Поликарбонат: характеристики, свойства и применение

Прозрачный как стекло, твердый как металл и легкий как плексиглас – все это поликарбонат – одно из самых выдающихся достижений современного органического синтеза.

Поликарбонат (рус. аббр. ПК или анг. PC) – это термопластичный полимер, который не имеет аналогов среди современных полимеров. Он отличается превосходными параметрами светопроницаемости, ударопрочности и термостойкости.

Свойства поликарбоната практически не зависят от погодных условий: критически низкие температуры, при которых он может стать хрупким, находятся вне диапазона температур эксплуатации. Его твердость и сопротивление сжатию аналогично алюминию – армированный многослойный монолитный поликарбонат способен выдержать даже выстрел из огнестрельного оружия.

Множество превосходных технико-эксплуатационных характеристик в сочетании с низкой ценой обеспечили этому материалу огромную популярность. Сегодня этот термопластичный полимер используется везде, где необходим прозрачный материал с исключительными механическими свойствами, – от производства солнцезащитных очков до остекления самолетов.

Содержание:

  1. Изобретение поликарбоната
  2. Химические свойства
  3. Механические характеристики, физические свойства
  4. Промышленные поликарбонаты
  5. Сотовый поликарбонат
  6. Монолитный поликарбонат

Изобретение поликарбоната

Этот уникальный термопластичный полимер начал стремительно завоевывать мировой рынок с 1950-х годов. Впервые поликарбонат был синтезирован в 1953 году Германом Шнеллом — специалистом немецкой компании BAYER, затем был запатентован под торговой маркой Makrolon.

Параллельно была разработана технология производства PC на основе бисфенола А фирмой Mobay Chemical Company (материал MERLON) и General Electric (пластики Lexan и Nalgene). Они предложили новую энергосберегающую технологию производства бисфенола А.
Производство PC в промышленных масштабах началось в 60-х годах, а в 70-х мир впервые увидел листовой сотовый ПК. Сегодня он известен под многими торговыми марками: Lexan, Makrolon, Novarex, Sparlux, Star-C, Stat-Kon, Xantar Orgalan, Pantile, Calibre, Durolon, Ekonol, Polycarbafil, Polygard, Royalit и Sinvet.

Химические свойства поликарбоната

PC – группа термопластичных полимеров из группы сложных полиэфиров, которые являются эфирами угольной кислоты. Их получают путем реакции конденсации угольной кислоты с диолами (двухатомными фенолами – фосгеном, бисфенолом А).

Синтез может осуществляться несколькими способами:

  • фосгенированием бисфенолов путем межфазной конденсации в присутствии щелочей;
  • поликонденсацией в расплаве путем нагрева диалкилкарбоната с двухатомным фенолом при 180-300°С;
  • поликонденсацией в растворе с органическим растворителем и третичными органическими основаниями, необходимыми для связывания соляной кислоты.

Термопластичный полимер на основе бисфенола А – аморфное вещество.

Из-за очень плохой кристаллизационной способности полимера чистые продукты из него прозрачны, бесцветны или желтоваты.

ПК совместим со множеством химикатов, при контакте с некоторыми проявляет умеренную стойкость или разрушается.

Химические свойства и использование поликарбоната:

  • PC устойчив к солям и минеральным маслам;
  • умеренная химическая стойкость к слабым кислотам – практически не повреждается при температурах > 60°С;
  • частично растворяются в хлорированных алифатических и ароматических углеводородах, циклогексаноне и диоксане;
  • ПК не устойчив к щелочам, аминам, аммиаку, альдегидам, кетонам, этиловому спирту и др. (быстро разрушается в течение короткого периода времени);
  • PC не устойчив к ароматическим углеводородам, к бензину, керосину, анилину, лакам, растворителям, толуолу, метиленхлориду (им склеивают ПК) и другим соединениям.

Особенности эксплуатации поликарбоната, обусловленные его химическими свойствами:

  • термопласт более восприимчив воздействию химических агентов, когда он находится в напряженном состоянии и/или при деформации;
  • воздействие агрессивных к ПК химических реагентов не всегда приводит к снижению его технико-эксплуатационных характеристик – пластик может частично раствориться, размягчиться или абсорбировать химикат;
  • в случае химического разрушения могут возникнуть трещины под напряжением – видимые и микроскопические, что приводит к помутнению или порче изделия из ПК;
  • нетоксичный и химически инертный материал – PC соответствует требованиям ЕС и FDA для контакта с некоторыми пищевыми продуктами;
  • химическая устойчивость ПК к воде не является постоянной и зависит от давления и температуры (до +60 °С) – при более высоких температурах воды ПК постепенно разрушается;
  • при уходе за пластиком PC следует избегать составов для чистки стекла с аммиаком;
  • следует учитывать, что материал растворим в технических растворителях;
  • перед применением герметиков, силикона и клеев необходима проверка на совместимость с ПК.

Механические характеристики, физические свойства поликарбоната

Это уникальный материал во многих отношениях, как с точки зрения механических, физических, химических, так и теплоизоляционных характеристик, обуславливающих его широкое применение, в числе которых:

  • высокая жесткость, твердость и ударная вязкость (более 20 кДж /м2) во всем диапазоне рабочих температур (до -50°C);
  • легкость – плотность материала 1,20 г/см3;
  • стабильность формы, размеров, физических и механических свойств в рабочем диапазоне от -100°C до +135°C;
  • высокая сопротивляемость ползучести при комнатной температуре;
  • хорошая термическая стабильность – длительное удерживание термопласта в нагретом состоянии (до +153°С) не изменяет его свойств;
  • термостойкость – температура обработки от +280°C до +310°C;
  • светопроницаемость = 90% ± 1%;
  • показатель преломления = 1,585 ± 0,001;
  • низкий коэффициент термического удлинения – напряжение при пределе текучести = 55-65 Мпа;
  • упругость при растяжении = 2300-2400 Мпа;
  • предел прочности при растяжении> 70 Мпа;
  • удлинение на границе текучести = 6-7%;
  • низкий коэффициент водопоглощения = 0,1 ÷ 0,2%.

Технико-эксплуатационные свойства:

  • PC в 250 раз превышает ударопрочность кварцевого стекла и почти в 10 раз – плексигласа;
  • высокая морозостойкость;
  • высокие термоизоляционные параметры;
  • высокая паро- и газопроницаемость;
  • хорошие диэлектрические свойства (высокое удельное сопротивление);
  • термопластичный полимер устойчив к динамическим нагрузкам и к истиранию;
  • чистый PC поглощает ультрафиолетовый спектр излучения – без специальных добавок и защитных пленок пластик не устойчив к ультрафиолету;
  • огнестойкий, трудновоспламеняемый и самозатухающий материал: класс В1 (стандарт DIN 4102) .
  • термопласт PC долговечен – срок его эксплуатации превышает 10 лет;
  • легко обрабатывается;
  • термопластичный полимер устойчив к погодным условиям (в т.ч. и к граду) и биологическому разрушению;
  • гладкая поверхность материала облегчает уход, практически не загрязняется;
  • не царапается, не требует защиты от механических повреждений.

Преимущества термопластичного полимера, такие как долговечность, прочность, надежность и эстетичность, очень ценны для строительной отрасли.

Эти свойства делают его наиболее универсальным материалом, способным сочетать самые высокие оптические и силовые параметры с отличной теплоизоляцией и малым весом.

Промышленные поликарбонаты

Термопласты могут подвергаться обработке с применением следующих технологий:

  1. литье под давлением при 280-320 °С – так получают монолитный поликарбонат;
  2. экструзия из гранул при 240-280°С с холодным и горячим формованием — метод изготовления сотового ПК;
  3. литье из растворов в метиленхлориде – получение пленок из термопластичных полимеров.

Для улучшения параметров прочности, жесткости и стабильности при высоких температурах промышленные поликарбонаты дополнительно армируются стекловолокном, модифицируются свето- и/или термостабилизаторами:

  • Модификации ПК с более высокой текучестью используются для получения продукции с большой площадью.
  • Разновидности PC, усиленные армирующей сеткой из стекловолокна (10-40%), отличаются повышенной жесткостью и стойкостью к образованию трещин.
  • Модификации с присадками из графита, сульфита молибдена или тефлона обеспечивают пластику повышенную гладкость и устойчивость к истиранию.

Сополимеры, полученные из бисфенола TMC (1,1-бидксифенилфенилтриметилциклогексана) – прозрачные пластики с расширенным диапазоном рабочих температур (от +160°С до +205°С ).

Сополимеры с галогенизированными бисфенолами, в частности с тетрабромбисфенолом, характеризуются пониженной воспламеняемостью. Использование бисфенола S для сополимеризации увеличивает ударную вязкость.

Сотовый поликарбонат: свойства и сфера его использования

Ячеистый (многоперегородчатый) термопластичный полимер изготавливается в виде полых панелей различной толщины, цветов и размеров с дополнительными ребрами жесткости. Многокамерное (сотовое) строение обеспечивает повышенные параметры теплоизоляции (U до 1,0 Вт/м2*K в панелях толщиной 40 мм).

Использование его в качестве материала для остекления снижает затраты на отопление помещений.

Сферы применения ячеистого листового термопластика в качестве материала для остекления:

  • веранд, зимних садов, беседок и лоджий;
  • кровельных покрытий промышленных, коммерческих и спортивных объектов,
  • теплиц и бассейнов.

Он широко применяется для изготовления:

  • козырьков, навесов, остановок;
  • рекламных панелей;
  • акустических экранов;
  • перегородок;
  • антивандальных дверей и окон;
  • световых люков и др.

Монолитный поликарбонат: особенности и области применения

Это литой листовой материал (ГОСТ Р 51136) без внутренних пустот, по оптическим свойствам аналогичный кварцевому стеклу.

Панели многослойные из поликарбоната чрезвычайно устойчивы к растрескиванию и механическим повреждениям – он достаточно прочен, чтобы выдерживать большие перепады давления, удары молотком или камнем, что делает его хорошей заменой для стекла.

Литой термопластичный полимер идеально подходит для производства прецизионных деталей для оптической и электротехнической промышленности, а также в строительстве – везде, где требуется прозрачность, тепловое сопротивление и высокая ударопрочность:

  • в автомобильной, аэрокосмической и фотооптической промышленности — для производства деталей машин, роторов для корпусов насосов, вентиляторов, счетчиков, частей телефонов, фотоаппаратов, осветительных устройств на краях крыльев самолетов;
  • в производстве бытовой техники, промышленного и электротехнического оборудования;
  • для остекления элементов зданий, подверженных вандализму, промышленного и остекления жилых домов и сооружений (мансардные окна, зимние сады);
  • изготовления окон в самолетах, медицинского оборудования, шлемов космонавтов и пилотов F1.

Пластик PC имеет несколько маркировок:

  • NR – антибликовое покрытие.
  • PC-HT — высокотермостойкий.
  • AR – повышенная твердость.
  • FR – повышенная огнестойкость.
  • FG – одобрен для контакта с пищевыми продуктами.

Наряду с вышеперечисленными преимуществами выбор поликарбоната также обусловлен и доступной ценой, что делает это решение очень выгодным во всех аспектах.