聚碳酸酯的发展现状与应用前景

聚碳酸酯的发展现状与应用前景

Development Situation and Application Prospect of Polycarbonate

摘要

聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的机械性能较低，从而限制了其在工程塑料方面的应用。目前仅有芳香族聚碳酸酯获的了工业化生产。由于聚碳酸酯结构上的特殊性，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。本文就聚碳酸酯的发展现状与前景做一个简要的分析。

关键词：聚碳酸酯发展前景

Abstract

Polycarbonate (PC) is a molecular chain containing carbonate group-containing polymer, according to ester structure can be divided into aliphatic, aromatic, aliphatic aromatic types. As one of the aliphatic polycarbonate, mechanical performance is low which limits its application in engineering plastics. At present only the aromatic polycarbonate obtained the industrialized production. Because polycarbonate structure property, has now become the five major engineering plastics in the fastest growing general engineering plastics. In this paper, we will do a brief analysis of the development status and prospect of polycarbonate..

Keywords: polycarbonate; development; prospect

目录

摘要 .................................................................... I ABSTRACT ............................................................... II

1 引言 (1)

2 聚碳酸酯的主要特征 (1)

2.1聚碳酸酯的物理性质 (1)

2.2聚碳酸酯的化学性质 (2)

3生产技术概况 (2)

3.1溶液光气法 (2)

3.2界面缩聚光气法 (2)

3.2.1界面缩聚光气法存在的问题 (3)

3.3酯交换熔融缩聚法 (3)

3.4非光气酯交换熔融缩聚法(全非光法) (3)

4市场应用 (3)

4.1用于建筑行业 (4)

4.2用于汽车制造工业 (4)

4.3用于生产医疗器械 (4)

4.4用于航空、航天领域 (4)

4.5用于包装领域 (4)

4.6用于光学透镜领域 (4)

4.7用于光盘的基础材料域 (5)

5 聚碳酸酯的发展现状 (5)

6 我国聚碳酸酯的发展建议 (5)

7 结束语 (7)

8 参考文献 (8)

1 引言

聚碳酸酯加工特性好，广泛应用于国民经济各部门。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，在该领域占有极其重要的位置。采用光学级聚碳酸配制作的光学透镜不仅可用于照相机、显微镜、望远镜及光学测试仪器等，还可用于电影投影机透镜、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、多面反射镜等诸多办公设备和家电领域，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、太阳镜和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。

2 聚碳酸酯的主要特征

聚碳酸酯也叫聚碳酸脂（Polycarbonate）常用缩写PC 。是一种韧的热塑性树脂，通常是由双酚A和光气生产的，现在也开发了不使用光气的生产方法，并已在20世纪60年代初实现工业化，90年代末实现大规模工业化生产。现在产量仅次于聚酰胺的第二大工程塑料。其名称来源于其内部的CO3基团。 2011年3月双酚A在食用瓶中已被欧美国家禁用

化学名：2,2'-双（4-羟基苯基）丙烷聚碳酸酯

CAS编号：25037-45-0

化学结构：

2.1聚碳酸酯的物理性质

传密度：1.20－1.22 g/cm^3，线膨胀率：3.8×10 cm/cm°C，热变形温度：135°C ，低温-45°C。聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃BI级，在普通使用温度内都有良好的机械性能。同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94 V-0级阻燃性能。但是聚甲基丙烯酸甲酯相对聚碳酸酯价格较低，并可通过本体聚合的方法生产大型的器件。随着聚碳酸酯生产规模的日益扩大，聚碳酸酯同聚甲基丙烯酸甲酯之间的价格差异在日益缩小。不耐强酸，不耐强碱,改性可以耐酸耐碱。

聚碳酸酯的耐磨性差。一些用于易磨损用途的聚碳酸酯器件需要对表面进行特殊处理

2.2聚碳酸酯的化学性质

数聚碳酸酯耐弱酸，耐弱碱，耐中性油。聚碳酸酯不耐紫外光，不耐强碱。

PC是一种线型碳酸聚酯，分子中碳酸基团与另一些基团交替排列，这些基团可以是芳香族，可以是脂肪族，也可两者皆有。双酚A型PC是最重要的工业产品。

PC是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物，有很好的光学性。PC高分子量树脂有很高的韧性，悬臂梁缺口冲击强度为600~900J/m，未填充牌号的热变形温度大约为130°C ，玻璃纤维增强后可使这个数值增加10°C 。PC的弯曲模量可达2400MPa以上，树脂可加工制成大的刚性制品。低于100°C 时，在负载下的蠕变率很低。PC有较好的耐水解性，但不能用于重复经受高压蒸汽的制品。

PC主要性能缺陷是耐水解稳定性不够高，对缺口敏感，耐有机化学品性，耐刮痕性较差，长期暴露于紫外线中会发黄。和其他树脂一样，PC容易受某些有机溶剂的浸浊。

3生产技术概况

自1898年Einhorn通过二羟基苯在吡啶溶液中进行光气化反应，首次合成出PC之后，在PC合成工艺的发展历程中，出现过很多合成方法，如低温溶液缩聚法、高温溶液缩聚法、吡啶法、部分吡啶法、光气界面缩聚法、熔融酯交换缩聚法、固相缩聚法等等，但迄今为止，实现工业规模生产的只有光气界面缩聚法和熔融酯交换缩聚法两种工艺。目前，PC生产技术主要有溶液光气法、界面缩聚光气法、酯交换熔融缩聚法和全非光气法，前两者统称为光气法。

3.1溶液光气法

网溶液光气法的工艺路线为：光气+双酚A(BPA)→PC。以光气和双酚A为原料，在碱性水溶液和二氯甲烷(或二氯乙烷)溶剂中进行界面缩聚，得

到的PC胶液经洗涤、沉淀、干燥、挤出造粒等工序制得PC产品。此工艺经济性较差，且存在环保问题，缺乏竞争力。

3.2界面缩聚光气法

界面缩聚光气法是目前工业上应用较为广泛的工艺，其与溶液光气法的主要不同在于：双酚A首先与氢氧化钠溶液反应生成双酚A钠盐，后加入二氯甲烷，通入光气，使物料在界面上聚合，生成低分子量PC，然后经缩聚分离得到高分子量PC产品。此工艺路线技术成熟，产品质量高，不用脱除溶剂，成本较低，适合大规模和连续生产，而且产品纯净、易加工、分子量高，能满足各种用途性能要求，在PC生产工艺中占绝对优势，目前世界上约有90%的PC生产采用该工艺。

近年来对该工艺的主要改进体现在环状齐聚物的开环聚合和后处理工艺方面。美国GE公司推出了环状低聚物开环聚合新工艺，不仅改善了产品的加工性能，而且成本有所降低，其关键步骤是制备环状低聚物。双酚A与光气反应生成双酚A-双氯甲酸酯，经水解缩合生成环状低聚物，再进一步缩合即得产品PC。此工艺比熔融缩聚更为实用，且为活性聚合，在较短时间内可制得比传统产品分子量高10倍的PC产品。

后处理工艺的主要改进是开发出将蒸发与沉析相结合，并配之以排气式挤出机的工艺路线，即将溶有PC的二氯甲烷溶液与甲苯蒸气以逆流方式在汽提塔去

除沸点较低的二氯甲烷。由于PC只微溶于甲苯，二氯甲烷去除后，便得到PC与甲苯的浆料；经薄膜蒸发可得到PC含量大于80%的PC-甲苯混合物；然后直接送入排气式挤出机脱净残余甲苯，共挤出造粒，从而有效简化了后处理工艺。

3.2.1界面缩聚光气法存在的问题

(1)使用光气作为单体或反应界面。光气，学名碳酞氯或氯代甲酞氯。纯净的光气在常温下为无色有特殊臭味的气体，剧毒。光气分子中具有两个酚氯基团，是一种极其活泼的化合物，遇水后发生强烈反应，极易水解生成二氧化碳和氯化氢，有强烈的腐蚀性。易溶于水，造成环境污染，扩散到河流中。光气是极毒的气态物质，主要损害人的呼吸道，导致化学性支气管炎、肺炎、肺水肿。当光气泄漏，还会污染大气。

(2)反应过程中需使用大量的二氯甲烷作为聚合溶剂，而二氯甲烷是一种可能致癌的物质。

3.3酯交换熔融缩聚法

酯交换熔融缩聚法的工艺路线分为两步：①光气+苯酚→DPC；②DPC+BPA→PC，简称酯交换法，又称本体聚合法，也是一种间接光气法工艺。

苯酚经光气法反应生成碳酸二苯酯(DPC)，然后在高温、高真空和微量卤化锂或氢氧化锂等催化剂和添加剂存在下与双酚A进行酯交换反应生成低聚物，再进一步缩聚制得PC产品。该工艺流程短，无溶剂，全封闭，无污染，生产成本略低于光气法，但产品光学性能较差，催化剂易污染，副产品难以去除，加工困难，应用范围有限，再加上搅拌、传热等问题的限制，难以实现大吨位工业化生产。

3.4非光气酯交换熔融缩聚法(全非光法)[3]

非光气酯交换熔融缩聚法因工艺过程中彻底不使用光气，是在酯交换法生产工艺的基础上开发成功，属绿色环保工艺路线，又称全非光法。

其生产工艺也分为两步：①酯交换法合成DPC：苯酚+DMC→DPC；②DPC+BPA→PC。首先，以碳酸丙烯酯与甲醇酯交换生产碳酸二甲酯(DMC)；

其次，苯酚和DMC反应首先生成甲基苯基碳酸酯(MPC)，然后MPC和苯酚进一步反应生成DPC，同时MPC发生歧化反应也生成DPC。得到非光法DPC后，在熔融状态下与双酚A进行酯交换、缩聚制得PC产品。该法与光气法及酯交换法相比，有以下优点：①不使用剧毒的光气和溶剂二氯甲烷，无脱溶剂和水洗脱盐工序，流程简单，大大降低了对环境的污染；②产品质量高，聚碳透明度可达98%，达到光学级聚碳酸酯性能指标，可用来制造光盘类光电子产品；③副产品甲醇和苯酚可循环使用，降低原料成本。

目前世界各大聚碳酸酯公司已先后建立起了非光气酯交换法的工业装置。根据生成碳酸二甲酯所采用的原料的不同，分别有GE 公司以甲醇、一氧化碳和氧气为原料，经氧化、梭基化等反应制成DMC;日本旭化成公司开发的非光气酯交换法有独特的创意，使用二氧化碳、环氧乙烷(EO)和双酚A(BPA)作为主要原料生产聚碳酸酯(PC)，副产乙二醇(EG)。该工艺既不使用光气，也不使用二氯甲烷，产生很少的废物，是一项污染小的新工艺，该工艺已用于台湾旭化成奇美聚碳酸酯装置，生产能力已达到6.5万吨/年。

4市场应用[4-6]

聚碳酸酯的应用开发是向高复合、高功能、专用化、系列化方向发展，目前已推

出了光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多种产品各自专用的品级牌号。

4.1用于建筑行业

在聚碳酸酯板材具有良好的透光性，抗冲击性，耐紫外线辐射及其制品的尺寸稳定性和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。目前，中国建有聚碳酸酯建材中空板生产线20余条，年需用聚碳酸酯7万t 左右，预计到2005年将达到14万t。

4.2用于汽车制造工业

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，其主要集中在照明系统、仪表板、加热板、除霜器及聚碳酸酯合金制的保险杠等。根据发达国家数据，聚碳酸醋在电子电气、汽车制造业中使用比例在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醋的需求量将是巨大的。预计2005年中国汽车总量将达300多万辆，届时需求量也将达到3万t，因而聚碳酸酯在这一领域的应用是极有拓展潜力的。

4.3用于生产医疗器械

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和其他需要在透明、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、血液分离器等。

4.4用于航空、航天领域

近年来，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及宇航员的防护用品等。

4.5用于包装领域

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，抗冲击和透明性好，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，目前一些领域PC瓶已完全取代玻璃瓶。据预测，随着人们对饮用水质量重视程度的不断提高，聚碳酸酯在这方面的用量增长速度将保持在10%以上，预计到2005年将达到6万t。

4.6用于光学透镜领域

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，在该领域占有极其重要的位置。采用光学级聚碳酸配制作的光学透镜不仅可用于照相机、显微镜、望远镜及光学测试仪器等，还可用于电影投影机透镜、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、多面反射镜等诸多办公设备和家电领域，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、太阳镜和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。

4.7用于光盘的基础材料域

近年来，随着信息产业的倔起，由光学级聚碳酸酯制成的光盘作为新一代音像信息存储介质，正在以极快的速度迅猛发展。聚碳酸酯以其优良的性能特点因而成为世界光盘制造业的主要原料。目前世界光盘制造业所耗聚碳酸酯量已超过聚碳酸酯整体消费量的20%，其年均增长速度超过10%。我国光盘产量增长迅速，据国家新闻出版总署公布的数字，2002年全国共有光盘生产线748条，年耗光学级聚碳酸酯约8万吨，且全部进口。因而聚碳酸酯在光盘制造领域的应用前景是极为广阔的。

5 聚碳酸酯的发展现状

全球聚碳酸酯业走入困境，全球性的经济衰退对聚碳酸酯市场需求增长所产生的严重影响正在显现。9月，在香港市场上的现货价格已经从一年前的最高峰的每吨3800美元降到2200美元，而在美国市场的平均价格今年也下降了6%-8%。加之全球生产能力到2002年底将增加18%计划的逐步实施，市场对聚碳酸酯的需求出现锐减。日前，一些国际权威机构将今年北美欧洲市场对聚碳酸酯的需求增长预测从8%调低到1%，亚太地区的需求也从12%调低至4%-6%但是，这个领域的一些生产者对长期的市场前景仍表乐观，他们正在按计划启动新的产能，这些产能主要出现在亚洲，这个地区的产能目前已占到全球的近一半。LG和道化学公司共同投资在韩国建设的聚碳酸酯项目已增加了6.5万吨的产能，中国台湾地区将于明年4月投产的年产5万吨的项目，投资者还计划在明年底将产能扩大一倍。而同期投产的还有中国台湾与日本合资的另一个年产5万吨、同样计划在2004年扩大产能一倍的项目。

拜耳在中国台湾的生产装置到今年底将新增产能7万吨，使其在这个地区的总产能达到13万吨。不过，拜耳已经修订了其在该地区的发展计划。新加坡帝人聚碳酸酯公司年产5万吨光学级聚碳酸酯的设备也即将投产，其另一个年产5万吨的生产装置也将在2002年底投产，到时该公司的产能将达到18万吨。日本三菱化成、三菱瓦斯化学及三菱工程塑料等在日本投资的年产7万吨的生产设备也将于明年4月建成。与此同时，这三家公司还将于2004年将他们在泰国的合资企业的产能扩大到8万吨。在欧美地区，聚碳酸酯的产能也将扩大，如到2002年，西班牙和阿尔巴尼亚的产能将要分别增加13万吨和7万吨。分析家认为，推迟启动这些生产能力可能使聚碳酸酯价格下滑之势得到缓解，而如果这些企业一意孤行把大量的产品推向市场的话将会给本来就不景气的市场带来沉重打击，投资并不会获得预期的收益。

中国是世界上聚碳酸酯的主要生产地之一，拜耳、道化学、帝人、三菱化学等都在中国建有生产装置。由于一年以前市场需求走旺，国内的生产企业也纷纷扩产，预计到2005年，中国聚碳酸酯的年生产能力可望超过10万吨，年需求量也将达到9万吨。

6 我国聚碳酸酯的发展建议

经过40多年的发展，我国的聚碳酸酯仍未形成自己先进的生产技术和具有工业规模的生产装置，特别是近年来随着国内聚碳酸酯的消费量迅速增长，生产与市场形成了极不协调的供需矛盾。因此，大力发展我国聚碳酸酯工业是十分迫切和必要的。针对目前的现状提出以下几点建议：

（1）建议通过各种途径引进成套国外先进技术。国内目前技术水平与国外先进水平差距较大，如果完全靠国内自行开发技术，难度较大，可能会错过发展的有利时机，所以应进一步与国外公司接触，引进技术、人才、合资建厂，加快建设经济规模聚碳酸酯生产装置的步伐。

（2）加强基础建设及配套工程。在加快现有装置的改造的同时应加强配套原料双酚A装置建设，同时有关部门应给予聚碳酸酯装置建设的优惠政策和资金支持，为聚碳酸酯工业在我国快速发展提供有力的保证。

（3）加强聚碳酸酯的应用研究。聚碳酸酯的应用要向高功能化、专用化方向发展，充分利用国内一些科研单位在塑料改性及塑料合金方面的技术成果，提高产品的档次及附加值，在产品的应用领域同国外的各种专用牌号聚碳酸酯竞争，力争占领国内市场。

（4）合作开发非光气法。由于非光气生产工艺是一种符合环境要求的绿色工艺，也是今后聚碳酸酯工艺的主要发展方向。因此我们充分利用并发挥国内聚碳酸酯技术潜力，与世界先进的大公司合作，开展非光气法聚碳酸酯的生产和应用开发工作，为我国聚碳酸酯的生产水平早日赶超国外先进水平奠定良好的基础。

7 结束语

聚碳酸酯以其独特的物理化学性质，应用于我国的各个经济部门，成为了五大工程塑料中增长速度最快的塑料，在我国有着巨大的潜在市场。尽管我国于1965年开始工业化生产聚碳酸酯树脂，是PC开发最早的国家之一，但由于生产工艺落后、生产原料双酚A规模不大、质量不高及市场需求等诸多因素，近年来国内聚碳酸酯业不仅没有发展，产量反而逐年萎缩，远远落后于国外。如何开发出稳定、高效、环保的聚碳酸酯合成方法是我国聚碳酸酯制造工艺部门的当务之急。

与国内聚碳酸酯生产能力发展形成鲜明对照的是，市场对聚碳酸酯树脂的需求量却在迅速增长。随着我国经济的快速发展，以及各工程塑料制品的广泛应用，国内产量仅占总消费的3％上下，根本无法满足需求，只得依靠进口。我国应根据全球PC发展的趋势，抓住机遇，开发高性能PC树脂；同时，培育与发展相关产业。

8 参考文献

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