Polykarbonát - Polycarbonate
| Polykarbonát | |
|---|---|
 Opakující se jednotka chemické struktury z
polykarbonátu vyrobeného z bisfenolu A  | |
| Fyzikální vlastnosti | |
| Hustota (ρ) | 1,20-1,22 g / cm 3 |
| Abbeho číslo (V) | 34.0 |
| Index lomu (n) | 1,584–1,586 |
| Hořlavost | V0-V2 |
| Omezující index kyslíku | 25–27% |
| Absorpce vody - rovnováha (ASTM) | 0,16–0,35% |
| Absorpce vody - více než 24 hodin | 0,1% |
| Radiační odpor | Veletrh |
| Odolnost proti ultrafialovému záření (1–380 nm) | Veletrh |
| Mechanické vlastnosti | |
| Youngův modul (E) | 2,0–2,4 G Pa |
| Pevnost v tahu (σ t ) | 55–75 M Pa |
| Prodloužení (ε) při přetržení | 80–150% |
| Pevnost v tlaku (σ c ) | > 80 MPa |
| Poissonův poměr (ν) | 0,37 |
| Tvrdost - Rockwell | M70 |
| Izodová rázová pevnost | 600–850 J /m |
| Test zářezu | 20–35 k J/m 2 |
| Abrazivní odolnost ASTM D1044 | 10–15 m g /1000 cyklů |
| Součinitel tření (μ) | 0,31 |
| Rychlost zvuku | 2270 m/s |
| Tepelné vlastnosti | |
| Teplota skelného přechodu (T g ) | 147 ° C (297 ° F) |
| Teplota vychýlení tepla | |
| Bod měknutí podle Vicata při 50 N. | 145–150 ° C (293–302 ° F) |
| Vyšší pracovní teplota | 115–130 ° C (239–266 ° F) |
| Nižší pracovní teplota | −40 ° C (−40 ° F) |
| Tepelná vodivost (k) při 23 ° C | 0,19–0,22 W /(m · K) |
| Tepelná difuzivita (a) při 25 ° C | 0,144 mm²/s |
| Součinitel lineární tepelné roztažnosti (α) | 65–70 × 10 −6 / K |
| Specifická tepelná kapacita (c) | 1,2–1,3 kJ/( kg · K) |
| Elektrické vlastnosti | |
| Dielektrická konstanta (ε r ) při 1 M Hz | 2.9 |
| Permitivita (ε) | 2,568 × 10 −11 F /m |
| Relativní propustnost (μ r ) při 1 MHz | 0,866 (2) |
| Propustnost (μ) při 1 MHz | 1,089 (2) μ N/ A 2 |
| Ztrátový faktor při 1 MHz | 0,01 |
| Povrchový odpor | 10 15 Ω /sq |
| Objemový odpor (ρ) | 10 12 –10 14 Ω · m |
| Chemická odolnost | |
| Kyseliny - koncentrované | Chudý |
| Kyseliny - zředěné | Dobrý |
| Alkoholy | Dobrý |
| Zásady | Dobrý-chudý |
| Aromatické uhlovodíky | Chudý |
| Tuky a oleje | Dobře spravedlivé |
| Halogenované uhlovodíky | Dobro-chudák |
| Halogeny | Chudý |
| Ketony | Chudý |
| Plynová propustnost při 20 ° C | |
| Dusík | 10–25 cm 3 · mm/(m 2 · den · Bar ) |
| Kyslík | 70–130 cm 3 · mm/(m 2 · den · Bar) |
| Oxid uhličitý | 400–800 cm 3 · mm/(m 2 · den · bar) |
| Vodní pára | 1–2 g · mm/(m 2 · den) při gradientu 85% –0% RV |
| Ekonomika | |
| Cena | 2,6–2,8 €/kg |
Polykarbonáty ( PC ) jsou skupinou termoplastických polymerů obsahujících ve svých chemických strukturách karbonátové skupiny . Polykarbonáty používané ve strojírenství jsou silné, houževnaté materiály a některé druhy jsou opticky průhledné. Snadno se opracovávají, tvarují a tepelně tvarují . Díky těmto vlastnostem nacházejí polykarbonáty mnoho aplikací. Polykarbonáty nemají jedinečný identifikační kód pryskyřice (RIC) a jsou v seznamu RIC označeny jako „jiné“, 7. Výrobky vyrobené z polykarbonátu mohou obsahovat prekurzorový monomer bisfenol A (BPA).
Struktura
Estery uhličitanu mají planární jádra OC (OC) 2 , která propůjčují tuhost. Unikátní vazba O = C je krátká (1,173 Á v zobrazeném příkladu), zatímco vazby CO jsou více podobné éteru (u znázorněného příkladu jsou vzdálenosti vazeb 1,326 Á). Polykarbonáty dostaly své jméno, protože jsou to polymery obsahující karbonátové skupiny (−O− (C = O) −O−). Rovnováha užitečných funkcí, včetně teplotní odolnosti, rázové houževnatosti a optických vlastností, umisťuje polykarbonáty mezi komoditní plasty a technické plasty .
Výroba
Hlavní polykarbonátový materiál se vyrábí reakcí bisfenolu A (BPA) a fosgenu COCl
2. Celkovou reakci lze napsat takto:
První stupeň syntézy zahrnuje ošetření bisfenolu A s hydroxidem sodným , která deprotonuje na hydroxylové skupiny na bisfenolu A.
- (HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + 2 NaOH → Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + 2 H 2 O
Di fenoxid (Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ) reaguje s fosgenem za vzniku chloroformátu , který je následně napaden dalším fenoxidem. Čistá reakce z difenoxidu je:
- Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + COCI 2 → 1 / n [C (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + 2 NaCl
Tímto způsobem se ročně vyrobí přibližně jedna miliarda kilogramů polykarbonátu. Místo bisfenolu A bylo testováno mnoho dalších diolů , např. 1,1-bis (4-hydroxyfenyl) cyklohexan a dihydroxybenzofenon . Cyklohexan se používá jako komonomer k potlačení tendence krystalizace produktu odvozeného od BPA. Tetrabromobisphenol A se používá ke zvýšení požární odolnosti. Tetramethylcyklobutandiol byl vyvinut jako náhrada za BPA.
Alternativní cesta k polykarbonátům zahrnuje transesterifikaci z BPA a difenylkarbonátu :
- (HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + (C 6 H 5 O) 2 CO → 1/n [OC (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + 2 C 6 H 5 OH
Difenylkarbonát byl částečně získán z oxidu uhelnatého , přičemž tato cesta je zelenější než metoda fosgenu.
Vlastnosti a zpracování
Polykarbonát je odolný materiál. Přestože má vysokou odolnost proti nárazu, má nízkou odolnost proti poškrábání. Proto je na polykarbonátové brýlové čočky a vnější polykarbonátové automobilové součásti nanesen tvrdý povlak . Vlastnosti polykarbonátu jsou srovnatelné s vlastnostmi polymethylmethakrylátu (PMMA, akryl), ale polykarbonát je silnější a vydrží déle až do extrémních teplot. Tepelně zpracovaný materiál je obvykle zcela amorfní a v důsledku toho je vysoce průhledný pro viditelné světlo s lepší propustností světla než mnoho druhů skla.
Polykarbonát má teplotu skelného přechodu přibližně 147 ° C (297 ° F), takže nad tímto bodem postupně měkne a teče nad přibližně 155 ° C (311 ° F). Nářadí musí být drženo při vysokých teplotách, obvykle nad 80 ° C (176 ° F), aby byly výrobky bez namáhání a napětí. Nízké molekulové hmotnosti stupně jsou jednodušší formy než vyšších tříd, ale jejich síla je nižší jako výsledek. Nejtvrdší třídy mají nejvyšší molekulovou hmotnost, ale jejich zpracování je obtížnější.
Na rozdíl od většiny termoplastů může polykarbonát projít velkými plastickými deformacemi, aniž by praskl nebo se zlomil. Výsledkem je, že může být zpracován a tvarován při pokojové teplotě pomocí technik plechu , jako je ohýbání na brzdě . I v případě ohybů s ostrým úhlem s malým poloměrem nemusí být zahřívání nutné. Díky tomu je cenný v prototypových aplikacích, kde jsou potřeba průhledné nebo elektricky nevodivé části, které nelze vyrobit z plechu. PMMA/Akryl , který je svým vzhledem podobný polykarbonátu, je křehký a nelze jej ohýbat při pokojové teplotě.
Hlavní transformační techniky pro polykarbonátové pryskyřice:
- extruze do trubek, tyčí a dalších profilů včetně vícestěnných
- extruze s válci ( kalandry ) na archy (0,5–20 mm (0,020–0,778 palce)) a filmy (pod 1 mm (0,039 palce)), které lze použít přímo nebo je lze vyrobit do jiných tvarů pomocí technik tepelného tváření nebo sekundární výroby , jako je jako ohýbání, vrtání nebo směrování. Díky svým chemickým vlastnostem není vhodný pro řezání laserem.
- vstřikování do hotových předmětů
Polykarbonáty se mohou stát křehké , když jsou vystaveny ionizujícímu záření nad 25 kGy (J / kg).
Aplikace
Elektronické komponenty
Polykarbonát se používá hlavně pro elektronické aplikace, které vydělávají na svých kolektivních bezpečnostních prvcích. Jelikož je dobrým elektrickým izolátorem a má vlastnosti odolné vůči teplu a zpomalující hoření, používá se v různých produktech spojených s elektrickým a telekomunikačním hardwarem. Může také sloužit jako dielektrikum ve vysoce stabilních kondenzátorech . Komerční výroba polykarbonátových kondenzátorů se však většinou zastavila poté, co jediný výrobce Bayer AG přestal na konci roku 2000 vyrábět kondenzátorové polykarbonátové fólie.
Konstrukční materiály
Druhým největším spotřebitelem polykarbonátů je stavební průmysl, např. Pro kopulovitá světla, plochá nebo zakřivená zasklení, střešní krytiny a zvukové stěny . Polykarbonáty se používají k výrobě materiálů používaných v budovách, které musí být trvanlivé, ale lehké.
Datové úložiště
Hlavním polykarbonátovým trhem je výroba kompaktních disků , DVD a Blu-ray disků. Tyto disky jsou vyráběny vstřikováním polykarbonátu do dutiny formy, která má na jedné straně kovovou raznici obsahující negativní obraz dat disku, zatímco druhá strana formy je zrcadlený povrch. Mezi typické produkty výroby archů/fólií patří aplikace v reklamě (značky, displeje, ochrana plakátů).
Automobilové, letecké a bezpečnostní komponenty
V automobilovém průmyslu může vstřikovaný polykarbonát vytvářet velmi hladké povrchy, díky nimž je vhodný pro naprašování nebo odpařování hliníku bez potřeby základního nátěru. Dekorativní rámečky a optické reflektory jsou běžně vyrobeny z polykarbonátu. Jeho nízká hmotnost a vysoká odolnost proti nárazu učinily z polykarbonátu dominantní materiál pro čočky světlometů v automobilech. Automobilové světlomety však vyžadují povrchové úpravy z důvodu nízké odolnosti proti poškrábání a náchylnosti k degradaci ultrafialovým zářením (žloutnutí). Použití polykarbonátu v automobilových aplikacích je omezeno na aplikace s nízkým napětím. Napětí způsobené spojovacími prvky, svařováním a lisováním plastů činí polykarbonát náchylný ke koroznímu praskání napětím při kontaktu s určitými urychlovači, jako je slaná voda a plastisol . Lze jej laminovat, aby se vyrobilo neprůstřelné „sklo“ , přestože „tenkostěnný“ je přesnější u tenčích oken, jaké se používají u neprůstřelných oken v automobilech. Tlustší zábrany z průhledného plastu používané v pokladních oknech a zábrany v bankách jsou také polykarbonátové.
Takzvané velké plastové obaly na menší předměty „odolné proti krádeži“, které nelze otevřít rukou, jsou obvykle vyrobeny z polykarbonátu.
Stříška kokpitu proudového stíhače Lockheed Martin F-22 Raptor je vyrobena z kusu vysoce kvalitního polykarbonátu a je největším kusem svého druhu na světě.
Niche aplikace
Polykarbonát, všestranný materiál s atraktivním zpracováním a fyzikálními vlastnostmi, přilákal nespočet menších aplikací. Používání vstřikovaných lahví na pití, sklenic a nádob na potraviny je běžné, ale použití BPA při výrobě polykarbonátu vyvolává obavy (viz Potenciální rizika v aplikacích přicházejících do styku s potravinami ), což vede k vývoji a používání plastů „bez BPA“ v různých formulacích.
Polykarbonát se běžně používá v ochraně očí, stejně jako v jiných projekčních a osvětlovacích aplikacích odolných proti projektilu, které by normálně indikovaly použití skla , ale vyžadovaly mnohem vyšší odolnost proti nárazu. Polykarbonátové čočky také chrání oko před UV zářením. Mnoho druhů čoček jsou vyrobeny z polykarbonátu, včetně automobilových světlometů čočky, osvětlovací čočky, lupa / brýlové čočky , plavecké brýle a SCUBA masek a ochranných brýlí / ochranných brýlí / clon včetně průzory ve sportovní helmy / maskami a policejní zásahové výstroji (helmy průzory, vzbouřenecké štíty atd.). Čelní skla v malých motorových vozidlech jsou běžně vyráběna z polykarbonátu, například pro motocykly, čtyřkolky, golfové vozíky a malá letadla a helikoptéry.
Nízká hmotnost polykarbonátu na rozdíl od skla vedla k vývoji elektronických displejů, které nahrazují sklo polykarbonátem, pro použití v mobilních a přenosných zařízeních. Mezi takové displeje patří novější elektronický inkoust a některé LCD obrazovky, ačkoli technologie CRT, plazmová obrazovka a další LCD technologie obecně stále vyžadují sklo kvůli vyšší teplotě tání a schopnosti leptat do jemnějších detailů.
Jak více a více vlády omezují používání skla v hospodách a klubech v důsledku zvýšeného výskytu glassings , polykarbonátové brýle jsou stále populární pro podávání alkoholu, protože jejich pevnost, odolnost a sklo podobné pocit.
Mezi další různé položky patří odolná, lehká zavazadla, pouzdra na MP3/digitální audio přehrávače , ocariny , počítačové skříně, štíty proti nepokojům , přístrojové desky, nádoby se svíčkami na čajovou svíčku a sklenice do mixéru. Mnoho hraček a hobby položek je vyrobeno z polykarbonátových dílů, jako jsou ploutve, držáky gyroskopů a zámky pérování v rádiem řízených helikoptérách a průhledné LEGO ( u neprůhledných kusů se používá ABS ).
Standardní polykarbonátové pryskyřice nejsou vhodné pro dlouhodobé vystavení UV záření. Aby se tomu zabránilo, může být do primární pryskyřice přidán UV stabilizátor. Tyto jakosti se prodávají jako polykarbonát stabilizovaný proti UV záření společnostem vyrábějícím vstřikování a vytlačování. Jiné aplikace, včetně polykarbonátových desek, mohou mít anti-UV vrstvu přidanou jako speciální povlak nebo koextruzi pro zvýšení odolnosti proti povětrnostním vlivům.
Polykarbonát se také používá jako tiskový substrát pro štítky a jiné formy průmyslové kvality pod tištěné výrobky. Polykarbonát poskytuje bariéru proti opotřebení, živlům a blednutí.
Lékařské aplikace
V lékařských aplikacích se používá mnoho polykarbonátových jakostí a splňují jak normy ISO 10993-1, tak USP Class VI (občas označované jako PC-ISO). Třída VI je nejpřísnější ze šesti hodnocení USP. Tyto stupně lze sterilizovat párou při 120 ° C, gama zářením nebo metodou ethylenoxidu (EtO). Dow Chemical přísně omezuje všechny své plasty s ohledem na lékařské aplikace. Alifatické polykarbonáty byly vyvinuty se zlepšenou biokompatibilitou a rozložitelností pro aplikace nanomedicíny.
Mobilní telefony
Někteří hlavní výrobci smartphonů používají polykarbonát. Nokia používala ve svých telefonech polykarbonát počínaje unibody pouzdrem N9 v roce 2011. Tato praxe pokračovala u různých telefonů řady Lumia . Samsung začala používat polykarbonátu s Galaxy S III ‚s hyperglaze -branded odnímatelný kryt baterie v roce 2012. Tato praxe pokračuje s různými telefony v Galaxy série. Apple začal používat polykarbonátu s iPhone 5C s unibody případu v roce 2013.
Mezi výhody skel a kovových zadních krytů patří odolnost proti rozbití (slabost skla), ohýbání a poškrábání (slabost kovu), tlumení nárazů, nízké výrobní náklady a žádné rušení rádiových signálů a bezdrátové nabíjení (slabost kovu). Polykarbonátové zadní kryty jsou k dispozici v lesklých nebo matných povrchových strukturách .
Dějiny
Polykarbonáty poprvé objevil v roce 1898 německý vědec Alfred Einhorn pracující na univerzitě v Mnichově . Po 30 letech laboratorního výzkumu však byla tato třída materiálů opuštěna bez komercializace. Výzkum pokračoval v roce 1953, kdy Hermann Schnell v Bayeru v Uerdingenu v Německu patentoval první lineární polykarbonát. Značka „Makrolon“ byla zaregistrována v roce 1955.
Také v roce 1953, a jeden týden po vynálezu v Bayeru, Daniel Fox ve společnosti General Electric v Schenectady v New Yorku nezávisle syntetizoval rozvětvený polykarbonát. Obě společnosti podaly v roce 1955 americké patenty a dohodly se, že společnosti, které chybí priorita, bude udělena licence na technologii.
Priorita patentů byla vyřešena ve prospěch Bayeru a Bayer zahájil komerční výrobu pod obchodním názvem Makrolon v roce 1958. Společnost GE zahájila výrobu pod názvem Lexan v roce 1960 a v roce 1973 vytvořila divizi GE Plastics .
Po roce 1970 byl původní nahnědlý polykarbonátový odstín vylepšen na „čirý jako sklo“.
Potenciální nebezpečí v aplikacích přicházejících do styku s potravinami
Kontroverzní je použití polykarbonátových nádob pro účely skladování potravin. Základem této diskuse je jejich hydrolýza (degradace vodou, často označovaná jako vyluhování) probíhající při vysoké teplotě, uvolňující bisfenol A :
- 1/n [OC (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + H 2 O → (HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + CO 2
Více než 100 studií zkoumalo biologickou aktivitu bisfenolu A získaného z polykarbonátů. Zdálo se, že se bisfenol A uvolňuje z polykarbonátových zvířecích klecí do vody při pokojové teplotě a může být zodpovědný za zvětšení reprodukčních orgánů samic myší. Zvířecí klece použité ve výzkumu však byly vyrobeny z polykarbonátu průmyslové kvality, nikoli z polykarbonátu FDA pro potravinářské účely.
Zdá se, že analýza literatury o účincích nízkých dávek výluhu bisfenolu A, kterou provedli vom Saal a Hughes, publikovaná v srpnu 2005, naznačuje sugestivní korelaci mezi zdrojem financování a vyvozeným závěrem. Průmyslově financované studie obvykle nenacházejí žádné významné efekty, zatímco studie financované vládou obvykle nacházejí významné efekty.
Chlornan sodný a další alkalické čisticí prostředky katalyzují uvolňování bisfenolu A z polykarbonátových nádob. Polykarbonát je nekompatibilní s čpavkem a acetonem. Alkohol je doporučené organické rozpouštědlo pro čištění tuků a olejů z polykarbonátu.
Zásah do životního prostředí
Likvidace
Studie ukázaly, že při teplotách nad 70 ° C a vysoké vlhkosti bude polykarbonát hydrolyzovat na Bis-fenol A (BPA). Tento stav je podobný jako u většiny spaloven. Asi po 30 dnech při 85 ° C / 96% relativní vlhkosti se vytvoří povrchové krystaly, které ze 70% sestávají z BPA. BPA je sloučenina, která je v současné době na seznamu potenciálních nebezpečných chemikálií pro životní prostředí. Je na seznamu sledovaných v mnoha zemích, jako jsou Spojené státy a Německo.
-(-OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 ) 2 CO-)- n + H 2 O (CH 3 ) 2 C (C 6 H 4 OH) 2 + CO 2
K vyluhování BPA z polykarbonátu může také docházet při teplotě prostředí a normálním pH (na skládkách). Množství vyluhování se zvyšuje se stárnutím disků. Studie zjistila, že k rozkladu BPA na skládkách (za anaerobních podmínek) nedojde. Na skládkách proto bude vytrvalý. Nakonec si najde cestu do vodních útvarů a přispěje ke znečištění vod.
Fotooxidace polykarbonátu
V přítomnosti ultrafialového světla oxidací tohoto polymeru se získají sloučeniny, jako jsou ketony, fenoly, kyselina o-fenoxybenzoová, benzylalkohol a další nenasycené sloučeniny. To bylo navrženo prostřednictvím kinetických a spektrálních studií. Žlutá barva vytvořená po dlouhém pobytu na slunci může také souviset s další oxidací fenolické koncové skupiny
(OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 ) 2 CO) n + O 2 , R* → (OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 CH 2 ) CO) n
Tento produkt lze dále oxidovat za vzniku menších nenasycených sloučenin. To může probíhat dvěma různými cestami, vytvořené produkty závisí na tom, který mechanismus probíhá.
Cesta A
(OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 CH 2 ) CO + O 2 , H* HO (OC 6 H 4 ) OCO + CH 3 COCH 2 (OC 6 H 4 ) OCO
Cesta B
(OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 CH 2 ) CO) n + O 2 , H* OCO (OC 6 H 4 ) CH 2 OH + OCO (OC 6 H 4 ) COCH 3
Fotooxidační reakce.
Foto-stárnutí reakce
Foto-stárnutí je další cestou degradace polykarbonátů. Polykarbonátové molekuly (jako je aromatický kruh) absorbují UV záření. Tato absorbovaná energie způsobí štěpení kovalentních vazeb, které zahájí proces stárnutí. Reakci lze šířit oxidací postranního řetězce, oxidací kruhu nebo foto-Friesovým přesmykem . Mezi vytvořené produkty patří fenylsalicylátové skupiny, dihydroxybenzofenonové skupiny a hydroxydifenyletherové skupiny.
n (C 16 H 14 O 3 ) C 16 H 17 O 3 + C 13 H 10 O 3
Polykarbonát Fenylsalicylát 2,2-dihydroxybenzofenon
Tepelná degradace
Odpadní polykarbonát se při vysokých teplotách rozkládá za vzniku pevných, kapalných a plynných znečišťujících látek. Studie ukázala, že produkty byly asi 40–50% hmotn. Kapalných, 14–16% hmotn. Plynů, zatímco 34–43% hmotn. Zůstalo jako pevný zbytek. Tekuté produkty obsahovaly hlavně deriváty fenolu (∼75%hmotn.) A přítomen byl také bisfenol (∼10%hmotn.). Polykarbonát však lze bezpečně recyklovat jako zdroj uhlíku v ocelářském průmyslu.
Fenolové deriváty jsou látky znečišťující životní prostředí, klasifikované jako těkavé organické sloučeniny (VOC). Studie ukazují, že pravděpodobně usnadní tvorbu přízemního ozónu a zvýší fotochemický smog. Ve vodních tělech se mohou potenciálně akumulovat v organismech. Jsou trvalé na skládkách, nerozpouštějí se snadno a zůstaly by v atmosféře.
Účinek hub
V roce 2001 bylo zjištěno, že druh houby v Belize , Geotrichum candidum , konzumuje polykarbonát nalezený v kompaktních discích (CD). To má vyhlídky na bioremediaci .
Viz také
- CR-39 , allyl diglykol karbonát (ADC) používaný pro brýle
- Příslušenství k mobilním telefonům
- Organická elektronika
- Termoplastický polyuretan
- Leštění parou