Technické plasty: Polykarbonát (PC) – vlastnosti, aplikácie a vývoj(1)

Definícia a štruktúra polykarbonátu

Polykarbonát je všeobecný termín pre triedu vysokomolekulárnych polymérov obsahujúcich uhličitanové skupiny vo svojich molekulárnych reťazcoch. Podľa rozdielov v štruktúre esterových skupín ich možno klasifikovať do rôznych typov, ako sú alifatické PC, alicyklické PC a aromatické PC. Alifatické a alifaticko-aromatické polykarbonáty majú obmedzené uplatnenie v oblasti technických plastov kvôli ich zlým mechanickým vlastnostiam.

V súčasnosti sa hlavným priemyselne vyrábaným typom je aromatický polykarbonát, najmä aromatický polykarbonát typu bisfenolu A. Jeho chemický vzorec je produkt polykondenzácie bisfenolu A s fosgénom alebo difenylkarbonátom. Táto jedinečná molekulárna štruktúra dodáva polykarbonátu rad vynikajúcich vlastností, vďaka ktorým vyniká medzi mnohými materiálmi.

Vlastnosti polykarbonátu

(I) Optické vlastnosti

Polykarbonát sa pýši výnimočnou priehľadnosťou s priepustnosťou svetla viac ako 90 %, čo sa blíži priepustnosti anorganického skla, čo mu umožňuje žiariť v optickom poli. Či už sa používa na výrobu presných optických komponentov, ako sú optické disky, šošovky a optické šošovky, alebo na výrobu denných optických produktov, ako sú veľké tienidlá na lampy, ochranné sklo a okenné sklo, polykarbonát dokáže vďaka svojej vysokej priehľadnosti poskytnúť používateľom jasný vizuálny zážitok. Jeho dobrá prispôsobivosť farbeniu zároveň umožňuje produktom vykazovať bohatú škálu farieb, ktoré spĺňajú estetické potreby rôznych scenárov.

(II) Mechanické vlastnosti

Polykarbonát vykazuje vynikajúcu odolnosť proti nárazu s vrubovou Izodovou rázovou húževnatosťou až 600 – 900 J/m, čo ho radí medzi špičku v oblasti technických plastov. Jeho odolné a zároveň pevné vlastnosti mu umožňujú odolávať značným vonkajším nárazom bez ľahkého zlomenia a tento vynikajúci mechanický výkon kladie pevný základ pre jeho použitie v mnohých oblastiach s prísnymi požiadavkami na pevnosť a odolnosť proti nárazu.

Okrem toho je pevnosť v ťahu a ohybe polykarbonátu porovnateľná s pevnosťou nylonu a polyoxymetylénu, čím vyniká medzi termoplastickými plastmi a blíži sa úrovni fenolových živíc vystužených sklenenými vláknami alebo nenasýtených polyesterov. Okrem toho môžu lisované diely spĺňať požiadavky na vysokú presnosť tolerancií a zachovávať si rozmerovú stabilitu v širokom rozsahu zmien prostredia s konštantnou mierou zmršťovania pri lisovaní 0,5 – 0,7 %. Má tiež vynikajúcu odolnosť proti tečeniu.

(III) Tepelné vlastnosti

Polykarbonát má teplotu skleného prechodu približne 147 °C a teplotu tepelnej deformácie 135 °C, čo umožňuje jeho stabilné používanie po dlhú dobu v teplotnom rozsahu od -45 °C do 120 °C. Táto vynikajúca tepelná stabilita mu umožňuje prispôsobiť sa rôznym zložitým pracovným prostrediam; či už v chladných polárnych oblastiach alebo horúcom tropickom podnebí, výrobky vyrobené z polykarbonátu môžu fungovať normálne.

Okrem toho sa polykarbonát topí pri teplote 220 – 230 °C a jeho teplota tepelného rozkladu presahuje 310 °C. Je to samozhášavá živica, čo do určitej miery zvyšuje jej bezpečnosť pri použití vo vysokoteplotnom prostredí.

(IV) Chemická stabilita

Polykarbonát má dobrú odolnosť voči slabým kyselinám, slabým zásadám a neutrálnym olejom a dokáže si udržať stabilný výkon v prostrediach obsahujúcich tieto chemické látky. Je však relatívne citlivý na silné zásady a náchylný na koróziu spôsobenú nimi a jeho odolnosť voči UV žiareniu je relatívne nízka.

Preto by sa v praktických aplikáciách mala na polykarbonát aplikovať vhodná ochrana alebo modifikácia podľa konkrétneho prevádzkového prostredia, aby sa predĺžila jeho životnosť.

Výrobné procesy polykarbonátu

(I) Metóda fosgénu (medzifázová polykondenzácia)

Fosgénová metóda je v súčasnosti jedným z hlavných procesov výroby polykarbonátu. Pri tomto procese reaguje bisfenol A s fosgénom v alkalickom roztoku za vzniku PC s vysokou molekulovou hmotnosťou. Výhodou tejto metódy je, že umožňuje výrobu polykarbonátových produktov s vysokou čistotou a vynikajúcou kvalitou.

Fosgén je však vysoko toxický plyn, ktorý si počas výroby vyžaduje prísne bezpečnostné opatrenia na zaistenie bezpečnosti operátorov a životného prostredia. Okrem toho kladie extrémne vysoké požiadavky na tesnosť a odolnosť výrobných zariadení voči korózii, čo zvyšuje výrobné náklady a technické výzvy.

(II) Metóda transesterifikácie (polykondenzácia z taveniny)

Metóda transesterifikácie je ďalším dôležitým výrobným procesom polykarbonátu. Používa difenylkarbonát a bisfenol A ako suroviny na vykonávanie polykondenzačných reakcií za podmienok vysokej teploty a vákua.

Táto metóda sa vyznačuje relatívne jednoduchým procesným postupom a nevyžaduje použitie vysoko toxického fosgénu, čo do určitej miery znižuje bezpečnostné riziká vo výrobnom procese. Metóda transesterifikácie má však aj určité nevýhody. Napríklad molekulová hmotnosť vyrobeného polykarbonátu je relatívne nízka a výkon produktu môže byť v niektorých aspektoch horší ako u polykarbonátu vyrobeného fosgénovou metódou. Preto je táto metóda vhodnejšia na výrobu produktov s nízkou viskozitou, ktoré nemajú vysoké požiadavky na molekulovú hmotnosť.

Súčasný stav polykarbonátového priemyslu

(I) Globálna výrobná kapacita a produkcia

Globálna výrobná kapacita polykarbonátu (PC) sa naďalej rozširuje, hoci tempo rastu sa postupne spomaľuje. V roku 2024 sa globálna výrobná kapacita PC medziročne zvýšila o 4,7 %, pričom produkcia medziročne vzrástla o 4,0 % a priemerná prevádzková miera výrobných zariadení dosiahla 63,5 %.

Regionálna koncentrácia globálnej produkcie počítačov sa presúva smerom k severovýchodnej Ázii, pričom produkcia sa sústreďuje predovšetkým v regiónoch ako severovýchodná Ázia, západná Európa a Severná Amerika. V roku 2024 predstavovala severovýchodná Ázia 66,3 % globálnej výrobnej kapacity počítačov, čím sa umiestnila na prvom mieste; západná Európa predstavovala 12,9 %; a Severná Amerika 10,3 %.

Konkurencia v tomto odvetví je vysoko koncentrovaná. V roku 2024 existovalo viac ako 30 hlavných svetových výrobcov počítačov a výrobná kapacita 10 najväčších výrobcov predstavovala 71,8 % celkovej svetovej výrobnej kapacity. Spomedzi nich je Covestro najväčším svetovým výrobcom počítačov.

(II) Medzinárodná obchodná situácia

V roku 2023 dosiahla celková hodnota medzinárodného obchodu s polykarbonátom (PC) 8,93 miliardy USD, čo predstavuje medziročný pokles o 23,5 %, s celkovým objemom obchodu 3,232 milióna ton, čo predstavuje pokles o 15,6 % oproti predchádzajúcemu roku. Pokiaľ ide o ceny, priemerná celosvetová vývozná cena PC bola 2 761,6 USD za tonu, čo predstavuje medziročný pokles o 9,4 %.

Čína, India a Mexiko sú najväčšími svetovými dovozcami osobných počítačov, pričom ich celkový dovoz predstavuje približne 43,9 % z celkového svetového dovozu. Južná Kórea, Thajsko a Čína sú hlavnými exportérmi, ktorých celkový vývoz predstavuje približne 44,4 % z celkového svetového vývozu.

(III) Situácia na čínskom trhu

Tempo rastu výrobnej kapacity počítačov v Číne sa spomalilo. V posledných rokoch sa výrobná kapacita počítačov v Číne rýchlo rozšírila a zjavný jav nedostatku dodávok v tomto odvetví sa výrazne zlepšil. V posledných dvoch rokoch sa odvetvie začalo vracať k racionalite, pričom tempo rozširovania kapacít sa výrazne spomalilo a postupne sa presúvalo z predchádzajúcej vysokorýchlostnej expanzie na optimalizáciu existujúcich zásob a zvyšovanie efektívnosti.

V roku 2024 sa výrobná kapacita počítačov v Číne medziročne zvýšila o 13,1 % a jej produkcia medziročne vzrástla o 22,6 %. Dovoz počítačov do Číny naďalej klesal, zatiaľ čo vývoz neustále rástol. V roku 2024 dovoz počítačov do Číny medziročne klesol o 14,8 % a vývoz medziročne vzrástol o 34,6 %.

Dovoz PC do Číny prebieha najmä prostredníctvom všeobecného obchodu a spracovania s dovážanými materiálmi, čo predstavuje 69,6 %, respektíve 18,9 % celkového dovozu. PC do Číny pochádza najmä z krajín a regiónov, ako sú Južná Kórea, Thajsko a čínska provincia Taiwan, čo predstavuje približne 60,3 % celkového dovozu.

Zjavná spotreba PC v Číne sa medziročne zvýšila o 8,9 % a miera sebestačnosti sa medziročne zvýšila o 9,9 percentuálneho bodu. S dokončením a uvedením do prevádzky niekoľkých nových a rozšírených závodov sa výrobná kapacita PC v Číne ďalej zvýši a objem dodávok tiež rýchlo porastie. Hoci produkty z nových závodov stále nestačia na rýchle a efektívne nahradenie dovážaných materiálov, miera sebestačnosti sa výrazne zvýšila a závislosť od zahraničných surovín sa citeľne znížila.