塑胶材料篇：工程塑料中的高富帅--聚碳酸酯（PC）

俊儿1966 2024-05-13 发布于吉林

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一、工程塑料简介

所谓工程塑料，即可替代金属被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料。工程塑料需要具有优良的综合性能，与通用塑料相比，其在机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等方面均能满足更高要求，此外还具有更加便于加工以及可替代金属材料的特性。

工程塑料分为通用工程塑料和特种工程塑料，其中五大通用工程塑料指的是综合性能优良，长期使用温度可在100℃以上的一类工程塑料。主要有PA、PC、POM、PBT/PET、PPO。特种工程塑料是指综合性能较高，长期使用温度可在150℃以上的一类工程塑料。

如果我们把“高富帅”比作性能高、产量多、外观好，通过对比：

PA：产量突出---典型的“只剩下钱的富裕家族”，因而PA家族特需要玻纤/碳纤等不要命的马仔来保护自己。

PC：性能、产量、外观突出---可称为“高富帅”；但高富帅也有缺点，吃不了苦头（耐磨、耐疲劳性差），遇到点压力容易发脾气（应力开裂、高温水解）

POM：性能高，但产量、外观不突出---是只有“身高的穷小子”，打篮球是他最终的归宿，因为POM身材又壮又高，又耐操；

PBT：性能高、产量、外观都还行---中规中矩，普通老百姓，哪里需要就去哪里，流动性、适应性强，极具性价比（熔体流动性好、快速结晶性，注塑成本低）

PPO：性能超高、外观也不错，就是产量低---典型的除了没钱，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实现他的实际价值（改善PPO的成型性）。

PC和PPO属于非结晶性（无定形）塑料，而PBT、PA、POM则属于结晶性塑料，非结晶性塑料和结晶性塑料，有些特性是相反的，比如流动性，结晶性塑料通常比非结晶性塑料好；收缩率，非结晶塑料比结晶性塑料小；透光性，非结晶塑料比结晶性塑料好等等。

大家都知道，PC的熔体粘度大，流动性差，然而，PPO的熔体流动性比PC更差，加工成型性极差，纯PPO树脂不能采用注射方法成型，这样大大限制了它的应用。市场出售的产品均为其改良的产品MPPO（PPO与HIPS共混制得的改性材料）

所以，对于纯树脂来说，在五大通用工程塑料中，PC可以说是当之无愧的“高富帅”，1959年由拜耳公司率先生产，是现在用量第二大的工程塑料。

二、PC的简介

聚碳酸酯（Polycarbonate）常用缩写PC ，是一种无色透明的无定性热塑性材料，其名称来源于其内部的碳酸酯基团（-CO3）。PC具有突出的抗冲击能力，耐蠕变和尺寸稳定性好，耐热、吸水率低、无毒、介电性能优良，同时是五大工程塑料中应用最广泛的透明性材料。

大部分工程师应该都知道PC是一种什么材料，它具有很多优异的性能，然而它为什么具有这些性能，这些性能是由什么决定的，估计很少人去深入分析。对于大部分结构工程师，他们更倾向于靠死记硬背性能参数去了解每一种材料，当然他们也有他们的理由，毕竟我不是材料工程师，我为啥要了解得那么深入，等到用到时再查查资料就好了，这听起来似乎也没啥问题。

直到有一次面试一位结构工程师，我问他市面上大部分桶装水瓶的材料是啥，为什么使用这种材料？

他的回答是PC，严格来说是食品级PC，无毒，PC材料透明，强度高，且具有优异的抗冲击性能，使用PC材料的桶装水瓶在搬运过程中不易损坏，耐用。

这位工程师回答得不错，然后我又问他，那PC是不是也可以用来制作我们平时喝热水的保温瓶？他不太肯定地说应该可以吧，毕竟经常看到超市货架上有卖，且PC材料的耐温可达100℃以上。

听起来回答得也没毛病，但是忽略了一个知识点，这个知识点需要从PC的化学结构式以及它的合成过程来说明。

聚碳酸酯（PC）是在分子主链中含有碳酸酯的高分子化合物的总称，对于二羟基化合物的线型结构的聚碳酸酯一般用如下通式表示：

其中，随着酯基R的不同，可分为可分为脂肪族、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，仅有芳香族聚碳酸酯获得了工业化生产，其化学结构式如下图。

PC的合成过程如下：工业上主要采用界面缩聚法，将一定配比的双酚A、氢氧化钠溶液、催化剂、分子量调节剂和溶剂（二氯甲烷或二氯乙烷）加入反应器中，于常温常压下通光气进行光气化和缩聚反应，最终取得聚碳酸酯。

从上面合成过程可知，双酚A是合成PC的主要原料，反过来，如果PC这一聚合物由于某些原因发生裂解，双酚A就会顺理成章地游离出来。双酚A从聚合链中断裂并游离出来这一过程是化学反应过程，对于化学反应而言，温度是最重要的因素。一方面，温度升高，分子的动能增加，相互之间的碰撞增加，化学反应速度增加；另一方面，温度升高，分子内能增加，更容易越过化学反应的能垒，使聚合键从薄弱的地方断裂，从而溶出双酚A。

双酚A，又称双酚基丙烷（BPA），常被用于合成聚碳酸酯（PC）和环氧树脂等材料。在塑料制品的制造过程中，添加双酚A可以使其具有无色透明、耐用、轻巧和突出的防冲击性等特性，但摄入过多的BPA被认为能导致内分泌失调，影响胎儿和儿童健康。癌症以及新陈代谢紊乱导致的肥胖也被认为与此有关。欧盟认为含双酚A奶瓶会诱发性早熟，从2011年3月2日起，禁止生产含BPA的婴儿奶瓶。

尽管PC瓶能承受100℃的热水而不发生变形，但高温使双酚A从PC中溶出量迅速增加，因此对于经常盛装热水的PC饮用瓶，应避免长时间使用。

所谓的富二代，就是生下来就拥有巨额财富的人，PC的各项优良性能如同“富二代”般，天生就具备。

图：PC的性能数据（只供参考）

PC具有优良的综合性能，尤其是它的冲击强度在热塑性树脂中非常突出的，在保持优良性能基础上其透光性（89%）在工程塑胶中也是佼佼者，综观所有常用工程塑料，在不通过共混、添加物等改性方法的情况下，PC可以说是目前较为理想的工程塑料。

三、PC的分子链结构：

PC之所以具有许多优良的性能，这与它的分子链结构是分不开的。

1) 苯基：大共轭的苯环，是难以弯曲的僵直部分，提高了分子链的刚性，赋予聚合物机械强度、耐热性、耐化学品性、耐候性和尺寸稳定性，降低了聚合物在有机溶剂中的溶解性和吸水性。

2）氧基：又叫醚键，他的作用与苯基相反，增大了分子链的柔性，使得聚合物具有一定的韧性，但加大了聚合物在有机溶剂中的溶解性和吸水性。

3）羰基：增大了分子间的互相作用力，使大分子链间靠得更紧密，聚合物刚性增大。

4）酯基：极性较大的基团，增加分子链之间的相互作用力，因此分子链更难被拉伸和断裂。同时也是分子链中较薄弱的部分，易水解断裂，使得聚合物极易溶于极性有机溶剂，也是它的电绝缘性不及非极性甚至弱极性聚合物的原因，但它的极性能够使得聚合物更好地与其他材料相容，并具有较好的附着能力。

综上所述，PC所表现出的性能是为各种基团的综合反映。

四、PC的优点：

苯基加上羰基的作用超过了氧基的相反作用，导致刚性相当大的分子链及互相间较大的吸引力使得彼此缠结不易解除，因而分子链相互滑动困难，表现为

1）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。

2）耐温性：玻璃化温度和熔融温度较高，耐温高，其分解温度在300℃以上，长期工作温度可高达120℃；同时它具有良好的耐寒性，脆化温度低达-100℃；其长期使用温度范围是-60~120℃。

3）流动性：分子链滑动困难，熔体粘度高，流动性差，注塑加工性不好。PC的熔体粘度随相对分子质量的增大而增大，在成型时，通过调节温度改善其流动状态，往往要比改变剪切速率更加有效。

4）尺寸稳定性好：PC的耐蠕变性在热塑性工程塑料中是相当好的，优于PA和POM，因吸水而引起的尺寸变化和冷流变形均很小，同时其收缩率小，因而具有良好的尺寸稳定性。

5）光学性能：PC大分子链取向困难，不易结晶，使得聚合物处于无定形状态，因而具有良好的透明性。

6）电性能：聚碳酸酯的分子极性小、玻璃化转变温度高、吸水性低，因此具有优良的电绝缘性能，接近或相对于向来被认为电绝缘性能优良的PET。

7）阻燃性：PC具有一定的阻燃性，在不需要阻燃剂的情况下就具有UL94 V-2级阻燃性能。如果辅以少量的阻燃剂，PC就能达到较高级别的防火标准，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。

PC材料本身可达UL94 V-2级阻燃，但仍无法满足特殊领域对阻燃性能的更高要求，如电子电气和汽车领域均要求PC阻燃等级达到V-0。

PC为什么具有一定的阻燃性？

极限氧指数

能维持聚合物燃烧的混合气体中氧气的最小体积分数，称为聚合物的极限氧指数（LOI），简称氧指数（OI）。氧指数是衡量聚合物材料是否燃烧的重要指标。由于空气中氧气的体积分数为20.9%，所以，氧指数小于21%的聚合物，一般可在空气中被点燃。

LOI<21%属易燃，LOI为22%~25%具自熄性，26%~27%为难燃，28%以上为极难燃。

PC的极限氧指数（LOI）可达21%-25%，具有自熄性。为什么？

塑料树脂等主链上含有大量芳基的高聚物，如酚醛树脂PF、聚苯醚PPO、聚碳酸酯PC、聚芳酰胺、聚酰亚胺PA、聚枫PSU等，其氧指数LOI比脂肪烃类高聚物高。这主要是因为这类高聚物燃烧时可缩合成芳构型碳，产生的气态可燃性产物少，而炭不仅本身的LOI高达65%，而且形成的炭层能覆盖于燃烧着的高聚物表面而使火焰窒息，而PC材料燃烧时成炭率较高，能自熄。

五、PC的缺点

PC材料虽然具有很多优点，但也具有不少缺点：

1）耐疲劳性差：聚碳酸酯抵抗周期循环应力往复作用的能力较差。

2）耐磨性差：PC材料的分子链自由度较高，分子链间存在着较大的空间，易受外力影响，容易在表面产生划痕和磨损。PC材料的分子结晶度相对较低，分子链排列比较紊乱，使得PC材料表面容易形成微观坑洼，从而降低了其耐刮擦性能。PC材料通过加入粉状聚四氟乙烯可提高自润滑性，加入玻璃纤维提高硬度，可以改善其耐磨性能。

3）耐应力开裂性差：但当外力强迫取向时，大分子链又不易松弛，导致成型后制品内应力难以自行消除。

4）耐水解性差：由于分子链中含有-COO（酯基），在有酸或有碱存在的条件下，酯能发生水解反应生成相应的酸或醇。所以，常规PC耐水解稳定性不高，不能用于重复经受高压蒸汽的制品。

5）耐化学性：聚碳酸酯能够耐受无机及有机稀酸等化学物质，但不耐强碱。可以溶解在含氯的有机溶剂中，遇到丙酮等酮类溶剂时会发生应力开裂。

6）对缺口敏感：所谓缺口敏感，通俗来讲就是当制品边缘由于存在缺口（崩口，毛刺）时，制品在受力的作用下，顺着缺口延伸开裂。由于PC制品内应力难以消除，制品存在缺口时，在力的作用下容易开裂。

7）耐候性：长期暴露于紫外线中会发黄变，因此，通常需要加入紫外线吸收剂以提高PC的防老化性能。

六、PC的改性

为了改善PC在性能上的不足，通过通过改性的方法，实现PC具备更高性能，拓展其应用领域。

常见的聚碳酸酯改性有纤维增强PC、阻燃PC和PC合金两种。前者可以提升PC的拉伸强度、弯曲强度、耐热性，而后者可以提升冲击强度、电绝缘性、加工流动性，但是耐热性会降低。

PC合金

即将PC与其他聚合物共混，PC共混改性的主要品种：PC/ABS、PC/PS、PC/PBT、PC/PA、PC/聚烯烃、PC/LCP等。

1）PC/ABS合金

是PC的主要品种，加工流动性好，冲击缺口敏感度低，低温韧性好。