Инженерные пластики: поликарбонат (ПК) – свойства, применение и разработка (1)

Определение и структура поликарбоната

Поликарбонат — это общее название класса высокомолекулярных полимеров, содержащих карбонатные группы в молекулярных цепях. В зависимости от структуры сложноэфирных групп их можно разделить на различные типы, такие как алифатические, алициклические и ароматические поликарбонаты. Алифатические и алифатически-ароматические поликарбонаты имеют ограниченное применение в области конструкционных пластиков из-за их низких механических свойств.

В настоящее время основным типом, производимым промышленностью, является ароматический поликарбонат, в частности, ароматический поликарбонат типа бисфенола А. Его химическая формула представляет собой продукт поликонденсации бисфенола А с фосгеном или дифенилкарбонатом. Эта уникальная молекулярная структура наделяет поликарбонат рядом превосходных свойств, выделяя его среди множества материалов.

Свойства поликарбоната

(I) Оптические свойства

Поликарбонат обладает исключительной прозрачностью, светопропуская более 90%, что близко к показателю неорганического стекла, что позволяет ему светиться в оптическом поле. Поликарбонат, используемый как в производстве прецизионных оптических компонентов, таких как оптические диски, линзы и оптические линзы, так и в повседневных оптических изделиях, таких как большие абажуры, защитное и оконное стекло, обеспечивает пользователям чёткое визуальное восприятие благодаря своей высокой прозрачности. Кроме того, его хорошая окрашиваемость позволяет выпускать изделия в богатой цветовой гамме, отвечая эстетическим запросам различных сценариев.

(II) Механические свойства

Поликарбонат обладает превосходной ударопрочностью: ударная вязкость по Изоду с надрезом достигает 600–900 Дж/м, что делает его одним из лучших среди конструкционных пластиков. Его прочность и жёсткость позволяют ему выдерживать значительные внешние воздействия без риска разрушения, а эти превосходные механические характеристики создают прочную основу для его применения в различных областях с высокими требованиями к прочности и ударопрочности.

Кроме того, прочность поликарбоната на растяжение и изгиб сопоставима с прочностью нейлона и полиоксиметилена, выделяясь среди термопластичных пластиков и приближаясь к уровню фенольных смол, армированных стекловолокном, или ненасыщенных полиэфиров. Кроме того, формованные детали обеспечивают высокую точность допусков и сохраняют размерную стабильность в широком диапазоне изменений окружающей среды, обеспечивая постоянную усадку при формовании 0,5–0,7%. Поликарбонат также обладает исключительным сопротивлением ползучести.

(III) Термические свойства

Поликарбонат имеет температуру стеклования около 147 °C и температуру тепловой деформации 135 °C, что позволяет стабильно использовать его в течение длительного времени в диапазоне температур от -45 °C до 120 °C. Благодаря превосходной термостойкости он способен адаптироваться к различным сложным условиям эксплуатации: изделия из поликарбоната могут нормально функционировать как в холодных полярных регионах, так и в жарком тропическом климате.

Кроме того, поликарбонат плавится при температуре 220–230 °C и имеет температуру термического разложения более 310 °C. Он является самозатухающим полимером, что в определённой степени повышает его безопасность при использовании в условиях высоких температур.

(IV) Химическая стабильность

Поликарбонат обладает хорошей устойчивостью к слабым кислотам, слабым щелочам и нейтральным маслам и может сохранять стабильные эксплуатационные характеристики в средах, содержащих эти химические вещества. Однако он относительно чувствителен к сильным щелочам и подвержен коррозии под их воздействием, а его устойчивость к ультрафиолетовому излучению относительно низкая.

Поэтому на практике для продления срока службы поликарбоната следует применять соответствующие защитные или модифицирующие обработки в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.

Процессы производства поликарбоната

(I) Метод фосгена (межфазная поликонденсация)

В настоящее время фосгеновый метод является одним из основных методов производства поликарбоната. В этом процессе бисфенол А реагирует с фосгеном в щелочном растворе с образованием поликарбоната с высокой молекулярной массой. Преимущество этого метода заключается в возможности получения поликарбонатных изделий высокой чистоты и превосходного качества.

Однако фосген — высокотоксичный газ, требующий строгих мер безопасности при его производстве для обеспечения безопасности операторов и окружающей среды. Кроме того, он предъявляет чрезвычайно высокие требования к герметизации и коррозионной стойкости производственного оборудования, что приводит к увеличению производственных затрат и усложнению технических задач.

(II) Метод переэтерификации (поликонденсация в расплаве)

Метод переэтерификации — ещё один важный процесс производства поликарбоната. Он использует дифенилкарбонат и бисфенол А в качестве сырья для проведения реакций поликонденсации при высоких температурах и в вакууме.

Данный метод отличается относительно простой технологической схемой и не требует использования высокотоксичного фосгена, что в некоторой степени снижает риски безопасности производства. Однако метод переэтерификации имеет и некоторые недостатки. Например, молекулярная масса получаемого поликарбоната относительно низкая, а его эксплуатационные характеристики могут по некоторым параметрам уступать показателям поликарбоната, полученного методом фосгенирования. Поэтому данный метод больше подходит для производства маловязких продуктов, не предъявляющих высоких требований к молекулярной массе.

Текущее состояние отрасли поликарбоната

(I) Глобальные производственные мощности и объемы производства

Мировые производственные мощности поликарбоната (ПК) продолжают расширяться, хотя темпы роста постепенно замедляются. В 2024 году мировые производственные мощности ПК увеличились на 4,7% в годовом исчислении, при этом объём производства увеличился на 4,0% в годовом исчислении, а средняя загрузка производственных мощностей составила 63,5%.

Региональная концентрация мирового производства ПК смещается в сторону Северо-Восточной Азии, при этом производство в основном сосредоточено в таких регионах, как Северо-Восточная Азия, Западная Европа и Северная Америка. В 2024 году на Северо-Восточную Азию приходилось 66,3% мировых производственных мощностей ПК, занимая первое место; на Западную Европу – 12,9%, а на Северную Америку – 10,3%.

Конкуренция в отрасли отличается высокой концентрацией. В 2024 году в мире насчитывалось более 30 крупных производителей ПК, а производственные мощности десяти крупнейших производителей составляли 71,8% от общего объема мировых производственных мощностей. Среди них Ковестро является крупнейшим в мире производителем ПК.

(II) Ситуация в международной торговле

В 2023 году общий объём международной торговли поликарбонатом (ПК) составил 8,93 млрд долларов США, что на 23,5% меньше, чем в предыдущем году. Общий объём торговли составил 3,232 млн тонн, что на 15,6% меньше, чем в предыдущем году. Что касается цен, средняя мировая экспортная цена ПК составила 2761,6 доллара США за тонну, снизившись на 9,4% по сравнению с предыдущим годом.

Китай, Индия и Мексика являются крупнейшими странами-импортерами ПК в мире, их совокупный импорт составляет около 43,9% от общего мирового импорта. Южная Корея, Таиланд и Китай являются основными странами-экспортерами, чей совокупный экспорт составляет около 44,4% от общего мирового экспорта.

(III) Ситуация на китайском рынке

Темпы роста производственных мощностей ПК в Китае замедлились. В последние несколько лет производственные мощности Китая быстро росли, и очевидная проблема дефицита поставок в отрасли значительно улучшилась. За последние два года отрасль начала возвращаться к рациональному развитию, значительно замедлив темпы расширения мощностей и постепенно перейдя от прежнего быстрого роста к оптимизации существующих запасов и повышению эффективности.

В 2024 году производственные мощности по производству ПК в Китае выросли на 13,1% в годовом исчислении, а объём производства — на 22,6%. Импорт ПК в Китай продолжал сокращаться, в то время как экспорт рос. В 2024 году импорт ПК в Китай снизился на 14,8% в годовом исчислении, а экспорт вырос на 34,6%.

Импорт ПК в Китай осуществляется преимущественно через общую торговлю и переработку импортных материалов, составляя 69,6% и 18,9% от общего объёма импорта соответственно. Китай импортирует ПК преимущественно из таких стран и регионов, как Южная Корея, Таиланд и китайская провинция Тайвань, на долю которых приходится около 60,3% от общего объёма импорта.

Видимое потребление ПК в Китае выросло на 8,9% в годовом исчислении, а уровень самообеспеченности увеличился на 9,9 процентных пункта. Благодаря завершению строительства и вводу в эксплуатацию ряда новых и расширению действующих предприятий, производственные мощности Китая по производству ПК будут и дальше увеличиваться, а объём поставок также будет стремительно расти. Хотя продукции новых предприятий всё ещё недостаточно для быстрого и эффективного замещения импортных материалов, уровень самообеспеченности значительно вырос, а зависимость от зарубежного сырья заметно снизилась.