Polycarbonat (kurz PC)

Polycarbonat (PC) ist ein linearer thermoplastischer technischer Kunststoff mit Carbonatgruppen. Seit seiner Industrialisierung in den 1950er Jahren hat es sich aufgrund seiner hervorragenden Transparenz, Schlagfestigkeit und Hitzebeständigkeit zu einem unverzichtbaren Schlüsselmaterial in der High-End-Fertigung entwickelt. Von transparenten Komponenten in der Luft- und Raumfahrt bis hin zu alltäglichen Brillengläsern, von Babyflaschen bis hin zu Panzerglas – PC hat mit seiner einzigartigen Gesamtleistung in vielen Bereichen unersetzliche Vorteile bewiesen und gleichzeitig seine Anwendungsgrenzen durch Umweltinnovationen und technologische Verbesserungen ständig erweitert.

1、 Molekularstruktur und Kerneigenschaften

Die Vorzüge von PC liegen in seiner einzigartigen Molekülkettenstruktur. Der Benzolring und die Carbonatgruppen in den Wiederholungseinheiten bilden ein starres und flexibles Molekülgerüst: Der Benzolring verleiht dem Material Steifigkeit und Hitzebeständigkeit, während die Etherbindungen in den Carbonatgruppen für ein gewisses Maß an Flexibilität sorgen. Diese Struktur ermöglicht PC eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig ausgezeichneter Schlagzähigkeit.

Hervorragende Leistung bei den mechanischen Eigenschaften

Die Schlagzähigkeit von PC ist sein wichtigstes Merkmal. Die Kerbschlagzähigkeit beträgt bis zu 60–80 kJ/m² und ist damit 250-mal höher als bei herkömmlichem Glas und 30-mal höher als bei PMMA. Bei -40 °C behält PC über 70 % seiner Schlagzähigkeit bei, weshalb es häufig in Bereichen eingesetzt wird, in denen Schlagzähigkeit erforderlich ist. Die Zugfestigkeit beträgt 60–70 MPa, der Biegemodul 2200–2400 MPa und die Steifigkeit ist besser als bei den meisten herkömmlichen Kunststoffen, sodass PC den mechanischen Anforderungen von Strukturbauteilen gerecht wird. Die Verschleißfestigkeit von PC ist jedoch gering und der Reibungskoeffizient hoch (0,3–0,4), was durch die Zugabe von Schmiermitteln oder die Mischung mit PTFE verbessert werden muss.

Optische und thermische Leistungsvorteile

PC weist eine hervorragende Transparenz auf, mit einer Lichtdurchlässigkeit von bis zu 89–90 %, einer Trübung von weniger als 1 % (ähnlich wie PMMA und Glas) und einer geringen Durchlässigkeit für ultraviolette Strahlen (fast keine Durchlässigkeit unter 300 nm), wodurch es sich für die Herstellung von Sonnenschutzgläsern und transparenten Komponenten für den Außenbereich eignet. Seine Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT, 1,82 MPa) beträgt 130–140 °C und seine Dauergebrauchstemperatur 120–130 °C. Es kann für kurze Zeit bei kochender Wassertemperatur verwendet werden, was Materialien wie ABS und PS überlegen ist. PC hat einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten (6–7 × 10 ⁻⁵/℃), eine gute Dimensionsstabilität und eignet sich für die Herstellung von Präzisionskomponenten.

Chemische und Verarbeitungseigenschaften

PC ist gut verträglich gegenüber Wasser, verdünnten Säuren und Salzlösungen, kann aber durch organische Lösungsmittel wie Ketone, Ester und aromatische Kohlenwasserstoffe korrodiert werden. Seine Verarbeitungseigenschaften sind besonders, mit hoher Schmelzviskosität, die eine Formgebung bei hohen Temperaturen (260–300 °C) und Drücken erfordert, sowie einer starken Feuchtigkeitsaufnahme (Gleichgewichtswasseraufnahmerate von 0,3 %). Vor der Verarbeitung muss es gründlich getrocknet werden (Feuchtigkeitsgehalt ≤ 0,005 %), da sonst Defekte wie Blasen und Silberdrähte auftreten können. PC kann durch Spritzguss, Extrusion, Blasformen und andere Verfahren geformt werden und eignet sich zur Herstellung transparenter Produkte mit komplexen Formen. Die Formschrumpfrate ist jedoch gering (0,5–0,7 %), und eine präzise Kontrolle der Formtemperatur ist erforderlich, um innere Spannungen zu reduzieren.

2. Produktionsprozess und Rohstoffquellen

Der Produktionsprozess von PC ist komplex und weist hohe technische Hürden auf. Kernstück ist die Bildung von Polymerketten durch die Kondensationsreaktion von Bisphenol A und Diphenylcarbonat. Die Reinheit der Rohstoffe und die Prozesskontrolle wirken sich direkt auf die Produktleistung aus.

Rohstoffsystem und Industriekette

Die wichtigsten Rohstoffe für PC sind Bisphenol A (BPA) und Diphenylcarbonat (DPC), wobei Bisphenol A über 70 % der Rohstoffkosten ausmacht. Es wird durch Kondensation von Phenol und Aceton unter sauren Katalysatoren hergestellt; Diphenylcarbonat entsteht durch die Reaktion von Phenol mit Phosgen oder eine oxidative Carbonylierungsreaktion. Die Verwendung von Phosgen in herkömmlichen Verfahren birgt Sicherheitsrisiken, weshalb sich mittlerweile die umweltfreundliche Methode ohne Phosgen (Esteraustauschverfahren) durchgesetzt hat. Bisphenol A und Diphenylcarbonat stammen beide aus der petrochemischen Industrie. In den letzten Jahren wurden Fortschritte in der Forschung und Entwicklung von biobasiertem Bisphenol A erzielt, das durch Biomassefermentation Phenol produziert und die Möglichkeit bietet, PC umweltfreundlicher zu gestalten.

Vergleich gängiger Produktionsverfahren

Es gibt zwei Hauptverfahren für die industrielle Herstellung von PC: das Schmelzesteraustauschverfahren und das Grenzflächenkondensationsverfahren. Beim Schmelzesteraustauschverfahren findet bei hohen Temperaturen (200–300 °C) und unter Vakuum eine Esteraustauschreaktion zwischen Bisphenol A und Diphenylcarbonat statt, bei der kleine Phenolmoleküle entfernt werden und PC-Schmelze entsteht. Dieses Verfahren benötigt keine Lösungsmittel und ist umweltfreundlich, stellt jedoch hohe Anforderungen an die Abdichtung der Ausrüstung und eignet sich daher zur Herstellung von PC mit niedrigem bis mittlerem Molekulargewicht (Grenzviskosität 0,3–0,6 dL/g). Das Grenzflächenkondensationsverfahren reagiert an der Grenzfläche zwischen der wässrigen und der organischen Phase. Bisphenol-A-Natriumsalz und Phosgen kondensieren in Dichlormethan, wodurch ein Produkt mit hohem Molekulargewicht (Grenzviskosität 0,6–1,0 dL/g) entsteht. Allerdings erfordert es die Behandlung von chlorhaltigem Abwasser und ist einer hohen Umweltbelastung ausgesetzt. Derzeit wird es nach und nach durch das Schmelzverfahren ersetzt.

Nach Abschluss der Polymerisation wird die PC-Schmelze extrudiert und zu transparenten Partikeln granuliert. Bei Bedarf werden Additive wie Antioxidantien (zur Vermeidung von Hochtemperaturzersetzung), UV-Absorber (zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit) und Trennmittel (zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit) hinzugefügt. PC in Lebensmittelqualität erfordert eine strenge Kontrolle von Bisphenol-A-Rückständen (≤ 0,05 mg/kg), während PC in medizinischer Qualität eine Biokompatibilitätszertifizierung (z. B. USP Klasse VI) erfordert.

3. Klassifizierungssystem und Modifikationstechnologie

PC hat durch die Regulierung und Modifikation des Molekulargewichts ein diversifiziertes Produktsystem geschaffen, das die Leistungsanforderungen verschiedener Szenarien erfüllen kann. Zu den wichtigsten Klassifizierungsmethoden gehören Molekulargewicht, funktionelle Eigenschaften und Verarbeitungsmethoden.

Grundlegende Klassifizierung und typische Klassen

Entsprechend der intrinsischen Viskosität (Molekulargewichtsindex) kann es in niedrige Viskosität (0,3–0,5 dl/g, hohe Fließfähigkeit, geeignet für dünnwandiges Spritzgießen), mittlere Viskosität (0,5–0,7 dl/g, universelles Szenario) und hohe Viskosität (0,7–1,0 dl/g, hohe Festigkeit, geeignet für extrudierte Platten und Blasformen) unterteilt werden. Entsprechend den funktionellen Eigenschaften wird es in allgemeine Qualität (Grundleistung, verwendet für transparente Komponenten), wetterbeständige Qualität (mit UV-Absorbern versehen, verwendet für Produkte im Außenbereich), flammhemmende Qualität (zertifiziert nach UL94 V0-Niveau, verwendet für elektronische Geräte) und medizinische Qualität (geringe Löslichkeit, verwendet für medizinische Geräte) unterteilt.

Modifikationstechnologie und Legierungsmaterialien

Die Modifizierungstechnologie von PC wird hauptsächlich eingesetzt, um dessen geringe Verschleißfestigkeit und unzureichende chemische Beständigkeit auszugleichen: Durch Zugabe von Glasfasern (10–40 %) zur Verstärkungsmodifizierung wird die Zugfestigkeit auf 100–150 MPa erhöht und die Warmverformungstemperatur auf 160–180 °C angehoben, was zur Herstellung von Strukturkomponenten geeignet ist; verschleißfeste Modifizierungen mit Schmiermitteln wie PTFE und Silikon reduzieren den Reibungskoeffizienten um mehr als 50 % und werden für bewegliche Teile wie Lager und Zahnräder verwendet; chemikalienbeständige Modifizierungen werden mit ABS, PBT und anderen Materialien gemischt, um die Lösungsmittelbeständigkeit zu verbessern. Beispielsweise kombiniert eine PC/ABS-Legierung die Hitzebeständigkeit von PC mit der chemischen Beständigkeit von ABS und wird häufig im Fahrzeuginnenraum eingesetzt.

PC-Legierungen sind ein wichtiger Bereich für die Erweiterung ihrer Anwendungsgebiete. PC/ABS-Legierungen machen mehr als 70 % der gesamten PC-Legierungen aus und weisen eine Schlagfestigkeit von 20–50 kJ/m², eine Warmverformungstemperatur von 100–120 °C und geringere Kosten als reines PC auf. PC/PET-Legierungen verbessern die Ölbeständigkeit und Verarbeitbarkeit und werden für Peripheriekomponenten von Automotoren verwendet. PC/PMMA-Legierungen verbessern die Kratzfestigkeit von PC und werden für Handygehäuse und -linsen verwendet.

4. Diversifizierte Anwendungsbereiche

PC nimmt mit seiner Kombination aus Transparenz, hoher Festigkeit und Hitzebeständigkeit eine zentrale Stellung in Bereichen wie der Elektronik, der Automobilindustrie, der Medizin und dem Bauwesen ein und ist ein wegweisendes Material für die High-End-Fertigung.

Elektronik- und 3C-Industrie: Transparenz und Schutz gleichermaßen im Fokus

Der Elektroniksektor ist der größte Markt für PCs. Handyhüllen und Laptop-Bildschirmrahmen nutzen die Schlagfestigkeit und Dimensionsstabilität der PC/ABS-Legierung. Der Frontrahmen von Monitoren und Fernsehern besteht aus flammhemmendem PC, der den Brandschutzanforderungen entspricht. Die transparenten Komponenten von 3C-Produkten, wie z. B. Schutzlinsen für Handykameras und Tablet-Gehäuse, bestehen aus kratzfestem PC (oberflächengehärtet) mit einer Lichtdurchlässigkeit von 90 % und Schlagfestigkeit. Auch LED-Lampenschirme und optische Linsen basieren auf der Transparenz und Hitzebeständigkeit von PC (um sich an die Wärmeableitung der LEDs anzupassen).

Automobilindustrie: Sicherheit und Leichtbau verbinden

Der Einsatz von PC in Automobilen konzentriert sich auf Sicherheit und transparente Komponenten: Die Scheinwerferabdeckungen bestehen aus wetterbeständigem PC, der eine hohe Lichtdurchlässigkeit und Steinschlagfestigkeit aufweist und nur halb so viel wiegt wie Glas. Armaturenbrettabdeckungen und Fenster (z. B. Panoramadach) erhöhen durch ihre Transparenz und Schlagfestigkeit die Fahrsicherheit. Das Batteriegehäuse von Fahrzeugen mit alternativer Energie besteht aus einer flammhemmenden PC/ABS-Legierung, die sowohl isolierend als auch feuerbeständig ist. Im Vergleich zu Metallgehäusen ist sein Gewicht um mehr als 30 % reduziert. Jedes Auto kann 5–15 kg PC verwenden, ein Schlüsselmaterial für Leichtbau und Funktionsintegration in Automobilen.

Medizin- und Gesundheitsbereich: Gewährleistung von Sicherheit und Sauberkeit

Medizinisches PC wird aufgrund seiner Transparenz, Sterilisationsbeständigkeit und Biokompatibilität häufig in medizinischen Geräten verwendet, beispielsweise in Infusionssets und Spritzengehäusen, bei denen der Flüssigkeitsfluss deutlich sichtbar ist. Das Gehäuse des Blutdialysators ist beständig gegen Hochtemperatur-Dampfsterilisation (121 °C). Sauerstoff- und Anästhesiemasken bestehen aus einer weichen, geruchsneutralen PC-Mischung. Im Bereich des Lebensmittelkontakts müssen PC-Wasserflaschen und Babyflaschen den Standards FDA und GB 4806.6 entsprechen und die Auflösung von Bisphenol A streng kontrollieren.

Architektur und Schutz: Transparenz und Haltbarkeit im Gleichgewicht

In der Architektur werden PC-Platten (einlagig, zweilagig hohl) für Oberlichter und Schallschutzwände verwendet. Sie weisen eine Lichtdurchlässigkeit von über 80 % und eine 200-mal höhere Schlagfestigkeit als Glas auf. Sie sind zudem leicht und einfach zu installieren. Im Bereich Schutz bieten kugelsicheres Glas (PC und Glasverbund), Schutzhelme und Schutzbrillen dank der Schlagfestigkeit von PC zuverlässigen Schutz. Darüber hinaus werden PC-Rohre aufgrund ihrer Temperatur- und Druckbeständigkeit für Warmwasserleitungen und den Transport industrieller Flüssigkeiten verwendet.

5. Umweltschutz und Entwicklungstrends

Die Umweltfreundlichkeit von PC wurde lange Zeit durch die Kontroverse um Bisphenol A beeinträchtigt. In den letzten Jahren wurde dieses Problem jedoch durch technologische Innovationen schrittweise gelöst, während die Branche sich in Richtung leistungsfähiger und umweltfreundlicher Entwicklung bewegt.

Streit und Lösung im Zusammenhang mit Bisphenol A

Die endokrinen Störungen durch Bisphenol A haben Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von PC geweckt. Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen: Die eine besteht darin, Bisphenol-A-freies PC zu entwickeln und dabei biobasierte Monomere wie Isosorbid zu verwenden, um Bisphenol A zu ersetzen, das kommerziell eingesetzt wird, insbesondere im Bereich der Säuglings- und Kleinkinderprodukte. Die zweite besteht darin, den Produktionsprozess zu optimieren und die Restmenge an Bisphenol A zu reduzieren. Die Migrationsmenge von Bisphenol A in lebensmitteltauglichem PC wurde innerhalb der Sicherheitsgrenzen (EU-Verordnung ≤ 0,05 mg/kg) kontrolliert.

Recycling und Kreislaufwirtschaft

Die physikalische Recyclingtechnologie für PC ist ausgereift. Nach Sortieren, Reinigen, Zerkleinern und Schmelzgranulieren können ausrangierte PC-Produkte zur Herstellung von Produkten ohne Lebensmittelkontakt (wie Elektrogehäusen und Mülleimern) verwendet werden. Die Mischungsrate der recycelten Materialien kann 30–50 % erreichen. Beim chemischen Recycling wird PC durch eine Depolymerisationsreaktion in Bisphenol A und Diphenylcarbonat zerlegt, die zur Polymerisation wiederverwendet werden, um einen geschlossenen Kreislauf zu erreichen. Diese Technologie hat in Europa bereits die industrielle Umsetzung erreicht. Die weltweite PC-Recyclingquote liegt bei etwa 15–20 % und soll bis 2030 auf über 30 % steigen.

Technologische Innovationsrichtung

Die Entwicklung zukünftiger PCs wird sich auf drei Bereiche konzentrieren: Leistungssteigerung durch Molekulardesign zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit (thermische Verformungstemperatur über 160 °C) und der chemischen Beständigkeit, auch im Bereich der Hochtemperaturtechnik; funktionale Entwicklung von antibakteriellem PC (mit zusätzlichen Silberionen) und wärmeleitfähigem PC (Graphen-Verbundwerkstoff), um den Anforderungen an die Wärmeableitung in Medizin und Elektronik gerecht zu werden; grünes Engagement fördert die Industrialisierung biobasierter PCs. Derzeit sind PCs mit einem biobasierten Anteil von 30–50 % kommerziell erhältlich, und vollständig biobasierte PCs befinden sich in der Entwicklung. Darüber hinaus gewinnt der 3D-Druck spezifischer PC-Drähte im Bereich der personalisierten Fertigung aufgrund ihrer hohen Formgenauigkeit schnell an Bedeutung.

Als Hochleistungs-Konstruktionskunststoff spiegelt die Entwicklungsgeschichte von PC das Streben nach einem umfassenden Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Transparenz und Hitzebeständigkeit in der Materialwissenschaft wider. Von der High-End-Fertigung bis hin zu Produkten des täglichen Bedarfs unterstützt PC mit seiner einzigartigen Leistung den technologischen Fortschritt der modernen Gesellschaft. Mit dem Durchbruch der Umweltschutztechnologie und der Förderung der Kreislaufwirtschaft wird PC eine nachhaltigere Entwicklung erreichen und gleichzeitig seine Leistungsvorteile beibehalten und weiterhin die zentrale Rolle als High-End-Material spielen.