一、工程塑料簡介

 

所謂工程塑料，即可替代金屬被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料。工程塑料需要具有優良的綜合性能，與通用塑料相比，其在機械性能、耐熱性、耐久性、耐腐蝕性等方面均能滿足更高要求，此外還具有更加便于加工以及可替代金屬材料的特性。

 

工程塑料分為通用工程塑料和特種工程塑料，其中五大通用工程塑料指的是綜合性能優良，長期使用溫度可在100℃以上的一類工程塑料。主要有PA、PC、POM、PBT/PET、PPO。特種工程塑料是指綜合性能較高，長期使用溫度可在150℃以上的一類工程塑料。

 

 

 

 

如果我們把“高富帥”比作性能高、產量多、外觀好，通過對比：

 

 

PA：產量突出---典型的“只剩下錢的富裕家族”，因而PA家族特需要玻纖/碳纖等不要命的馬仔來保護自己。

 

PC：性能、產量、外觀突出---可稱為“高富帥”；但高富帥也有缺點，吃不了苦頭（耐磨、耐疲勞性差），遇到點壓力容易發脾氣（應力開裂、高溫水解）

 

POM：性能高，但產量、外觀不突出---是只有“身高的窮小子”，打籃球是他最終的歸宿，因為POM身材又壯又高，又耐操；

 

PBT：性能高、產量、外觀都還行---中規中矩，普通老百姓，哪里需要就去哪里，流動性、適應性強，極具性價比（熔體流動性好、快速結晶性，注塑成本低）

 

PPO：性能超高、外觀也不錯，就是產量低---典型的除了沒錢，啥都有，跟PA相反，因此，PPO跟PA或者PS更富裕的家族合作才能實現他的實際價值（改善PPO的成型性）。

 

PC和PPO屬于非結晶性（無定形）塑料，而PBT、PA、POM則屬于結晶性塑料，非結晶性塑料和結晶性塑料，有些特性是相反的，比如流動性，結晶性塑料通常比非結晶性塑料好；收縮率，非結晶塑料比結晶性塑料小；透光性，非結晶塑料比結晶性塑料好等等。

 

大家都知道，PC的熔體粘度大，流動性差，然而，PPO的熔體流動性比PC更差，加工成型性極差，純PPO樹脂不能采用注射方法成型，這樣大大限制了它的應用。市場出售的產品均為其改良的產品MPPO（PPO與HIPS共混制得的改性材料）

 

所以，對于純樹脂來說，在五大通用工程塑料中，PC可以說是當之無愧的“高富帥”，1959年由拜耳公司率先生產，是現在用量第二大的工程塑料。

 

二、PC的簡介

 

聚碳酸酯（Polycarbonate）常用縮寫PC ，是一種無色透明的無定性熱塑性材料，其名稱來源于其內部的碳酸酯基團（-CO3）。PC具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩定性好，耐熱、吸水率低、無毒、介電性能優良，同時是五大工程塑料中應用最廣泛的透明性材料。

 

大部分工程師應該都知道PC是一種什么材料，它具有很多優異的性能，然而它為什么具有這些性能，這些性能是由什么決定的，估計很少人去深入分析。對于大部分結構工程師，他們更傾向于靠死記硬背性能參數去了解每一種材料，當然他們也有他們的理由，畢竟我不是材料工程師，我為啥要了解得那么深入，等到用到時再查查資料就好了，這聽起來似乎也沒啥問題。

 

直到有一次面試一位結構工程師，我問他市面上大部分桶裝水瓶的材料是啥，為什么使用這種材料？

 

他的回答是PC，嚴格來說是食品級PC，無毒，PC材料透明，強度高，且具有優異的抗沖擊性能，使用PC材料的桶裝水瓶在搬運過程中不易損壞，耐用。

 

這位工程師回答得不錯，然后我又問他，那PC是不是也可以用來制作我們平時喝熱水的保溫瓶？他不太肯定地說應該可以吧，畢竟經常看到超市貨架上有賣，且PC材料的耐溫可達100℃以上。

 

聽起來回答得也沒毛病，但是忽略了一個知識點，這個知識點需要從PC的化學結構式以及它的合成過程來說明。

 

聚碳酸酯（PC）是在分子主鏈中含有碳酸酯的高分子化合物的總稱，對于二羥基化合物的線型結構的聚碳酸酯一般用如下通式表示：

 

 

其中，隨著酯基R的不同，可分為可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的機械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應用，僅有芳香族聚碳酸酯獲得了工業化生產，其化學結構式如下圖。

 

 

PC的合成過程如下：工業上主要采用界面縮聚法，將一定配比的雙酚A、氫氧化鈉溶液、催化劑、分子量調節劑和溶劑（二氯甲烷或二氯乙烷）加入反應器中，于常溫常壓下通光氣進行光氣化和縮聚反應，最終取得聚碳酸酯。

 

 

從上面合成過程可知，雙酚A是合成PC的主要原料，反過來，如果PC這一聚合物由于某些原因發生裂解，雙酚A就會順理成章地游離出來。雙酚A從聚合鏈中斷裂并游離出來這一過程是化學反應過程，對于化學反應而言，溫度是最重要的因素。一方面，溫度升高，分子的動能增加，相互之間的碰撞增加，化學反應速度增加；另一方面，溫度升高，分子內能增加，更容易越過化學反應的能壘，使聚合鍵從薄弱的地方斷裂，從而溶出雙酚A。

 

雙酚A，又稱雙酚基丙烷（BPA），常被用于合成聚碳酸酯（PC）和環氧樹脂等材料。在塑料制品的制造過程中，添加雙酚A可以使其具有無色透明、耐用、輕巧和突出的防沖擊性等特性，但攝入過多的BPA被認為能導致內分泌失調，影響胎兒和兒童健康。癌癥以及新陳代謝紊亂導致的肥胖也被認為與此有關。歐盟認為含雙酚A奶瓶會誘發性早熟，從2011年3月2日起，禁止生產含BPA的嬰兒奶瓶。

 

盡管PC瓶能承受100℃的熱水而不發生變形，但高溫使雙酚A從PC中溶出量迅速增加，因此對于經常盛裝熱水的PC飲用瓶，應避免長時間使用。

 

所謂的富二代，就是生下來就擁有巨額財富的人，PC的各項優良性能如同“富二代”般，天生就具備。

 

圖：PC的性能數據（只供參考）

 

PC具有優良的綜合性能，尤其是它的沖擊強度在熱塑性樹脂中非常突出的，在保持優良性能基礎上其透光性（89%）在工程塑膠中也是佼佼者，綜觀所有常用工程塑料，在不通過共混、添加物等改性方法的情況下，PC可以說是目前較為理想的工程塑料。

 

三、PC的分子鏈結構：

 

PC之所以具有許多優良的性能，這與它的分子鏈結構是分不開的。

 

 

1)  苯基：大共軛的苯環，是難以彎曲的僵直部分，提高了分子鏈的剛性，賦予聚合物機械強度、耐熱性、耐化學品性、耐候性和尺寸穩定性，降低了聚合物在有機溶劑中的溶解性和吸水性。

 

2）氧基：又叫醚鍵，他的作用與苯基相反，增大了分子鏈的柔性，使得聚合物具有一定的韌性，但加大了聚合物在有機溶劑中的溶解性和吸水性。

 

3）羰基：增大了分子間的互相作用力，使大分子鏈間靠得更緊密，聚合物剛性增大。

 

4）酯基：極性較大的基團，增加分子鏈之間的相互作用力，因此分子鏈更難被拉伸和斷裂。同時也是分子鏈中較薄弱的部分，易水解斷裂，使得聚合物極易溶于極性有機溶劑，也是它的電絕緣性不及非極性甚至弱極性聚合物的原因，但它的極性能夠使得聚合物更好地與其他材料相容，并具有較好的附著能力。

 

綜上所述，PC所表現出的性能是為各種基團的綜合反映。

 

四、PC的優點：

 

苯基加上羰基的作用超過了氧基的相反作用，導致剛性相當大的分子鏈及互相間較大的吸引力使得彼此纏結不易解除，因而分子鏈相互滑動困難，表現為

 

1）力學性能：聚碳酸酯是剛性與韌性的有機結合體。一般而言，一種材料剛性很好的話，它就會很脆，往地上一摔就會碎。但聚碳酸酯雖有很好的剛性，很難將其折彎，它的韌性卻也相當好。

 

2）耐溫性：玻璃化溫度和熔融溫度較高，耐溫高，其分解溫度在300℃以上，長期工作溫度可高達120℃；同時它具有良好的耐寒性，脆化溫度低達-100℃；其長期使用溫度范圍是-60~120℃。

 

3）流動性：分子鏈滑動困難，熔體粘度高，流動性差，注塑加工性不好。PC的熔體粘度隨相對分子質量的增大而增大，在成型時，通過調節溫度改善其流動狀態，往往要比改變剪切速率更加有效。

 

4）尺寸穩定性好：PC的耐蠕變性在熱塑性工程塑料中是相當好的，優于PA和POM，因吸水而引起的尺寸變化和冷流變形均很小，同時其收縮率小，因而具有良好的尺寸穩定性。

 

5）光學性能：PC大分子鏈取向困難，不易結晶，使得聚合物處于無定形狀態，因而具有良好的透明性。

 

6）電性能：聚碳酸酯的分子極性小、玻璃化轉變溫度高、 吸水性低，因此具有優良的電絕緣性能，接近或相對于向來被認為電絕緣性能優良的PET。

 

7）阻燃性：PC具有一定的阻燃性，在不需要阻燃劑的情況下就具有UL94 V-2級阻燃性能。如果輔以少量的阻燃劑，PC就能達到較高級別的防火標準，同時，還不會損失其優良的光學以及力學性能，這是其他塑料產品根本做不到的。

 

PC材料本身可達UL94 V-2級阻燃，但仍無法滿足特殊領域對阻燃性能的更高要求，如電子電氣和汽車領域均要求PC阻燃等級達到V-0。

 

 

PC為什么具有一定的阻燃性？

 

極限氧指數

能維持聚合物燃燒的混合氣體中氧氣的最小體積分數，稱為聚合物的極限氧指數（LOI），簡稱氧指數（OI）。氧指數是衡量聚合物材料是否燃燒的重要指標。由于空氣中氧氣的體積分數為20.9%，所以，氧指數小于21%的聚合物，一般可在空氣中被點燃。

 

LOI<21%屬易燃，LOI為22%~25%具自熄性，26%~27%為難燃，28%以上為極難燃。

 

 

PC的極限氧指數（LOI）可達21%-25%，具有自熄性。為什么？

 

塑料樹脂等主鏈上含有大量芳基的高聚物，如酚醛樹脂PF、聚苯醚PPO、聚碳酸酯PC、聚芳酰胺、聚酰亞胺PA、聚楓PSU等，其氧指數LOI比脂肪烴類高聚物高。這主要是因為這類高聚物燃燒時可縮合成芳構型碳，產生的氣態可燃性產物少，而炭不僅本身的LOI高達65%，而且形成的炭層能覆蓋于燃燒著的高聚物表面而使火焰窒息，而PC材料燃燒時成炭率較高，能自熄。

 

五、PC的缺點

 

PC材料雖然具有很多優點，但也具有不少缺點：

 

1）耐疲勞性差：聚碳酸酯抵抗周期循環應力往復作用的能力較差。

 

2）耐磨性差：PC材料的分子鏈自由度較高，分子鏈間存在著較大的空間，易受外力影響，容易在表面產生劃痕和磨損。PC材料的分子結晶度相對較低，分子鏈排列比較紊亂，使得PC材料表面容易形成微觀坑洼，從而降低了其耐刮擦性能。PC材料通過加入粉狀聚四氟乙烯可提高自潤滑性，加入玻璃纖維提高硬度，可以改善其耐磨性能。

 

3）耐應力開裂性差：但當外力強迫取向時，大分子鏈又不易松弛，導致成型后制品內應力難以自行消除。

 

4）耐水解性差：由于分子鏈中含有-COO（酯基），在有酸或有堿存在的條件下，酯能發生水解反應生成相應的酸或醇。所以，常規PC耐水解穩定性不高，不能用于重復經受高壓蒸汽的制品。

 

5）耐化學性：聚碳酸酯能夠耐受無機及有機稀酸等化學物質，但不耐強堿。可以溶解在含氯的有機溶劑中，遇到丙酮等酮類溶劑時會發生應力開裂。

 

6）對缺口敏感：所謂缺口敏感，通俗來講就是當制品邊緣由于存在缺口（崩口，毛刺）時，制品在受力的作用下，順著缺口延伸開裂。由于PC制品內應力難以消除，制品存在缺口時，在力的作用下容易開裂。

 

7）耐候性：長期暴露于紫外線中會發黃變，因此，通常需要加入紫外線吸收劑以提高PC的防老化性能。

 

六、PC的改性

 

為了改善PC在性能上的不足，通過通過改性的方法，實現PC具備更高性能，拓展其應用領域。

 

常見的聚碳酸酯改性有纖維增強PC、阻燃PC和PC合金兩種。前者可以提升PC的拉伸強度、彎曲強度、耐熱性，而后者可以提升沖擊強度、電絕緣性、加工流動性，但是耐熱性會降低。

 

PC合金

 

即將PC與其他聚合物共混，PC共混改性的主要品種：PC/ABS、PC/PS、PC/PBT、PC/PA、PC/聚烯烴、PC/LCP等。

 

1）PC/ABS合金

 

是PC的主要品種，加工流動性好，沖擊缺口敏感度低，低溫韌性好。

 

2）PC/PS合金

 

加工流動性好，光學性能好，成本低；

 

3）PC/聚烯烴合金

 

加工流動性好，彈性模量高，耐應力開裂性好;

 

4）PC/P0M合金

 

PC和POM可按任意比例混合，既具有PC優良的力學性能和耐熱性能，又是耐溶劑和耐應力開裂性顯著。

 

5）PC/(PBT、PET)合金

 

改善了PC的耐溶劑性、耐磨性、耐應力開裂性和加工流動性。

 

6）PC/PA合金

 

沖擊韌性好，耐化學腐蝕性。

 

7）PC/PMMA合金

 

耐熱性好，耐UV光線，缺口沖擊強度高，其注塑制品的熔接縫強度高，有珠光色彩，可用于裝飾品的生產。

 

8）PC/PTFE合金

 

高的耐熱性、尺寸穩定性和沖擊韌性，最大的特點是具有高耐磨性。PTFE在PC中可起內潤滑作用，添加少量的PTFE，PC的耐磨性可提高5倍。

 

玻纖增強

 

玻璃纖維的加入可以明顯提高PC的疲勞強度，較少應力開裂，使其拉伸、壓縮強度以及彈性模量均有大幅度提高，而電性能、耐化學腐蝕性仍能與純凈PC相當。

 

阻燃改性

 

PC本身的阻燃性能可達UL-94 V-2級別，由于普通的聚合物，如聚乙烯等。但應用于電視機、電腦、打印機的機殼和組件、變壓器線圈、汽車部件、建筑材料和其它具有高阻燃性要求的領域，PC的阻燃性能仍顯不足，因此有必要對PC進行阻燃改性。