоли, элементы внутренней отделки. Этот материал преобладает везде, где вам нужна приличная термостойкость (около 110 градусов), хорошие ударные характеристики и поверхности, которые выглядят презентабельно после окраски или текстурирования.
Пропорция смеси определяет все. Большее содержание поликарбоната повышает термостойкость, но увеличивает стоимость материала и сложность обработки. Большее количество ABS улучшает характеристики текучести и снижает цены, но жертвует тепловыми характеристиками. Инженеры тратят много времени на оптимизацию этих соотношений для конкретных применений, настройку пакетов присадок, проверку стабильности цвета и внешнего вида поверхности.
Одна вещь, которая застает людей врасплох: ПК/АБС общеизвестно чувствительны к гидролизу. Предварительная-сушка при температуре 80-110 градусов в течение 3–4 часов не является обязательной, а обязательной. Если пропустить это, материал в стволе разложится, молекулярная масса упадет, механические свойства покроются кратерами. Я видел, как отклонялись целые производственные партии, потому что кто-то решил ускорить этап сушки.
Огнестойкие марки
Рейтинги UL 94 имеют огромное значение на некоторых рынках.
Стандарт варьируется от HB (горизонтальный ожог, минимальное сопротивление) до V-2, V-1, V-0 и до 5VA (самый строгий). Поликарбонат общего назначения обычно без модификаций достигает уровня V-2 или HB. Такие приложения, как электрические шкафы, оборудование центров обработки данных и транспортные компоненты, часто требуют версии V-0 или выше.
Для достижения этой цели требуются добавки,-исторически галогенированные соединения, такие как тетрабромбисфенол А, сополимеризованные в основную цепь, а в последнее время системы на основе фосфора-или другие-не содержащие галогенов системы в качестве регуляторов нормативного давления. Огнезащитный пакет влияет на все: оптическую прозрачность (обычно ухудшается), ударную вязкость (иногда снижается), стабильность цвета (часто ухудшается), окно обработки (уже).
На этом рынке доминируют такие торговые марки, как Makrolon FR и LEXAN 9604. Процесс сертификации включает в себя не только прохождение испытания на сжигание, но и поддержание этого рейтинга для всех производственных партий, вариантов цвета и толщины. Материал, имеющий значение V-0 при толщине 3 мм, может достигать значения V-2 только при толщине 1,5 мм, и заказчик, указывающий детали с тонкими стенками, не заботится о ваших более толстых квалификационных данных.
Сложные отношения индустрии очков с ПК
Линзы из поликарбоната с показателем преломления 1,59 представляют собой интересный пример.
Ударопрочность поистине исключительна.-В 10 раз выше, чем у стандартного пластика CR-39, подходит для детских очков, защитных очков, спортивных товаров, где что-то может ударить вас по лицу на скорости. Встроенная защита от ультрафиолета без покрытий. Этот материал практически вытеснил стекло с рынков детских очков.
Но.
Оптическая прозрачность? Посредственный. Значение Аббе-мера хроматической аберрации, насколько линза рассеивает белый свет в радужные полосы-, составляет около 30. Это худший показатель для любого обычного материала линз. Люди замечают цветную окантовку, особенно периферийным зрением. Пластмассы с более высоким-индексом (1,60–1,74) имеют значения Аббе 32–42, что означает меньшую деформацию, несмотря на то, что они тоньше.
Устойчивость к царапинам действительно плохая. Поликарбонат мягкий. Каждая линза требует твердого покрытия, что увеличивает стоимость и увеличивает потенциальные точки отказа.
Промышленность в основном перешла на Trivex для приложений премиум-класса.-Похожая ударопрочность, показатель Аббе 43, лучшая стойкость к царапинам в стандартной комплектации. Поликарбонат остается рабочей лошадкой для бюджетных и детских очков, где устойчивость к разрушению превосходит оптическое совершенство.
Многостенный лист: совсем другое животное
Двойные-панели из поликарбоната и многостенные панели из поликарбоната заслуживают отдельного рассмотрения, поскольку они решают совершенно другие задачи, чем детали,-отлитые под давлением.
Представьте себе два (или три, или пять) тонких слоев поликарбоната, соединенных перпендикулярными ребрами, образующими воздушные каналы, проходящие по всей длине листа. Воздушные карманы обеспечивают теплоизоляцию со значениями -R-от 1,6 для двойной стенки толщиной 6 мм-до 2.5+ для конфигураций толщиной 16 мм. Сравните это с одинарным-стеклом при цене около R-1.
В теплицах это любят. Светопропускание 74-80 % в зависимости от толщины и количества стенок. Блокировка УФ-излучения защищает растения от ожогов, пропуская при этом волны, способствующие росту. Ударопрочность означает, что град не разрушит вашу конструкцию. Вес квадратного фута составляет долю стекла.
Панели от ураганов, изготовленные из толстого многостенного поликарбоната, имеют сертификат округа Майами-Дейд на защиту от штормов. Прозрачный, поэтому вы не живете в бункере. Достаточно легкий, поэтому установка не требует специального оборудования.
Недостаток? Пыль и мусор могут с течением времени мигрировать в каналы, если герметизация краев не удастся. Рост водорослей внутри канавок выглядит ужасно. Материал по-прежнему желтеет под воздействием ультрафиолета, несмотря на стабилизаторы, но медленнее, чем твердый лист.
Медицинские и пищевые-Контактные классы
BPA-бисфенол А, мономер, используемый для синтеза стандартного поликарбоната,-по-прежнему вызывает споры относительно применения,-применяющегося в контакте с пищевыми продуктами.
FDA по-прежнему считает его безопасным при текущих уровнях воздействия. Научный комитет Европейской комиссии с этим согласен. Но давление потребителей привело к разработке альтернатив,-не содержащих BPA, и регулирующие органы в различных странах ограничили его использование в детских бутылочках.
Варианты включают поликарбонаты, синтезированные из альтернативных бисфенолов, таких как тетраметилциклобутандиол, или совершенно других семейств полимеров, таких как сополиэфир тритана компании Eastman. Поликарбонаты медицинского-класса требуют не только учета BPA, но и устойчивости к гамма-излучению (для стерилизации), испытаний на биосовместимость и наличия документации, которая заставила бы плакать специалиста по нормативным вопросам.
Ирония заключается в том, что для промышленного применения-защитные устройства машин, электрические корпуса, автомобильные компоненты-BPA совершенно не имеют значения. Никто не ест их щит.
Высокие-классы тепла
Стандартный поликарбонат бисфенола А имеет температуру стеклования около 147 градусов. Для применений, требующих стабильной работы при повышенных температурах,-автомобильное освещение, подвергающееся воздействию тепла двигателя, электрические компоненты рядом с источниками тепла-этого запаса может быть недостаточно.
Сополимеры, содержащие триметилциклогексанон-бисфенол (TMC), увеличивают температуру стеклования до 238 градусов. Коммерческие сорта, такие как Apec HT от Covestro, имеют температуру размягчения по Вика от 158 до 205 градусов в зависимости от содержания ТМС. Материал остается аморфным, сохраняет около 90% светопропускания при толщине 1 мм, остается прочным-хотя ударная вязкость с надрезом несколько снижается по сравнению со стандартными марками.
Они требуют премиальной цены. Вы не указываете высокие-степени нагрева, если тепловые характеристики действительно не важны для вашего применения, поскольку вы заплатите в 2–3 раза больше стоимости материала по сравнению с универсальным.
Вопрос о покрытиях
Почти каждое ограничение поликарбоната породило решение для покрытия.
Устойчивость к царапинам? Твердые покрытия на основе силикона-или алмаза-подобного углерода (DLC) достигают твердости по карандашной шкале 2H-4H, приближаясь к стеклу. УФ деградация? Стабилизированные соэкструдированные слои или нанесенные покрытия продлевают срок службы на открытом воздухе с 2 до 10-15 лет. Химическая стойкость? Специальные покрытия устойчивы к воздействию растворителей, которые могут разъедать незащищенный компьютер.
Подвох: каждое покрытие увеличивает стоимость, дополнительные этапы обработки и приводит к потенциальным отказам. Нарушения адгезии. Покрытие потрескалось. Несоответствие температурного расширения подложки и покрытия приводит к расслоению. Изделие с покрытием становится системой, требующей квалификации в целом, а не только основного материала.
Для очков твердое покрытие практически универсально. Что касается промышленного остекления, как продукты с покрытием, так и продукты без покрытия имеют рынки сбыта в зависимости от того, допускает ли применение маркировку поверхности.
Оценки фильмов
Тонкие поликарбонатные пленки-толщиной от 250 до 500 мкм подходят для самых разных применений: от электроизоляции до печатных накладок.
Варианты высокой четкости используются в окнах дисплеев, мембранных переключателях, графических накладках, где оптическое качество имеет значение. Матовые-версии с отделкой уменьшают блики на электронных интерфейсах. Огнестойкие пленки, такие как Makrofol FR, соответствуют требованиям UL94 V-0, сохраняя при этом возможность печати и формовки.
Рынок электроизоляции особенно ценит диэлектрическую прочность поликарбонатной пленки, низкое поглощение влаги и стабильность размеров при циклическом изменении температуры. До того, как в 2000 году компания Bayer прекратила производство пленок для конденсаторов-, поликарбонатные конденсаторы отличались-высокой стабильностью и отличными частотными характеристиками. С тех пор этот рынок перешел на другие диэлектрики.
К чему все это ведет
Скоро появятся поликарбонаты на био-основе, в которых будет использоваться изосорбид вместо BPA. Производственные мощности по всему миру превышают 6 миллионов метрических тонн в год и продолжают расти. Азия,-особенно Китай-доминирует как в производстве, так и в потреблении.
Переход на электромобили создает существенный новый спрос: легкие корпуса аккумуляторов, светодиодное освещение, прозрачные компоненты, снижение веса которых увеличивает запас хода. Каждый килограмм имеет значение, когда вы пытаетесь проехать больше миль от аккумуляторной батареи.
Исследования нанокомпозитов направлены на повышение устойчивости к царапинам без ущерба для прозрачности-эта цель "почти достигнута" вот уже десять лет. Системы самовосстанавливающихся покрытий существуют в лабораторных условиях, но еще не достигли коммерческого масштаба.
Переработка остается проблематичной. Поликарбонат технически термопластичен и теоретически пригоден для вторичной переработки, но термическое разложение во время переработки приводит к снижению молекулярной массы и свойств. Химическая переработка обратно в мономеры в принципе работает, но не достигла экономической целесообразности. Большая часть поликарбоната, использованного-потребителем, в настоящее время выбрасывается на свалки или в мусоросжигательные заводы, несмотря на символ переработки внизу.
Фундаментальная реальность не изменилась с тех пор, как Герман Шнелл и Дэниел Фокс независимо друг от друга синтезировали этот материал в 1950-х годах: когда вам нужен материал, который является прозрачным, прочным и обрабатываемым обычными термопластическими методами, поликарбонат остается ответом по умолчанию. Конкретная оценка-из тысяч доступных-зависит от того, какая комбинация свойств наиболее важна для вашего приложения, какие ограничения вы можете терпеть и сколько вы готовы платить за поэтапные улучшения.