聚碳酸酯的性能与应用解析

刘墨白

聚碳酸酯最早由德国科学家Alfred Einhorn在1898年首次合成。聚碳酸酯是一种透明材料，有很好的力学性能、阻燃性能和耐高温性。作为五大工程塑料之一，聚碳酸酯被应用于建筑业板材、汽车零部件、医疗器械、航空航天、电子电器、光学透镜、光盘基础材料、LED照明......许多领域，市场前景广阔。

一说起PC，大多数人想到的都是电脑（Personal Computer）的缩写，但是我们这里要说的是塑料中的PC （Polycarbonated），中文名称是聚碳酸酯。聚碳酸酯是塑料中的一种，在我们周围，有很多生活物品就是用聚碳酸酯制造的，比如：水桶、光盘、镜片……作为五大工程塑料之一的聚碳酸酯，早就渗透到了我们生活的方方面面。本文就来详解一下聚碳酸酯的“前世今生”。

诞生

聚碳酸酯最早由德国科学家Alfred Einhorn在1898年首次合成，因为一直没有找到合适的应用领域，长达半个多世纪“养在闺中无人识”。不过是金子就总会有发光的那一天——1955年，Bayer公司的科学家Hermann Schnell重新将聚碳酸酯合成出来，并于当年申请了专利。同年，Bayer公司正式给自家的聚碳酸酯起了个商品名“Makrolon”。

纵观整个塑料科技史，不得不说，上世纪五六十年代是塑料科技大发展的时代。就在同一时期，1953年GE公司 （后来塑料部门出身的杰克·韦尔奇担任该公司CEO） 的科学家 Daniel Fox也独立合成出了聚碳酸酯，而且，同样在1955年向美国专利局提交了专利申请。一场知识产权大战由此展开……

最后，美国专利局裁定，该项技术专利归Bayer所有，因为他们比GE公司早提交申请书一个星期。就因这短短一星期，Bayer从GE那里拿到了不少专利费。时间就是金钱，在这里得到了完美的体现。

1958年，Bayer公司开始量产并商业化“Makrolon”。两年后，在支付了一笔“保护费”后，GE公司也开始量产聚碳酸酯，GE家的聚碳酸酯商品名是“Lexan”。自此，聚碳酸酯作为工程塑料登上了历史舞台，由于它集良好的光学性能、力学性能以及阻燃性能于一体，很快就得到了人们的关注。

生产

生产工艺

目前，聚碳酸酯的生产主要有两种方法：一是光气法;二是熔融法。虽然大多数生产商都采用光气法，但是，因为光气剧毒，加之大众对环保问题日益重视，新建的PC生产基地基本都采用较为环保的熔融法。可是鱼与熊掌不可兼得，熔融法生产出的聚碳酸酯在某些性能上比光气法还是要差一些。不过除了一些高端的应用需求，熔融法制备的聚碳酸酯已基本可以满足大部分需求。

虽然聚碳酸酯的实验室制备只有一步反应，非常简单，但在实际生产中却并非如此。实际生产中，所有的原料都需要从最基本的化学产品开始，一步步进行制备，并要将在此过程中产生的副产物——热、废水等加以回收并循环利用，这是一个相当复杂的系统性工程。就好像做一盘西红柿炒鸡蛋，需要从种植西红柿和养鸡开始，还要达到自动化与智能化。从图1不难看出聚碳酸酯工厂的规模与复杂性。

主要供应商

早起的鸟儿有虫吃，半个多世纪的耕耘使得Bayer和GE成为了全球聚碳酸酯的主要供应商，占据着半壁江山。继它们之后，美国的陶氏化学、日本的三菱、帝人，以及一些韩国公司相继掌握了聚碳酸酯的合成技术，并纷纷建厂，投入到浩浩荡荡的生产大军里来，但终究抵不过两位前辈在这个市场上的根深叶茂。2011年，全球聚碳酸酯的产能大约为466万吨，而Bayer和Sabic（原来的GE塑料）就分别占去了33%和22%的份额;日本厂商大约占了17%的产能;韩国企业也占去了8%的产能;其余如俄罗斯、沙特以及泰国都有大规模生产聚碳酸酯的能力。

同时，由于亚太区域作为新兴市场的崛起，各大聚碳酸酯供应商纷纷在该区域建立生产基地，使得亚太区域的产能与欧美国家的产能达到旗鼓相当的程度。

那中国有没有国产的聚碳酸酯呢？虽然早在1958年，沈阳化工研究院就开发出了聚碳酸酯的合成工艺，但是由于早年生产工艺和设备落后，以及近年聚碳酸酯价格滑落等原因，直到2014年，我国也仅仅只有几个年产不到万吨的聚碳酸酯小厂。

在日益追求国产化的今天，该来的终归会来——2011年，中石化和Sabic宣布将在天津合资建立年产26万吨的聚碳酸酯项目。如果说这个带着一半洋色彩的项目和真正国产化还有一步距离的话，那么2015年4月，浙铁大风化工的拥有独立知识产权的聚碳酸酯装置的成功投产，算是结束了国内无万吨级以上自主工业化装置的历史。当然，要做到与欧美老牌公司以及日韩新贵们分庭抗礼，还需假以时日。

不过，随着塑料行业盈利水平的逐渐降低，欧美老牌公司渐渐退出了这个市场：2010年，陶氏化学将其聚碳酸酯业务部出售给贝恩资本，取名为Styron， 2015年该公司又改名为Trinseo;2015年9月，Bayer宣布将旗下材料业务集团（包括聚碳酸酯业务）独立出来，赋予其一个新名字——Covestro;最大的变数是GE塑料，2007年，沙特基础工业公司以116亿美元收购了GE的塑料部门并更名为Sabic 创新塑料部门，又于2015年10月解散创新塑料部门，将其并入新的“特殊产品部门”，其位于美国皮茨菲尔德的创新塑料总部也被关闭。当年工程塑料界的王者落得如此结局，让人唏嘘不止。白云苍狗，风云变幻，不知从这里起步的杰克·韦尔奇会作何感想。

性能

为什么聚碳酸酯这么好用？一年466万吨的产能到底用到哪里去了？只有了解了聚碳酸酯的性能，才会知道它的应用市场。

光学特性。它的透光率在90%左右，接近于玻璃但是又比玻璃轻，不易碎，易于加工。有人会以为这就是所谓的“有机玻璃”，其实不然！我们所说的有机玻璃的学名是“聚甲基丙烯酸甲酯”。有机玻璃虽然也是透明材料，甚至光学特性比聚碳酸酯还要优越，但是，它的力学性能与耐热性能比聚碳酸酯相差太多，而且还不防火。所以就综合性能而言，聚碳酸酯更全面，应用也更为广泛。endprint

力学性能。聚碳酸酯是刚性与韧性的有机结合体。一般而言，一种材料刚性很好的话，它就会很脆，往地上一摔就会碎。但聚碳酸酯虽有很好的刚性，很难将其折弯，它的韧性却也相当好，由其制成的产品，即使有重物从高处落在其上，也不容易破碎。例如，4公斤的圆球从0.1米高处落在1.2cm厚的聚碳酸酯板上，聚碳酸酯板能够完好无损。

阻燃性能。2010年11月上海市胶州路一场大火，让防火阻燃材料备受人们的关注。相较于其他塑料而言，聚碳酸酯有着优异的防火性能。在不添加任何阻燃剂的情况下，纯的聚碳酸酯就可以通过一定级别的防火测试。如果辅以少量的阻燃剂，聚碳酸酯就能达到最高级别的防火标准，同时，还不会损失其优良的光学以及力学性能，这是其他塑料产品根本做不到的。

耐高温性。随着温度的升高，所有塑料都会在一定温度下变软，从而失去使用价值。这个温度值也就是该塑料的最高使用温度。可以想象，这个温度数值越高，塑料的使用范围也就越宽。聚碳酸酯的最高使用温度可以达到120度至130度。大约十几年前，流行过所谓的“太空杯”，透明、轻便，它就是以聚碳酸酯为原材料制作的。

除了以上所说的四个主要特性，聚碳酸酯还有其他一些优良性能，比如电学性能、尺寸稳定性等等，这里不再赘述。

市场与应用

建筑业板材

聚碳酸酯板材具有良好的透光性、抗冲击性、耐紫外线辐射、制品的尺寸稳定性以及良好的成型加工性能，使其比建筑业传统使用的无机玻璃具有明显的技术性能优势。经压制或挤出方法制得的聚碳酸酯板材，重量是无机玻璃的50%，隔热性能比无机玻璃提高25%，冲击强度是普通玻璃的250倍，在世界建筑业上占主导地位，约有1/3用于窗玻璃、商业橱窗等玻璃制品。另外，由聚碳酸酯制成的具有大理石外观及低发泡木质外观的板材，也将在建筑业和家具行业中大显身手。例如，上海南站的屋顶、重庆奥林匹克体育馆的天窗、阿根廷城际动车组的窗户……都是用聚碳酸酯材料制成的。

汽车零部件

在追求节能高效的今天，轻型化、安全化是汽车制造业追求的重要目标。聚碳酸酯具有良好的抗冲击、抗热畸变性能，而且耐候性好、硬度高，因此，适用于生产轿车和轻型卡车的各种零部件，其主要应用领域集中在制造照明系统、仪表板、加热板、除霜器及聚碳酸酯合金制的保险杠等。尤其在汽车照明系统中，充分利用聚碳酸酯易成型加工的特性，将车灯头部、连接片、灯体等全部模塑在透镜中，设计灵活性大，便于加工，解决了传统玻璃制造头灯在工艺技术上的困难。在西方国家，聚碳酸酯在电子电气、汽车制造业中使用比例为40%-50%。目前，中国在该领域的使用比例只占10%左右，电子电气和汽车制造业是中国迅速发展的支柱产业，未来这些领域对聚碳酸酯的需求量将是巨大的。

医疗器械

由于聚碳酸酯制品可经受蒸汽、清洗剂、加热和大剂量辐射消毒，且不发生变黄和物理性能下降，因而被广泛应用于人工肾血液透析设备，以及其他需要在透明、直观条件下操作，并需反复消毒的医疗设备中，如生产高压注射器、外科手术面罩、一次性牙科用具、血液充氧器、血液收集存储器、血液分离器等。

航空航天

随着航空、航天技术的迅速发展，对飞机和航天器中各部件的要求不断提高，使得PC在该领域的应用也日趋增加。据统计，仅一架波音型飞机上所用聚碳酸酯部件就达2500个，单机耗用聚碳酸酯约2吨。而在宇宙飞船上，则采用了数百个不同构型并由玻璃纤维增强的聚碳酸酯部件，以及宇航员的防护用品等。

包装领域

近年来，在包装领域出现的新增长点是，可重复消毒和使用的各种型号的储水瓶。由于聚碳酸酯制品具有质量轻、抗冲击、透明性好、用热水和腐蚀性溶液洗涤处理时不变形且保持透明的优点，目前在一些领域，聚碳酸酯瓶已完全取代玻璃瓶。必须一提的是聚碳酸酯奶瓶——因为轻质、透明，曾经在市场上风靡一时。但是自1998年以来，陆续有研究表明，聚碳酸酯中游离的双酚A会在高温下析出，对婴幼儿的内分泌系统造成损害，引起性早熟，学习能力下降以及肥胖等疾病。也有业界人士对此持不同态度，认为目前所有数据都从小白鼠身上得出，并无人类试验的数据，而且聚碳酸酯奶瓶已经广泛使用了很多年，并未得到任何不良的反馈结果。不过万事小心为上，欧盟自2011年3月起禁止生产聚碳酸酯奶瓶;我国也要求自2011年6月1日，禁止生产聚碳酸酯婴幼儿奶瓶和其他含双酚A的婴幼儿奶瓶;自2011年9月1日起，禁止进口聚碳酸酯婴幼儿奶瓶和其他含双酚A的婴幼儿奶瓶。同时，国家质检总局也吊销了所有使用聚碳酸酯生产婴幼儿奶瓶企业的生产许可证。

电子电器

由于聚碳酸酯在较宽的温、湿度范围内具有良好而恒定的电绝缘性，是优良的绝缘材料，再加上其良好的难燃性和尺寸稳定性，使其在电子电器行业形成了广阔的应用领域。聚碳酸酯树脂主要用于生产各种食品加工机械、电动工具外壳、机体、支架、冰箱冷冻室抽屉和真空吸尘器零件等。而且在零件精度要求较高的计算机、视频录像机、彩色电视机中的重要零部件等领域，聚碳酸酯材料也显示出了极高的使用价值。

光学透镜

聚碳酸酯以其独特的高透光率、高折射率、高抗冲性、尺寸稳定性及易加工成型等特点，在光学透镜领域占有极其重要的位置。采用光学级聚碳酸酯制作的光学透镜不仅可用于制造照相机、显微镜、望远镜及光学测试仪器等，还可用于制造电影投影机透镜、复印机透镜、红外自动调焦投影仪透镜、激光束打印机透镜，以及各种棱镜、多面反射镜等，其应用市场极为广阔。聚碳酸酯在光学透镜方面的另一重要应用领域便是作为儿童眼镜、太阳镜、安全镜和成人眼镜的镜片材料。近年来，世界眼镜业聚碳酸酯消费量年均增长率一直保持在20%以上，显示出极大的市场活力。

光盘基础材料

作为音像信息存储介质的光盘，是聚碳酸酯应用的又一大市场。然而，近年来，受互联网、平板电脑、智能手机等新兴媒体的影响，全球光盘市场需求急剧萎缩，全球CD类光盘的复制量将下降到2009年的17%，DVD类光盘可能下降到2009年的36%，蓝光光盘的产量增幅也在逐步放缓。在没有新技术突破和新消费市场出现的情况下，光盘复制市场需求逐年萎缩的态势将持续下去。

LED照明行业

近年来，面临全球能源危机，LED产业如雨后春笋一般发展起来，现已广泛应用于照明、显示、背光等行业。而LED照明的应用会逐步淘汰白炽灯、荧光灯，这对实现节能减排以及积极应对全球气候变化具有重要意义。2013年，全球LED照明市场规模有大约270亿美元，而中国2013年市场规模也在480亿元人民币左右。因为聚碳酸酯的轻质、易加工、韧性高，以及阻燃、耐热等性能，使其成为LED照明中替换玻璃材质的首要选择。

总的来看，全球电子类产品，尤其是消费性电子产品市场约占到聚碳酸酯终端市场份额的20%;主要用于建筑工业的薄板和薄膜市场占到聚碳酸酯终端市场份额的18%;光学媒体市场占到18%;电器用具和汽车非窗体市场各占到12%。而各个地区的应用情况又各有不同：例如，2012年，在美国，汽车业约占聚碳酸酯需求的1/4，为其最大应用市场，其次是建筑业。在西欧，建筑业约占聚碳酸酯树脂需求1/4，其次是汽车业。中国情况则有所不同，虽然2012年中国的汽车产业消耗的聚碳酸酯比美国和欧洲总量还多，但仅占中国总量消耗的10%，与家电、家居用品及光盘应用相当。在我国，聚碳酸酯最大的消费领域是电子和电气行业，约占总需求的1/3。

最后，我们来看看工程塑料界的王者——聚碳酸酯到底是什么样子的：

图3就是聚碳酸酯的分子式，它就像人的基因，决定了聚碳酸酯的性能，也决定了聚碳酸酯的应用。endprint