Polykarbonat - Polycarbonate
| Polykarbonat | |
|---|---|
 Gjentatt enhet for kjemisk struktur av
polykarbonat laget av bisfenol A  | |
| Fysiske egenskaper | |
| Tetthet (ρ) | 1,20–1,22 g/cm 3 |
| Abbe nummer (V) | 34,0 |
| Brytningsindeks (n) | 1.584–1.586 |
| Antennelighet | V0-V2 |
| Begrensning av oksygenindeks | 25–27% |
| Vannabsorbering - likevekt (ASTM) | 0,16–0,35% |
| Vannabsorbering - over 24 timer | 0,1% |
| Strålingsmotstand | Rettferdig |
| Ultrafiolett (1-380 nm) motstand | Rettferdig |
| Mekaniske egenskaper | |
| Youngs modul (E) | 2,0–2,4 G Pa |
| Strekkfasthet (σ t ) | 55–75 M Pa |
| Forlengelse (ε) ved pause | 80–150% |
| Trykkfasthet (σ c ) | > 80 MPa |
| Poissons forhold (ν) | 0,37 |
| Hardhet - Rockwell | M70 |
| Izod slagstyrke | 600–850 J /m |
| Hakk -test | 20–35 k J/m 2 |
| Slitestyrke ASTM D1044 | 10–15 m g /1000 sykluser |
| Friksjonskoeffisient (μ) | 0,31 |
| Lydens hastighet | 2270 m/s |
| Termiske egenskaper | |
| Glassovergangstemperatur (T g ) | 147 ° C (297 ° F) |
| Varmeavbøyningstemperatur | |
| Vicat mykningspunkt ved 50 N. | 145–150 ° C (293–302 ° F) |
| Øvre arbeidstemperatur | 115–130 ° C (239–266 ° F) |
| Lavere arbeidstemperatur | −40 ° C (−40 ° F) |
| Varmeledningsevne (k) ved 23 ° C | 0,19–0,22 W /(m · K) |
| Termisk diffusivitet (a) ved 25 ° C | 0,144 mm²/s |
| Lineær termisk ekspansjonskoeffisient (α) | 65–70 × 10 −6 / K |
| Spesifikk varmekapasitet (c) | 1,2–1,3 kJ/( kg · K) |
| Elektriske egenskaper | |
| Dielektrisk konstant (ε r ) ved 1 M Hz | 2.9 |
| Permittivitet (ε) | 2,568 × 10 −11 F /m |
| Relativ permeabilitet (μ r ) ved 1 MHz | 0,866 (2) |
| Permeabilitet (μ) ved 1 MHz | 1,089 (2) μ N/ A 2 |
| Spredningsfaktor ved 1 MHz | 0,01 |
| overflate resistivitet | 10 15 Ω /kvm |
| Volum resistivitet (ρ) | 10 12 –10 14 Ω · m |
| Kjemisk motstand | |
| Syrer - konsentrert | Dårlig |
| Syrer - fortynnet | God |
| Alkoholer | God |
| Alkalier | God-stakkars |
| Aromatiske hydrokarboner | Dårlig |
| Fett og oljer | God-rettferdig |
| Halogenerte hydrokarboner | God-fattig |
| Halogener | Dårlig |
| Ketoner | Dårlig |
| Gassgjennomtrengning ved 20 ° C | |
| Nitrogen | 10–25 cm 3 · mm/(m 2 · dag · Bar ) |
| Oksygen | 70–130 cm 3 · mm/(m 2 · dag · Bar) |
| Karbondioksid | 400–800 cm 3 · mm/(m 2 · dag · Bar) |
| Vann damp | 1-2 g-mM / (m 2 -dag) @ 85% -0% RH gradient |
| Økonomi | |
| Pris | 2,6–2,8 €/kg |
Polykarbonater ( PC ) er en gruppe termoplastiske polymerer som inneholder karbonatgrupper i deres kjemiske strukturer. Polykarbonater som brukes i konstruksjonen er sterke, tøffe materialer, og noen karakterer er optisk transparente. De bearbeides, støpes og termoformes enkelt . På grunn av disse egenskapene finner polykarbonater mange bruksområder. Polykarbonater har ikke en unik harpiksidentifikasjonskode (RIC) og er identifisert som "Annet", 7 på RIC -listen. Produkter laget av polykarbonat kan inneholde forløpermonomeren bisfenol A (BPA).
Struktur
Karbonatestere har plane OC (OC) 2 kjerner, noe som gir stivhet. Den unike O = C-bindingen er kort (1.173 Å i det avbildede eksemplet), mens CO-bindingene er mer eterlignende (bindingsavstandene på 1.326 Å for eksemplet som er avbildet). Polykarbonater fikk navnet sitt fordi de er polymerer som inneholder karbonatgrupper (−O− (C = O) −O−). En balanse mellom nyttige egenskaper, inkludert temperaturmotstand, slagfasthet og optiske egenskaper, posisjonerer polykarbonater mellom råvareplast og konstruksjonsplast .
Produksjon
Hovedpolykarbonatmaterialet produseres ved reaksjon av bisfenol A (BPA) og fosgen COCl
2. Den generelle reaksjonen kan skrives som følger:
Det første trinn i syntesen omfatter behandling av bisfenol A med natriumhydroksyd , som deprotonates de hydroksylgrupper av bisfenol A.
- (HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + 2 NaOH → Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + 2 H20
Den di -fenoksydet (Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ) reagerer med fosgen for å gi et klorformat , som deretter blir angrepet av en annen fenoksid. Netto reaksjon fra difenoksidet er:
- Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + COCl 2 → 1/n [OC (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + 2 NaCl
På denne måten produseres det om lag en milliard kilo polykarbonat årlig. Mange andre dioler har blitt testet i stedet for bisfenol A, f.eks. 1,1-bis (4-hydroksyfenyl) cykloheksan og dihydroksybenzofenon . Sykloheksanen brukes som en komonomer for å undertrykke krystalliseringstendensen til det BPA-avledede produktet. Tetrabromobisphenol A brukes til å øke brannmotstanden. Tetramethylcyclobutanediol er utviklet som erstatning for BPA.
En alternativ rute til polykarbonater innebærer transesterifisering fra BPA og difenylkarbonat :
- (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
Difenylkarbonatet ble delvis avledet fra karbonmonoksid , denne ruten var grønnere enn fosgenmetoden.
Egenskaper og behandling
Polykarbonat er et slitesterkt materiale. Selv om den har høy slagfasthet, har den lav ripebestandighet. Derfor er et hardt belegg påført på polykarbonat brillelinser og polykarbonat utvendige bildeler. Egenskapene til polykarbonat kan sammenlignes med egenskapene til polymetylmetakrylat (PMMA, akryl), men polykarbonat er sterkere og holder lenger til ekstrem temperatur. Varmebehandlet materiale er vanligvis totalt amorft, og er derfor svært gjennomsiktig for synlig lys , med bedre lysoverføring enn mange typer glass.
Polykarbonat har en glassovergangstemperatur på omtrent 147 ° C (297 ° F), så det mykner gradvis over dette punktet og flyter over omtrent 155 ° C (311 ° F). Verktøy må holdes ved høye temperaturer, vanligvis over 80 ° C (176 ° F) for å lage belastningsfrie og stressfrie produkter. Lav molekylmasse karakterer er enklere å støpe enn høyere karakterer, men deres styrke er lavere som et resultat. De tøffeste karakterene har den høyeste molekylmassen, men er vanskeligere å behandle.
I motsetning til de fleste termoplast kan polykarbonat gjennomgå store plastiske deformasjoner uten å sprekke eller gå i stykker. Som et resultat kan det bearbeides og formes ved romtemperatur ved bruk av plateteknikker , for eksempel bøyning på en brems . Selv for skarpe vinkelbøyninger med en stram radius er det ikke nødvendig med oppvarming. Dette gjør det verdifullt i prototyping applikasjoner der transparente eller elektrisk ikke-ledende deler er nødvendig, som ikke kan lages av metallplater. PMMA/akryl , som ligner på polykarbonat, er sprø og kan ikke bøyes ved romtemperatur.
Hovedtransformasjonsteknikker for polykarbonatharpikser:
- ekstrudering i rør, stenger og andre profiler inkludert multivall
- ekstrudering med sylindere ( kalendere ) til ark (0,5–20 mm (0,020–0,787 in)) og filmer (under 1 mm (0,039 in)), som kan brukes direkte eller produseres til andre former ved hjelp av termoforming eller sekundære fabrikasjonsteknikker , for eksempel som bøying, boring eller ruting. På grunn av sine kjemiske egenskaper bidrar det ikke til laserskjæring.
- sprøytestøping til ferdige artikler
Polykarbonat kan bli sprøtt når det utsettes for ioniserende stråling over 25 kGy (J/kg).
applikasjoner
Elektroniske komponenter
Polykarbonat brukes hovedsakelig til elektroniske applikasjoner som utnytter de kollektive sikkerhetsfunksjonene. Siden den er en god elektrisk isolator og har varmebestandige og flammehemmende egenskaper, brukes den i forskjellige produkter knyttet til elektrisk og telekommunikasjonsmaskinvare. Det kan også fungere som et dielektrikum i høystabilitetskondensatorer . Kommersiell produksjon av polykarbonatkondensatorer stoppet imidlertid stort sett etter at enprodusenten Bayer AG sluttet å lage polykarbonatfilm av kondensatorgrad i slutten av 2000.
Bygningsmaterialer
Den nest største forbruker av polykarbonater er byggebransjen, for eksempel for domelights, flat eller buet glass, takplater og solide vegger . Polykarbonater brukes til å lage materialer som brukes i bygninger som må være holdbare, men lette.
Datalagring
Et stort marked for polykarbonat er produksjon av kompakte plater , DVDer og Blu-ray- plater. Disse skivene produseres ved sprøytestøping av polykarbonat i et formhulrom som på en side har en metallstemper som inneholder et negativt bilde av skivedataene, mens den andre formsiden er en speilet overflate. Typiske produkter for ark-/filmproduksjon inkluderer applikasjoner i reklame (skilt, skjermer, plakatbeskyttelse).
Bil, fly og sikkerhetskomponenter
I bilindustrien kan sprøytestøpt polykarbonat produsere veldig glatte overflater som gjør det godt egnet for sputteravsetning eller fordampning av aluminium uten behov for et grunnlag. Dekorative rammer og optiske reflektorer er vanligvis laget av polykarbonat. Den lave vekten og den høye støtmotstanden har gjort polykarbonat til det dominerende materialet for lyskastere til billykter. Billykter krever imidlertid ytre overflatebelegg på grunn av lav ripebestandighet og følsomhet for ultrafiolett nedbrytning (gulfarging). Bruken av polykarbonat i bilapplikasjoner er begrenset til applikasjoner med lav belastning. Stress fra festemidler, plastsveising og støping gjør polykarbonat utsatt for spenningskorrosjon når det kommer i kontakt med visse akseleranter som saltvann og plastisol . Det kan lamineres for å lage skuddsikkert "glass" , selv om "skuddresistent" er mer nøyaktig for de tynnere vinduene, slik som brukes i skuddresistente vinduer i biler. De tykkere barrierene av gjennomsiktig plast som brukes i tellervinduer og barrierer i banker er også polykarbonat.
Såkalt "tyverisikker" stor plastemballasje for mindre gjenstander, som ikke kan åpnes for hånd, er vanligvis laget av polykarbonat.
Cockpit-kalesjen til Lockheed Martin F-22 Raptor jetjager er laget av et stykke polykarbonat av høy optisk kvalitet, og er det største stykket av sin type som er dannet i verden.
Nisjeapplikasjoner
Polykarbonat, som er et allsidig materiale med attraktiv prosessering og fysiske egenskaper, har tiltrukket seg utallige mindre applikasjoner. Bruk av injeksjonsstøpte drikkeflasker, glass og matbeholdere er vanlig, men bruk av BPA ved fremstilling av polykarbonat har vekket bekymringer (se Potensielle farer i applikasjoner som kommer i kontakt med mat ), noe som fører til utvikling og bruk av "BPA-fri" plast i forskjellige formuleringer.
Polykarbonat brukes ofte i øyebeskyttelse, så vel som i andre prosjektilbestandige visnings- og belysningsapplikasjoner som normalt indikerer bruk av glass , men krever mye høyere slagfasthet. Polykarbonatlinser beskytter også øyet mot UV -lys. Mange typer linser er laget av polykarbonat, inkludert bil lykteglass, belysning linser, solbriller / brillelinser , og svømmebriller, SCUBA masker og vernebriller / briller / visir inkludert visir i sportshjelmer / masker og politiet bråk utstyr (hjelm visir, opprørskjold, etc.). Frontruter i små motoriserte kjøretøyer er vanligvis laget av polykarbonat, for eksempel motorsykler, ATV, golfbiler og små fly og helikoptre.
Den lette vekten av polykarbonat i motsetning til glass har ført til utvikling av elektroniske skjermer som erstatter glass med polykarbonat, for bruk i mobile og bærbare enheter. Slike skjermer inkluderer nyere e-blekk og noen LCD-skjermer, selv om CRT, plasmaskjerm og andre LCD-teknologier generelt fremdeles krever glass for sin høyere smeltetemperatur og evnen til å bli etset i detalj.
Etter hvert som flere og flere regjeringer er å begrense bruken av glass i puber og klubber på grunn av økt forekomst av glassings er polykarbonat glass blitt populært for skjenking på grunn av sin styrke, holdbarhet, og glass-aktig preg.
Andre diverse ting inkluderer holdbar, lett bagasje, MP3/digital lydspilletui , ocarinas , datamaskinvesker, opprørskjold , instrumentpaneler, telysbeholdere og matblender. Mange leker og hobbyartikler er laget av polykarbonatdeler, som finner, gyrofester og svinglåser i radiostyrte helikoptre , og gjennomsiktig LEGO ( ABS brukes til ugjennomsiktige stykker).
Standard polykarbonatharpikser er ikke egnet for langvarig eksponering for UV -stråling. For å overvinne dette kan primærharpiksen ha UV -stabilisatorer tilsatt. Disse karakterene selges som UV -stabilisert polykarbonat til sprøytestøpe- og ekstruderingsselskaper. Andre applikasjoner, inkludert polykarbonatplater, kan ha anti-UV-laget tilsatt som et spesielt belegg eller en ekstrudering for forbedret værbestandighet .
Polykarbonat brukes også som et tryksubstrat for typeskilt og andre former for industriell kvalitet under trykte produkter. Polykarbonatet gir en barriere mot slitasje, elementene og falming.
Medisinske applikasjoner
Mange polykarbonatkvaliteter brukes i medisinske applikasjoner og overholder både ISO 10993-1 og USP klasse VI standarder (noen ganger referert til som PC-ISO). Klasse VI er den strengeste av de seks USP -vurderingene. Disse karakterene kan steriliseres ved bruk av damp ved 120 ° C, gammastråling eller ved etylenoksyd (EtO) -metoden. Dow Chemical begrenser strengt all plast når det gjelder medisinske applikasjoner. Alifatiske polykarbonater er utviklet med forbedret biokompatibilitet og nedbrytbarhet for nanomedisin -applikasjoner.
Mobiltelefoner
Noen store smarttelefonprodusenter bruker polykarbonat. Nokia brukte polykarbonat i telefonene sine fra og med N9s unibody -etui i 2011. Denne praksisen fortsatte med forskjellige telefoner i Lumia -serien . Samsung har begynt å bruke polykarbonat med Galaxy S III er hyperglaze -branded avtakbart batteridekselet i 2012. Denne praksisen fortsetter med ulike telefoner i Galaxy -serien. Apple begynte å bruke polykarbonat med iPhone 5C er unibody saken i 2013.
Fordelene i forhold til glass og metall bakdeksler inkluderer holdbarhet mot knusing (svakhet i glass), bøyning og riper (svakhet i metall), støtdemping, lave produksjonskostnader og ingen forstyrrelse av radiosignaler og trådløs lading (svakhet i metall). Polykarbonat bakdeksler er tilgjengelige i blanke eller matte overflatestrukturer .
Historie
Polykarbonater ble først oppdaget i 1898 av Alfred Einhorn , en tysk forsker som jobbet ved universitetet i München . Etter 30 års laboratorieforskning ble imidlertid denne klassen av materialer forlatt uten kommersialisering. Forskningen ble gjenopptatt i 1953, da Hermann Schnell i Bayer i Uerdingen, Tyskland patenterte det første lineære polykarbonatet. Merkenavnet "Makrolon" ble registrert i 1955.
Også i 1953, og en uke etter oppfinnelsen i Bayer, syntetiserte Daniel Fox ved General Electric i Schenectady, New York, uavhengig av et forgrenet polykarbonat. Begge selskapene søkte om amerikanske patenter i 1955, og ble enige om at selskapet som mangler prioritet ville bli gitt lisens til teknologien.
Patentprioritet ble løst til fordel for Bayer, og Bayer begynte kommersiell produksjon under handelsnavnet Makrolon i 1958. GE begynte produksjonen under navnet Lexan i 1960, og opprettet GE Plastics -divisjonen i 1973.
Etter 1970 ble den opprinnelige brunlige polykarbonatfargen forbedret til "glassklar".
Potensielle farer i applikasjoner som kommer i kontakt med mat
Bruken av polykarbonatbeholdere for matlagring er kontroversiell. Grunnlaget for denne kontroversen er deres hydrolyse (nedbrytning av vann, ofte referert til som utvasking) som oppstår ved høy temperatur, frigjør 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
Mer enn 100 studier har undersøkt bioaktiviteten til bisfenol A avledet fra polykarbonater. Bisfenol A så ut til å bli sluppet ut av bur i polykarbonat i vann ved romtemperatur, og det kan ha vært ansvarlig for forstørrelsen av reproduktive organer hos hunnmus. Dyreburene som ble brukt i forskningen, ble imidlertid produsert av polykarbonat av industriell kvalitet, snarere enn polykarbonat av FDA -mat.
En analyse av litteraturen om bisfenol A-lavdoseeffekter av vom Saal og Hughes publisert i august 2005 ser ut til å ha funnet en antydelig sammenheng mellom finansieringskilden og konklusjonen. Bransjefinansierte studier har en tendens til å finne ingen signifikante effekter, mens statlig finansierte studier har en tendens til å finne betydelige effekter.
Natriumhypoklorittblekemiddel og andre alkalirensere katalyserer frigjøringen av bisfenol A fra polykarbonatbeholdere. Polykarbonat er uforenlig med ammoniakk og aceton. Alkohol er et anbefalt organisk løsningsmiddel for rengjøring av fett og oljer fra polykarbonat.
Miljøpåvirkning
Avhending
Studier har vist at ved temperaturer over 70 ° C og høy luftfuktighet vil polykarbonat hydrolysere til Bis-fenol A (BPA). Denne tilstanden er lik den som er observert i de fleste forbrenningsovner. Etter ca. 30 dager ved 85 ° C / 96% RH dannes overflatekrystaller som for 70% besto av BPA. BPA er en forbindelse som for tiden er på listen over potensielle miljøfarlige kjemikalier. Det er på overvåkingslisten til mange land, for eksempel USA og Tyskland.
-(-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
Utlekking av BPA fra polykarbonat kan også forekomme ved omgivelsestemperatur og normal pH (i deponier). Mengden utvasking øker etter hvert som skivene blir eldre. En studie fant at nedbrytning av BPA på deponier (under anaerobe forhold) ikke vil forekomme. Det vil derfor være vedvarende på deponier. Etter hvert vil den finne veien til vannforekomster og bidra til vannforurensning.
Foto-oksidasjon av polykarbonat
I nærvær av UV-lys gir oksidasjon av denne polymer forbindelser som ketoner, fenoler, o-fenoksybenzoesyre, benzylalkohol og andre umettede forbindelser. Dette har blitt foreslått gjennom kinetiske og spektrale studier. Den gule fargen som dannes etter lang eksponering for sol kan også være relatert til ytterligere oksidasjon av fenolisk endegruppe
(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
Dette produktet kan oksideres ytterligere for å danne mindre umettede forbindelser. Dette kan fortsette via to forskjellige veier, produktene som dannes avhenger av hvilken mekanisme som finner sted.
Sti 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
Sti 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
Foto-oksidasjonsreaksjon.
Foto-aldring reaksjon
Fotoaldering er en annen nedbrytningsvei for polykarbonater. Polykarbonatmolekyler (for eksempel den aromatiske ringen) absorberer UV -stråling. Denne absorberte energien forårsaker spaltning av kovalente bindinger som starter fotoalderprosessen. Reaksjonen kan forplantes via sidekjedeoksidasjon, ringoksidasjon eller omlegging av foto-frites . Produkter som dannes inkluderer fenylsalisylat, dihydroksybenzofenongrupper og hydroksydifenyletergrupper.
n (C 16 H 14 O 3 ) C 16 H 17 O 3 + C 13 H 10 O 3
Polykarbonat Fenylsalisylat 2,2-dihydroksybenzofenon
Termisk nedbrytning
Avfallspolykarbonat vil nedbrytes ved høye temperaturer for å danne faste, flytende og gassformige forurensninger. En studie viste at produktene var omtrent 40–50 vekt% væske, 14–16 vekt% gasser, mens 34–43 vekt% gjensto som faste rester. Flytende produkter inneholdt hovedsakelig fenolderivater (~ 75 vekt%) og bisfenol (~ 10 vekt%) også tilstede. Polykarbonat kan imidlertid trygt resirkuleres som en karbonkilde i stålindustrien.
Fenolderivater er miljøgifter, klassifisert som flyktige organiske forbindelser (VOC). Studier viser at de sannsynligvis vil lette ozondannelse på bakkenivå og øke fotokjemisk smog. I vannlevende organer kan de potensielt akkumuleres i organismer. De er vedvarende på søppelfyllinger, fordamper ikke lett og vil forbli i atmosfæren.
Effekt av sopp
I 2001 ble det funnet en soppart i Belize , Geotrichum candidum , som spiste polykarbonatet som finnes i CD -plater . Dette har utsikter til bioremediering .
Se også
- CR-39 , allyldiglykolkarbonat (ADC) brukt til briller
- Mobiltelefontilbehør
- Organisk elektronikk
- Termoplastisk polyuretan
- Damppolering