Поликарбонаттар: қасиеттері, қолданылуы және өндірісі

Кіріспе

Полимерлер отбасы

Поликарбонаттар (ПК) – химиялық құрамында карбонат топтарын қамтитын термопластикалық полимерлер тобы. Инженерлік қолданыстағы поликарбонаттар берік, қатайған материалдар болып табылады, ал кейбір түрлері оптикалық түрде мөлдір. Оларды өңдеу, қалыптау және термоформование жасау оңай. Осы қасиеттерінің арқасында поликарбонаттар көптеген салаларда қолданылады. Поликарбонаттардың бірегей полимер идентификациялық коды (RIC) жоқ және олар RIC тізімінде "Басқа", 7 ретінде белгіленеді. Поликарбонаттан жасалған өнімдерде бисфенол А (BPA) прекурсоры болуы мүмкін.

Құрылымы

Карбонат эфирлерінің жазық OC(OC)₂ өзектері болады, олар беріктік қасиетін сыйлайды. Ерекше O=C байланысы қысқа (көрсетілген мысалда 1,173 Å), ал C–O байланыстары эфир сияқты болады (көрсетілген мысалда 1,326 Å қашықтықта). Поликарбонаттар карбонат топтарын (−O−(C=O)−O−) қамтитын полимерлер болғандықтан осы атауды алды. Температураға төзімділік, соққыға төзімділік және оптикалық қасиеттер сияқты пайдалы қасиеттердің үйлесімі поликарбонаттарды қарапайым пластмассалар мен инженерлік пластмассалардың арасына қояды.

Электрондық компоненттер

Поликарбонат көбінесе оның қауіпсіздік қасиеттерін толық пайдаланатын электрондық қолданыстарда қолданылады. Ол электр оқшаулағышы болып табылады, жылуға төзімді және өртке қарсы қасиеттеріне ие, сондықтан қуат жүйелері мен телекоммуникациялық аппараттарда қолданылады. Сонымен қатар, ол жоғары тұрақты конденсаторларда диэлектрик ретінде пайдаланылуы мүмкін.

Құрылыс материалдары

Поликарбонаттарды екінші үлкен тұтынушы құрылыс индустриясы, мысалы, шамдықтар, жалпақ немесе иілген әйнек, шатыр жабындары және дыбыс тоқтату қабырғалары үшін қолданылады. Поликарбонаттар берік, бірақ жеңіл болуы керек ғимараттарда қолданылатын материалдар жасауға пайдаланылады.

3D-басып шығару

Поликарбонаттар 3D FDM басып шығаруда кеңінен қолданылады, олардың арқасында жоғары балқу температурасы бар, берік және мықты пластикалық өнімдер жасалады. Поликарбонатты полилактив қышқылы (PLA) немесе акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) сияқты термопластиктерге қарағанда әуесқойлар үшін басып шығару қиын, себебі оның жоғары балқу температурасы, басып шығару төсегіне жабысудағы қиындықтар, басып шығару кезінде деформациялануға бейімділігі және ылғалды ортада ылғалды сіңіру қабілеті бар. Бұл қиындықтарға қарамастан, поликарбонатты қолдана отырып 3D басып шығару кәсіби салаларда кең таралған.

Деректерді сақтау

Поликарбонаттың маңызды нарығы – компакт-дискілер, DVD және Blu-ray дискілерін өндіру. Бұл дискілер поликарбонатты бір жағынан дискідегі мәліметтердің кері бейнесі салынған металл штамппен, ал екінші жағынан жылтыр беті бар қалыптың ішіне инъекциялық қалыптау арқылы құйылып жасалады. Табақша/пленка өндірісінің әдеттегі өнімдеріне жарнама саласында қолданылатын (табельдер, дисплейлер, плакаттарды қорғау) қолданыстар жатады.

Нишалық қолданбалар

Поликарбонат – өңдеуге қолайлы және физикалық қасиеттері жақсы көпжақты материал, ол көптеген шағын қолданыстарға ие. Инжекциялық қалыптау арқылы жасалған сусын бөтелкелері, стақандар мен тағам контейнерлерін пайдалану жиі кездеседі, бірақ поликарбонатты өндіруде BPA қолданылуы алаңдаушылық тудырады (қараңыз: Тағаммен жанасатын қолданыстардағы ықтимал қауіптер), нәтижесінде әртүрлі формулаларда «BPA-сыз» пластиктерді әзірлеу және қолдануға әкелді. Поликарбонат көбінесе көзге арналған қорғаныш ретінде, сондай-ақ әдетте шыны қолданылатын, бірақ әсерге төзімділігі жоғарырақ болуы қажет болатын оқтан қорғалған көру және жарықтандыру қолданыстарында қолданылады. Поликарбонат линзалар көзді ультракүлгін сәулесінен де қорғайды. Автокөлік фараларының линзалары, жарықтандыру линзалары, күн көзілдірігі/көз әйнегінің линзалары, жүзу көзілдіріктері мен SCUBA маскалары, қауіпсіздік көзілдіріктері/көз айнектері/визорлар, соның ішінде спорттық қалқандардағы/маскалардағы визорлар және полицияның тәртіпсіздікке қарсы жабдықтары (қақпақ визорлары, тәртіпсіздікке қарсы қалқандар және т.б.) сияқты көптеген линзалар поликарбонаттан жасалады. Мотоциклдер, квадроциклдер, гольф кареттері, шағын ұшақтар мен тікұшақтар сияқты кішкентай моторлы көліктердің алдыңғы әйнектері көбінесе поликарбонаттан жасалады. Поликарбонаттың шыныға қарағанда жеңіл салмағы мобильді және портативті құрылғыларда қолдану үшін шыныны поликарбонатпен алмастыратын электрондық дисплей экранының дамуына ықпал етті. Мұндай дисплейлерге жаңа электронды қаламдар мен кейбір LCD экраны кіреді, бірақ CRT, плазмалық экран және басқа LCD технологиялары әдетте жоғары балқу температурасы және оның нашарлау деңгейін кесу мүмкіндігі үшін шыныны қажет етеді. Көптеген елдер пабтар мен клубтарда шыныны пайдалануды шектейтіндіктен, поликарбонат стақандар алкогольді ұсыну үшін танымал болып келеді, себебі олардың беріктігі, тұрақтылығы және шыныға ұқсас сезімі бар. Басқа да түрлі заттарға берік, жеңіл багаж, MP3/цифрлік аудио плеер корпустары, окариналар, компьютер корпустары, тәртіпсіздік қалқандары, приборлық тақталар, шай шамдарына арналған контейнерлер және тағамды араластыруға арналған банкалар жатады. Көптеген ойыншықтар мен хобби бұйымдары поликарбонаттан жасалған бөліктерден, мысалы, радио басқарылатын тікұшақтардағы қанаттардан, гиромонтаждардан және флайбар құлыптарынан, сондай-ақ мөлдір LEGO-дан (мөлдір емес бөліктер үшін ABS қолданылады) жасалады. Стандартты поликарбонат шайырлары ұзақ мерзімді УФ-сәулесіне ұшырауға жарамсыз. Бұл мәселені шешу үшін негізгі шайырға УФ-стабилизаторлар қосылуы мүмкін. Бұл сорттар УФ-тұрақтандырылған поликарбонат ретінде сатылады. Басқа қолданыстарда, соның ішінде поликарбонат тікбұрыштарында, ауа райына төзімділігін арттыру үшін арнайы жабын немесе коэкструзия түрінде анти-УФ қабаты қосылуы мүмкін. Поликарбонат сондай-ақ атаулық тақтайшалар мен өнеркәсіптік сапалы басқа да өнімдерді басып шығару үшін баспа өнімдерінің астындағы негіз ретінде қолданылады. Поликарбонат тозуға, ауа райының әсеріне және түссізденуге кедергі жасайды.

Polycarbonate, being a versatile material with attractive processing and physical properties, has attracted myriad smaller applications. The use of injection molded drinking bottles, glasses and food containers is common, but the use of BPA in the manufacture of polycarbonate has stirred concerns (see Potential hazards in food contact applications), leading to development and use of "BPA free" plastics in various formulations. Polycarbonate is commonly used in eye protection, as well as in other projectile resistant viewing and lighting applications that would normally indicate the use of glass, but require much higher impact resistance. Polycarbonate lenses also protect the eye from UV light. Many kinds of lenses are manufactured from polycarbonate, including automotive headlamp lenses, lighting lenses, sunglass/eyeglass lenses, swimming goggles and SCUBA masks, and safety glasses/goggles/visors including visors in sporting helmets/masks and police riot gear (helmet visors, riot shields, etc.). Windscreens in small motorized vehicles are commonly made of polycarbonate, such as for motorcycles, ATVs, golf carts, and small airplanes and helicopters. The light weight of polycarbonate as opposed to glass has led to development of electronic display screens that replace glass with polycarbonate, for use in mobile and portable devices. Such displays include newer e ink and some LCD screens, though CRT, plasma screen and other LCD technologies generally still require glass for its higher melting temperature and its ability to be etched in finer detail. As more and more governments are restricting the use of glass in pubs and clubs due to the increased incidence of glassings, polycarbonate glasses are becoming popular for serving alcohol because of their strength, durability, and glass like feel. Other miscellaneous items include durable, lightweight luggage, MP3/digital audio player cases, ocarinas, computer cases, riot shields, instrument panels, tealight candle containers and food blender jars. Many toys and hobby items are made from polycarbonate parts, like fins, gyro mounts, and flybar locks in radio controlled helicopters, and transparent LEGO (ABS is used for opaque pieces). Standard polycarbonate resins are not suitable for long term exposure to UV radiation. To overcome this, the primary resin can have UV stabilisers added. These grades are sold as UV stabilized polycarbonate to injection moulding and extrusion companies. Other applications, including polycarbonate sheets, may have the anti UV layer added as a special coating or a coextrusion for enhanced weathering resistance. Polycarbonate is also used as a printing substrate for nameplate and other forms of industrial grade under printed products. The polycarbonate provides a barrier to wear, the elements, and fading.

Медициналық қолдану

Көптеген поликарбонат түрлері медициналық қолданыста қолданылады және ISO 10993-1 және USP Class VI стандарттарына сәйкес келеді (кейде PC ISO деп те аталады). VI сынып – USP рейтингтерінің алтысының ең қатаң деңгейі. Бұл түрлерді 120°C температурада бумен, гамма сәулелендіру арқылы немесе этилен оксиді (EtO) әдісімен стерильдеуге болады. Trinseo медициналық қолданысқа қатысты барлық пластиктерін қатаң түрде шектейді. Наномедицина қолданысы үшін жақсартылған биоүйлесімділікке және ыдырауға ие алифатикалық поликарбонаттар жасалған.

Ұялы телефондар

Кейбір смартфон өндірушілер поликарбонат қолданады. Nokia 2011 жылы N9 телефонының бір корпусты корпусымен бастап телефондарында поликарбонатты қолданды. Бұл практика Lumia сериясындағы түрлі телефондармен жалғасты. Samsung 2012 жылы Galaxy S III телефонының гиперглаз брендімен сатылатын алынып тасталатын батарея қақпағымен поликарбонатты пайдалануды бастады. Бұл практика Galaxy сериясындағы түрлі телефондарда жалғасуда. Apple 2013 жылы iPhone 5C телефонының бір корпусты корпусында поликарбонатты қолдануды бастады. Шыны және металл артқы қаптамалармен салыстырғандағы артықшылықтары: сынуға төзімділік (шыныдан артықшылық), бүгілуге және сызауға төзімділік (металлдан артықшылық), соққыны сіңіру қабілеті, төмен өндіріс шығындары, радиосигналдар мен сымсыз зарядтауға кедергі келтірмеу (металлдан артықшылық). Поликарбонаттан жасалған артқы қаптамалар жылтыр немесе матовый текстурада болуы мүмкін. Дегенмен, 30 жылдық зертханалық зерттеулерден кейін, бұл материалдар класы коммерциялық өндіріске енгізілмей тасталды. 1953 жылы Германияның Уердинген қаласындағы Bayer компаниясының Герман Шнелл алғашқы сызықтық поликарбонатты патенттеді. «Makrolon» тауарлық белгісі 1955 жылы тіркелді. Сондай-ақ 1953 жылы, Bayer-дегі өнертабыстан бір апта өткен соң, Массачусетс штатының Питтсфилд қаласындағы General Electric (GE) компаниясының Дэниел Фокс тәуелсіз түрде тармақталған поликарбонатты синтездеді. Екі компания да 1955 жылы АҚШ патенттеріне өтініш берді және басымдыққа ие болмаған компанияға технологияны лицензиялау туралы келісімге келді. Патент бойынша басымдық Bayer-дің пайдасына шешілді және Bayer 1958 жылы Makrolon тауарлық атауымен коммерциялық өндірісті бастады. GE 1960 жылы Lexan атауымен өндірісті бастады және 1973 жылы GE Plastics бөлімін құрды. 1970 жылдан кейін, түпнұсқа қоңыр поликарбонат түсі «мөлдір шыны» түсіне жақсартылды.

Термиялық ыдырау

Поликарбонат қалдықтары жоғары температурада ыдырап, қатты, сұйық және газ тәрізді ластаушы заттарға айналады. Бір зерттеу көрсеткендей, түзілген өнімдердің шамамен 40-50%-ы сұйық, 14-16%-ы газ, ал 34-43%-ы қатты қалдық ретінде қалды. Сұйық өнімдердің құрамында негізінен фенол туындылары (~75 салмақ пайызы) және бисфенол (~10 салмақ пайызы) басым. Фенол туындылары – қоршаған ортаны ластайтын заттар, олар ұшқыш органикалық қосылыстар (ҰОҚ) класына жатады. Зерттеулер олардың жер бетіндегі озон қабатының пайда болуына көмектесетінін және фотохимиялық тұманды күшейтетінін көрсетеді. Су экосистемаларында олар тірі организмдерде жиналуы мүмкін. Олар полигондарда ыдырамайды, тез буланып кетпейді және атмосферада ұзақ сақталады.

Саңырауқұлақтың әсері

2001 жылы Белизде Geotrichum candidum саңырауқұласының бір түрі компакт-дискілерде (CD) болатын поликарбонатты жейтіні анықталды. Бұл биоремедиацияға мүмкіндік береді. Дегенмен, осы құбылысты қайта жасау мүмкін болмады.