Polycarbonatebao gồm một họ polyme nhiệt dẻo được phân biệt bằng các nhóm chức cacbonat (−O−(C=O)−O−) trong khung hóa học của chúng-một sự sắp xếp cấu trúc mang lại sự kết hợp đặc trưng của vật liệu gồm độ trong quang học, độ ổn định kích thước và độ bền cơ học. Việc phân loại các loại polycarbonate chủ yếu xuất phát từ ba biến số: sự phân bố trọng lượng phân tử, sự kết hợp của các monome đồng- hoặc polyme pha trộn và các gói phụ gia được sử dụng trong quá trình kết hợp. Mỗi biến thể tạo ra các đặc tính xử lý và đặc tính sử dụng cuối cùng-riêng biệt, với các loại có sẵn trên thị trường hiện lên tới hàng nghìn loại trên cơ sở dữ liệu nhựa toàn cầu như MatWeb, chỉ riêng danh mục này đã có hơn 6.100 công thức polycarbonate riêng biệt.
Những điều rõ ràng mọi người đều biết
-Polycarbonate có mục đích chung-phiên bản trong suốt về mặt quang học, không được lấp đầy-gây ra phần lớn những gì mọi người gặp phải hàng ngày. Vỏ điện thoại, kính bảo hộ, bình đựng nước. Độ truyền ánh sáng dao động khoảng 88-90%, tương đương với kính quang học. Chiết suất khoảng 1,58-1,59.
Nhưng "mục đích chung" che giấu sự khác biệt đáng kể. Trọng lượng phân tử rất quan trọng ở đây. Các loại có trọng lượng phân tử thấp chảy như nước trong quá trình ép phun, điều này nghe có vẻ tuyệt vời cho đến khi bạn nhận ra cường độ va đập giảm xuống từ vách đá. Phiên bản có trọng lượng phân tử cao? Cứng như đinh nhưng lại là cơn ác mộng khi xử lý-độ nhớt nóng chảy cao, thời gian chu trình dài, hao mòn thiết bị. Các nhà sản xuất chỉ định số-trọng lượng phân tử trung bình ở bất kỳ đâu từ 20.000 đến hơn 70.000 tùy thuộc vào việc sản phẩm cuối cùng có cần tồn tại sau khi bị rơi nhiều lần hay chỉ cần trông đẹp đẽ sau tấm kính.
Cấp quang học dành cho những thứ như thấu kính đèn pha ô tô và ống dẫn ánh sáng yêu cầu biến dạng quang học-ứng suất{1}}lưỡng chiết được kiểm soát khiến mọi thứ trông kỳ lạ khi nhìn qua kính râm phân cực. Các OEM ô tô không có chút kiên nhẫn nào đối với khiếm khuyết cụ thể đó.
Kính-Phiên bản có kính
Thêm 10-40% sợi thủy tinh vào polycarbonate và tính cách sẽ thay đổi hoàn toàn.
Ưu điểm: độ cứng tăng đáng kể, độ giãn nở nhiệt giảm, khả năng chống rão cải thiện khoảng 28 MPa ở nhiệt độ cao. Sự ổn định về kích thước trở thành điều mà bạn thực sự có thể tin cậy đối với các bộ phận có độ chính xác cao. Hệ số giãn nở nhiệt gần bằng hệ số giãn nở của kim loại, điều này quan trọng khi bạn bắt vít các bộ phận bằng nhựa vào khung nhôm.
Cái xấu: nụ hôn trong suốt tạm biệt. Độ bền tác động-là toàn bộ lý do khiến hầu hết mọi người chọn polycarbonate ngay từ đầu-đều bị ảnh hưởng. Các sợi tạo ra sự tập trung ứng suất. Bạn đang giao dịch một tập hợp tài sản với một tập hợp tài sản khác.
Các loại này cạnh tranh trực tiếp với nhôm-đúc khuôn trong một số ứng dụng công nghiệp nhất định. Dụng cụ nhẹ hơn,-chống ăn mòn, rẻ hơn. Tỷ lệ phần trăm tải trọng của kính trở thành một tác động cân bằng: 20% mang lại cho bạn độ cứng vừa phải trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai vừa phải, 40% biến vật liệu thành một thứ gần như kim loại nhưng ngày càng giòn.
PC chứa đầy kính-sẽ phá hủy công cụ. Các sợi mài mòn nhai qua ốc vít, thùng, bề mặt khuôn. Bất kỳ ai trích dẫn công việc đổ đầy kính-sẽ tính đến thời gian ngừng hoạt động để bảo trì và chu kỳ thay thế thiết bị, nếu không họ sẽ mất tiền. Đã học được điều đó một cách khó khăn.
Hỗn hợp PC/ABS
Dẫn xuất polycarbonate thành công nhất về mặt thương mại không phải là polycarbonate nguyên chất.
Hỗn hợp PC/ABS-thường là 60-90% polycarbonate được hợp kim với acrylonitrile butadiene styrene-kết hợp khả năng chịu nhiệt và độ bền của PC với khả năng xử lý và độ dẻo ở nhiệt độ thấp của ABS. Vật liệu thu được chảy tốt hơn polycarbonate thẳng, xử lý ở nhiệt độ thấp hơn và chi phí thấp hơn. Nhu cầu toàn cầu vượt quá 4,5 triệu tấn vào năm 2022.
Nhìn xung quanh văn phòng của bạn. Vỏ máy tính xách tay? Gần như chắc chắn là PC/ABS. Viền màn hình, thân máy in, vỏ bàn phím. Nội thất ô tô-tấm đồng hồ, bảng điều khiển trung tâm, các chi tiết trang trí nội thất. Vật liệu này chiếm ưu thế ở bất cứ nơi nào bạn cần khả năng chịu nhiệt tốt (khoảng 110 độ), hiệu suất va đập tốt và bề mặt trông đẹp mắt sau khi sơn hoặc tạo họa tiết.
Tỷ lệ pha trộn quyết định mọi thứ. Hàm lượng polycarbonate nhiều hơn sẽ đẩy khả năng chịu nhiệt cao hơn nhưng làm tăng chi phí vật liệu và khó xử lý. Nhiều ABS hơn sẽ cải thiện đặc tính dòng chảy và giữ giá ở mức thấp nhưng lại hy sinh hiệu suất nhiệt. Các kỹ sư dành thời gian thực tế để tối ưu hóa các tỷ lệ này cho các ứng dụng cụ thể, điều chỉnh các gói phụ gia, chạy DOE về độ ổn định màu sắc và hình thức bề mặt.
Một điều khiến mọi người mất cảnh giác: PC/ABS nổi tiếng là nhạy cảm với quá trình thủy phân. Sấy trước-ở nhiệt độ 80-110 độ trong 3-4 giờ không phải là tùy chọn mà là bắt buộc. Bỏ qua nó và vật liệu sẽ bị phân hủy trong thùng, trọng lượng phân tử giảm xuống, tính chất cơ học bị ảnh hưởng. Tôi đã thấy toàn bộ quá trình sản xuất bị từ chối vì ai đó quyết định đẩy nhanh bước sấy khô.
Lớp chống cháy
Xếp hạng UL 94 có ý nghĩa rất lớn ở một số thị trường nhất định.
Tiêu chuẩn đi từ HB (cháy ngang, điện trở tối thiểu) đến V-2, V-1, V-0 và lên đến 5VA (nghiêm ngặt nhất). Polycarbonate đa năng thường đạt được V-2 hoặc HB mà không cần sửa đổi. Các ứng dụng như vỏ điện, thiết bị trung tâm dữ liệu và các bộ phận vận chuyển thường yêu cầu V-0 hoặc cao hơn.
Để đạt được điều đó cần có các chất phụ gia-các hợp chất halogen hóa trước đây như tetrabromobisphenol A được đồng trùng hợp thành xương sống, gần đây hơn là các hệ thống dựa trên phốt pho-hoặc các hệ thống không chứa halogen-khác làm bộ phận điều chỉnh áp suất. Gói chống cháy ảnh hưởng đến mọi thứ: độ rõ quang học (thường bị suy giảm), độ bền va đập (đôi khi bị giảm), độ ổn định màu sắc (thường bị ảnh hưởng), cửa sổ xử lý (hẹp hơn).
Các tên thương mại như Makrolon FR và LEXAN 9604 thống trị lĩnh vực này. Quá trình chứng nhận không chỉ bao gồm việc vượt qua bài kiểm tra độ cháy mà còn duy trì xếp hạng đó trên tất cả các lô sản xuất, các biến thể màu sắc và thông số kỹ thuật về độ dày. Vật liệu có V-0 ở 3 mm có thể chỉ chạm V-2 ở 1,5 mm-và khách hàng chỉ định các bộ phận có thành mỏng không quan tâm đến dữ liệu chất lượng dày hơn của bạn.
Mối quan hệ phức tạp của ngành kính mắt với PC
Tròng kính Polycarbonate có chỉ số khúc xạ 1,59 là một trường hợp điển hình thú vị.
Khả năng chống va đập thực sự đặc biệt-tốt hơn 10 lần so với nhựa CR-39 tiêu chuẩn, phù hợp với kính mắt trẻ em, kính bảo hộ, các ứng dụng thể thao mà vật gì đó có thể đập vào mặt bạn ở tốc độ cao. Tích hợp ngăn chặn tia cực tím mà không cần lớp phủ. Chất liệu này về cơ bản đã loại bỏ kính khỏi thị trường kính mắt trẻ em.
Nhưng.
Độ rõ quang học? Tầm thường. Giá trị Abbe-thước đo quang sai màu, mức độ phân tán ánh sáng trắng thành các vân cầu vồng của thấu kính-nằm trong khoảng 30. Đó là giá trị tệ nhất so với bất kỳ vật liệu thấu kính thông thường nào. Mọi người nhận thấy viền màu, đặc biệt là ở tầm nhìn ngoại vi. Nhựa có chỉ số-cao hơn (1,60-1,74) mang lại giá trị Abbe là 32-42, nghĩa là ít biến dạng hơn mặc dù mỏng hơn.
Khả năng chống trầy xước thực sự kém. Polycarbonate mềm. Mọi ống kính đều yêu cầu lớp phủ cứng, điều này làm tăng thêm chi phí và các điểm hỏng hóc tiềm ẩn.
Ngành công nghiệp phần lớn đã chuyển sang Trivex cho các ứng dụng cao cấp-có khả năng chống va đập tương tự, giá trị Abbe là 43, khả năng chống trầy xước tốt hơn ngay từ đầu. Polycarbonate vẫn là sản phẩm phù hợp cho kính mắt bình dân và trẻ em, nơi khả năng chống vỡ vượt trội hơn hẳn sự hoàn hảo về mặt quang học.
Tấm nhiều lớp: Một loài động vật hoàn toàn khác
Tấm polycarbonate-tường đôi và tấm polycarbonate nhiều vách cần được xử lý riêng biệt vì chúng giải quyết các vấn đề hoàn toàn khác với các bộ phận được đúc-ép phun.
Hình dung hai (hoặc ba hoặc năm) lớp polycarbonate mỏng được nối với nhau bằng các đường gân vuông góc, tạo ra các kênh không khí chạy dọc theo chiều dài của tấm. Các túi khí cung cấp giá trị cách nhiệt-R-là 1,6 cho tường đôi-6mm đến 2.5+ cho cấu hình 16mm. So sánh điều đó với kính một-ở khoảng R-1.
Nhà kính thích nội dung này. Tỷ lệ truyền ánh sáng 74-80% tùy thuộc vào độ dày và số lượng tường. Ngăn chặn tia cực tím bảo vệ cây khỏi bị cháy đồng thời cho phép các bước sóng thúc đẩy tăng trưởng xuyên qua. Khả năng chống va đập có nghĩa là mưa đá không phá hủy cấu trúc của bạn. Trọng lượng trên mỗi foot vuông là một phần của kính.
Các tấm chắn bão được làm từ polycarbonate dày nhiều lớp có chứng nhận của Quận Miami-Dade về khả năng chống bão. Minh bạch, nên bạn không sống trong hầm trú ẩn. Đủ nhẹ để việc lắp đặt không cần thiết bị chuyên dụng.
Nhược điểm? Bụi và mảnh vụn có thể di chuyển vào các rãnh theo năm tháng nếu việc bịt kín các cạnh không thành công. Tảo phát triển bên trong ống sáo trông thật khủng khiếp. Vật liệu này vẫn chuyển sang màu vàng dưới tia cực tím mặc dù có chất ổn định, chỉ chậm hơn so với tấm đặc.
Y tế và Thực phẩm-Lớp liên hệ
BPA-bisphenol A, monome được sử dụng để tổng hợp polycarbonate tiêu chuẩn-vẫn còn gây tranh cãi đối với các ứng dụng tiếp xúc với thực phẩm-.
FDA vẫn coi nó an toàn ở mức độ phơi nhiễm hiện tại. Ủy ban khoa học của Ủy ban Châu Âu đồng tình. Tuy nhiên, áp lực của người tiêu dùng đã thúc đẩy sự phát triển của các sản phẩm thay thế không chứa BPA-và các cơ quan quản lý ở nhiều quốc gia khác nhau đã hạn chế sử dụng chất này trong bình sữa trẻ em một cách cụ thể.
Các lựa chọn bao gồm polycarbonate được tổng hợp từ bisphenol thay thế như tetramethylcyclobutanediol hoặc các họ polymer hoàn toàn khác như copolyester Tritan của Eastman. Polycarbonate{1}}y tế không chỉ yêu cầu cân nhắc về BPA mà còn cả độ ổn định của bức xạ gamma (để khử trùng), kiểm tra khả năng tương thích sinh học và các hồ sơ tài liệu có thể khiến chuyên gia quản lý phải khóc.
Điều trớ trêu là đối với các ứng dụng công nghiệp,-bộ phận bảo vệ máy, vỏ điện, linh kiện ô tô-BPA hoàn toàn không liên quan. Không ai ăn lá chắn chống bạo động của họ.
Cấp nhiệt-cao
Bisphenol tiêu chuẩn Một tấm polycarbonate có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh khoảng 147 độ. Đối với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất ổn định ở nhiệt độ cao-đèn ô tô tiếp xúc với nhiệt động cơ, các bộ phận điện gần nguồn nhiệt-có thể không đủ biên độ.
Copolyme kết hợp trimethylcyclohexanone bisphenol (TMC) đẩy quá trình chuyển hóa thủy tinh lên tới 238 độ. Các loại thương mại như Apec HT của Covestro cung cấp điểm làm mềm Vicat từ 158 độ đến 205 độ tùy thuộc vào hàm lượng TMC. Vật liệu vẫn ở dạng vô định hình, giữ lại khoảng 90% khả năng truyền ánh sáng ở độ dày 1mm, vẫn bền-mặc dù độ bền va đập có khía giảm đôi chút so với các loại tiêu chuẩn.
Những lệnh này có giá cao. Bạn không chỉ định-cấp nhiệt cao trừ khi hiệu suất nhiệt thực sự quan trọng đối với ứng dụng của bạn vì bạn sẽ phải trả chi phí vật liệu gấp 2-3 lần so với mục đích chung.
Câu hỏi về lớp phủ
Hầu hết mọi hạn chế của polycarbonate đều tạo ra giải pháp phủ.
Chống trầy xước? Lớp phủ cứng bằng silicon-dựa trên kim cương hoặc kim cương-như cacbon (DLC) đạt được độ cứng của bút chì là 2H-4H, gần bằng thủy tinh. Suy thoái tia cực tím? Các lớp đồng đùn ổn định hoặc lớp phủ ứng dụng giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng ngoài trời từ 2 năm lên 10-15 năm. Kháng hóa chất? Lớp phủ đặc biệt chống lại các dung môi có thể tấn công PC trần.
Điểm đáng lưu ý: mỗi lớp phủ đều tăng thêm chi phí, thêm các bước xử lý và đưa ra các chế độ hư hỏng tiềm ẩn. Lỗi bám dính. Lớp phủ điên cuồng. Sự giãn nở nhiệt không phù hợp giữa chất nền và lớp phủ gây ra sự phân tách. Sản phẩm được phủ trở thành một hệ thống đòi hỏi chất lượng tổng thể chứ không chỉ vật liệu cơ bản.
Đối với kính mắt, lớp phủ cứng về cơ bản là phổ biến. Đối với các sản phẩm kính công nghiệp, có tráng và không tráng đều có thị trường tùy thuộc vào việc ứng dụng có thể chịu được việc đánh dấu bề mặt hay không.
Hạng phim
Màng polycarbonate mỏng-có độ dày từ 250µm đến 500µm phục vụ các ứng dụng từ cách điện đến lớp phủ in.
Các biến thể có độ rõ nét cao đi vào cửa sổ hiển thị, công tắc màng, lớp phủ đồ họa nơi chất lượng quang học đóng vai trò quan trọng. Phiên bản hoàn thiện mờ-làm giảm độ chói cho giao diện điện tử. Các loại phim chống cháy như Makrofol FR đạt được UL94 V-0 trong khi vẫn có thể in và tạo hình được.
Thị trường cách điện đặc biệt đánh giá cao độ bền điện môi của màng polycarbonate, khả năng hấp thụ độ ẩm thấp và độ ổn định kích thước trong chu trình nhiệt độ. Trước khi Bayer ngừng sản xuất màng phim cấp tụ điện vào năm 2000, tụ điện polycarbonate có độ ổn định cao, đặc tính tần số tuyệt vời. Thị trường đó đã chuyển sang các chất điện môi khác.
Tất cả điều này đang hướng tới đâu
Polycarbonate dựa trên sinh học-sử dụng isosorbide thay vì BPA sắp ra mắt. Năng lực sản xuất trên toàn cầu vượt quá 6 triệu tấn mỗi năm và đang tăng lên. Châu Á-đặc biệt là Trung Quốc-thống trị cả về sản xuất và tiêu dùng.
Quá trình chuyển đổi xe điện đang tạo ra nhu cầu mới đáng kể: vỏ pin nhẹ, ứng dụng chiếu sáng LED, các bộ phận trong suốt giúp giảm trọng lượng giúp cải thiện phạm vi hoạt động. Mỗi kg đều quan trọng khi bạn đang cố gắng đi được nhiều dặm hơn từ bộ pin.
Nghiên cứu nanocompozit nhằm mục đích cải thiện khả năng chống trầy xước mà không làm mất đi tính minh bạch-một mục tiêu đã "gần như đạt được" trong một thập kỷ nay. Hệ thống lớp phủ tự phục hồi-đã tồn tại trong phòng thí nghiệm nhưng chưa đạt quy mô thương mại.
Tái chế vẫn còn có vấn đề. Polycarbonate là nhựa nhiệt dẻo về mặt kỹ thuật và có thể tái chế về mặt lý thuyết, nhưng sự phân hủy nhiệt trong quá trình tái xử lý làm giảm trọng lượng và tính chất phân tử. Về nguyên tắc, tái chế hóa học thành monome hoạt động nhưng chưa đạt được hiệu quả kinh tế. Hầu hết-polycarbonate sau tiêu dùng hiện đều được đưa vào bãi chôn lấp hoặc lò đốt rác mặc dù có biểu tượng tái chế ở phía dưới.
Thực tế cơ bản đã không thay đổi kể từ khi Hermann Schnell và Daniel Fox độc lập tổng hợp vật liệu này vào những năm 1950: khi bạn cần một vật liệu trong suốt, dẻo dai và có thể xử lý được thông qua các phương pháp nhựa nhiệt dẻo thông thường, polycarbonate vẫn là câu trả lời mặc định. Loại cụ thể-trong số hàng nghìn loại có sẵn-tùy thuộc vào sự kết hợp thuộc tính nào quan trọng nhất đối với ứng dụng của bạn, những hạn chế nào bạn có thể chấp nhận và số tiền bạn sẵn sàng trả cho những cải tiến gia tăng.