Wat is polycarbonaat? Eigenschappen, toepassingen en verwerking

Polycarbonaat: het vrijwel onbreekbare plastic achter veiligheidsglas, lenzen en industriële panelen.

Polycarbonaat behoort tot de meest gebruikte technische thermoplasten ter wereld, met een jaarlijkse productie van ongeveer een miljard kilogram. Het wordt gebruikt achter kogelwerend glas, veiligheidsbrillen, koplampglazen van auto's en dakpanelen van kassen – overal waar een materiaal wordt gebruikt dat plotselinge impact kan absorberen zonder te barsten of te breken. Deze gids behandelt de eigenschappen van polycarbonaat op moleculair niveau, hoe het zich verhoudt tot acryl en glas aan de hand van echte testgegevens, en de extrusie- en lasersnijprocessen die worden gebruikt om er eindproducten van te maken.

Wat is polycarbonaat?

Polycarbonaat (PC), een thermoplastisch polymeer, heeft carbonaatgroepen (-O-CO-O-) in de hoofdketen opgenomen. De herhalende eenheid heeft de chemische formule (C₁₆H₁₄O₃)ₙ en het behoort tot de polyesterfamilie van kunststoffen.

Het merendeel van het commercieel geproduceerde polycarbonaat begint met bisfenol A (BPA) en fosgeen, die een polycondensatiestap ondergaan. BPA geeft de keten de aromatische ringen die zorgen voor de stijfheid en een hoge glasovergangstemperatuur (Tg), terwijl de carbonaatverbindingen ertussen voldoende flexibiliteit in het molecuul bieden om het materiaal te laten vervormen in plaats van te breken wanneer er druk op wordt uitgeoefend. Het is deze balans tussen stijve aromatische segmenten en flexibele carbonaatverbindingen die ervoor zorgt dat polycarbonaatplastic transparant is en er tegelijkertijd bijna onbreekbaar uitziet.

Voor het eerst bereid in 1953 door Hermann Schnell bij Bayer in Uerdingen, DuitslandIn dezelfde week bracht Daniel Fox van General Electric het product uit via Pittsfield, Massachusetts. De handelsnaam Makrolon van Bayer werd geïntroduceerd in 1955, waarna de commerciële productie in 1958 van start ging. De Amerikaanse handelsnaam 'Lexan' van GE werd gelanceerd in 1960 (nu eigendom van SABIC).

Dit zijn nog steeds de twee bekendste merknamen in de polycarbonaatwereld (naast Covestro, de eigenaar van de Makrolon-lijn). Opmerkelijk is dat dezelfde basischemie die Schnell en Fox in 1953 voor het eerst probeerden, BPA plus fosgeen, nog steeds de basis vormt voor de productie van commercieel polycarbonaat.

Belangrijkste eigenschappen van polycarbonaat

Polycarbonaat heeft een ongebruikelijke combinatie van eigenschappen: hoge slagvastheid, optische helderheid, thermische stabiliteit en elektrische isolatie – en dat alles in een materiaal dat ongeveer half zo zwaar is als glas.

Slagvastheid is de overkoepelende eigenschap. Polycarbonaat (PC) is 250 keer zo slagvast als standaardglas en ongeveer 30 keer sterker dan acryl, gemeten met de Izod-kerfproef volgens ASTM D256. Simpel gezegd: een 3 mm dikke polycarbonaatplaat kan een klap van een hamer weerstaan ​​zonder te barsten of te breken – een test die glas- en acrylplaten van dezelfde dikte volledig vernietigt.

De optische helderheid is hoger dan de meeste mensen verwachten. Amorf polycarbonaat laat meer dan 90% van het zichtbare licht door een plaat van 3 mm, vergelijkbaar met floatglas. Met een brekingsindex van 1.584–1.586 kan het materiaal gecontroleerde lichtbuiging goed aan, wat het geschikt maakt voor brillenglazen en cameralenzen waar optische precisie van belang is.

Het bedrijfstemperatuurbereik ligt tussen -40 °C en 130 °C bij continu gebruik. Met een Tg van 147 °C smelt polycarbonaat pas echt bij temperaturen ruim boven de 155 °C, wat veel hoger is dan acryl. Dit geeft polycarbonaat een aanzienlijk thermisch voordeel ten opzichte van acryl, dat al bij ongeveer 80 °C begint te verzachten.

Een tweede hoogwaardig element van PC is de elektrische isolatie. Met een volumeweerstand van 10¹²–10¹⁴ Ω·m en een diëlektrische constante van 2.9 bij 1 MHz fungeert polycarbonaat als een effectieve elektrische isolator in productbehuizingen, condensatorfolies en LED-diffusorpanelen.

Polycarbonaat versus acryl versus glas

De selectiecriteria voor acryl, glas en polycarbonaat hangen af ​​van welke eigenschap het belangrijkst is – de volgende tabel toont daadwerkelijke testgegevens, geen subjectieve ranglijsten.

Een paar feiten die in de praktijk vaak terugkomen: qua treksterkte (~80 MPa) en buigsterkte (~115 MPa) is acryl zelfs beter dan polycarbonaat (~55-75 MPa treksterkte, ~90 MPa buigsterkte). De slagvastheid is 30-40 keer beter, maar voor statische belastingen kan acryl de betere keuze zijn. Waar zowel sterkte als transparantie belangrijk zijn onder langdurige statische belastingen, kan acryl glas effectiever vervangen dan polycarbonaat.

Voordelen en beperkingen van polycarbonaat

De BPA-kwestie. Polycarbonaat gemaakt van bisfenol A is onderwerp van discussie geweest als mogelijk materiaal voor contact met levensmiddelen. Amerikaanse FDA De Europese Commissie beschouwt BPA in gecertificeerd polycarbonaat als veilig bij de huidige blootstellingsniveaus aan voedsel, maar heeft wel bepaald dat polycarbonaat om gezondheidsredenen niet mag worden gebruikt in babyflesjes en -bekers. Europese landen kondigden in 2024 een formeel verbod aan op BPA in materialen die met voedsel in contact komen – de meest ingrijpende wereldwijde regelgeving met betrekking tot deze stof. Voor toepassingen buiten voedselcontact zijn er momenteel geen wettelijke zorgen. Voor toepassingen die met voedsel in contact komen, hebben BPA-vrije polycarbonaatalternatieven en copolyesterharsen zoals Eastman Tritan het traditionele polycarbonaat grotendeels vervangen.

Veel voorkomende toepassingen van polycarbonaat

Polycarbonaat wordt veelvuldig gebruikt in diverse industrieën waar een combinatie van transparantie, slagvastheid, thermische stabiliteit of elektrische isolatie vereist is. Dankzij de slagvastheid wordt PC in veel toepassingen gebruikt, waaronder in de bouw, de automobielindustrie, veiligheidsapparatuur, elektronica en medische apparaten. De wereldwijde markt voor polycarbonaat bedroeg ongeveer $ 20.6 miljard in 2024 En elektronica en elektrische componenten vormden het grootste eindgebruikssegment.

Bouw en architectuur: Polycarbonaatplaten en -panelen worden gebruikt als dakbedekking voor kassen, carports, dakramen en overdekte loopbruggen. Meerwandige geëxtrudeerde platen bieden een veel betere thermische isolatie dan enkelglas en wegen slechts een derde. Geluidswerende wanden langs snelwegen maken ook vaak gebruik van polycarbonaatpanelen.

Auto-onderdelen: Koplampglazen, achterlichtbehuizingen, instrumentenpanelen en schuifdakpanelen zijn allemaal auto-onderdelen die van polycarbonaat worden gemaakt, omdat dit materiaal steenslag kan weerstaan ​​die glas zou doen breken. Polycarbonaat kan door middel van spuitgieten in complexe gebogen vormen worden gegoten met behoud van optische helderheid, waardoor polycarbonaat de meest gebruikte transparante auto-onderdelen is.

Veiligheid en beveiliging: Het gangbare kogelwerende glas bestaat uit gelaagde lagen polycarbonaat en glas. Producten zoals oproerschilden, veiligheidsbrillen, gelaatschermen en machinebeschermingen zijn allemaal afhankelijk van polycarbonaat om impacten met hoge energie te absorberen zonder te barsten of te breken. Polycarbonaat wordt veel gebruikt in persoonlijke beschermingsmiddelen omdat het voldoet aan de impactcriteria van normen zoals ANSI Z87.1.

Elektronica: Elektrische behuizingen, LED-diffusorpanelen, condensatorfolie en connectorbehuizingen profiteren van de hoge productiviteit van polycarbonaat op het gebied van brandvertragendheid (V-0-klassen), elektrische isolatie en stabiliteit bij hogere temperaturen.

Optische toepassingen: Brillenglazen, cameralenzen en optische schijven (cd's, dvd's, Blu-ray) gebruiken polycarbonaat vanwege de hoge optische helderheid en brekingsindex van 1.584. Een polycarbonaatlens is tien keer slagvaster dan een typische CR-39 kunststoflens, waardoor PC de standaardkeuze is voor kinderbrillen en veiligheidsbrillen.

Medisch: Polycarbonaat van medische kwaliteit wordt gebruikt in medische toepassingen zoals chirurgische instrumenten, behuizingen voor dialyseapparaten, medicijntoevoersystemen en behuizingen voor oxygenatoren. Het is bestand tegen sterilisatie door middel van stoomsterilisatie (tot 25 kGy) en sterilisatie met ethyleenoxide.

Hoe wordt polycarbonaat verwerkt?

Polycarbonaat wordt geproduceerd als korrels of granulaat die vervolgens met behulp van verschillende standaard thermoplastische verwerkingsmethoden worden gevormd tot platen, profielen, folies en gegoten onderdelen. Dit materiaal wordt in veel toepassingen gebruikt omdat het gemakkelijk te verwerken is via extrusie, spuitgieten, thermovormen en lasersnijden. Eén universele vereiste voor alle methoden: polycarbonaat moet grondig worden gedroogd vóór de verwerking. Restvocht van meer dan 0.02% veroorzaakt hydrolyse tijdens de smeltverwerking, wat resulteert in spreidingssporen, verminderde slagvastheid en oppervlaktedefecten.

Polycarbonaatplaten, meerwandige systemen en doorlopende profielen worden allemaal geëxtrudeerd. Voor een typisch extrusieproces wordt meestal een extruder gebruikt. enkelschroefsextruder Met een dubbele doseerschroef (in het bereik van 25-30 L/D en een compressieverhouding van 2.25:1) handhaven de cilinderverwarmers een temperatuur van 230 °C tot 300 °C, afhankelijk van het product en de samenstelling. De DHD wordt gebruikt vóór de invoer in de extruder; minimaal vier uur voordrogen bij 120 °C met een ontvochtigingsdroger (bij een dauwpunt van 12 °C).

Om een ​​goede homogenisatie van het mengsel te verkrijgen, wordt een intensieve verblijftijd in een dubbelschroefsextruder toegepast voor het intensief mengen van PC en een gematigde dispersie met geselecteerde additieven zoals glasvezel, brandvertrager en ABS.

Spuitgieten wordt gebruikt voor polycarbonaat onderdelen met een complexe 3D-geometrie: koplampglazen, elektrische behuizingen en omhulsels voor medische apparaten. De smelttemperatuur ligt tussen 280 en 320 °C, de matrijstemperatuur tussen 80 en 120 °C. Een hogere matrijstemperatuur zorgt voor een gewenste oppervlakteafwerking en lagere interne spanningen (belangrijk voor transparante optische materialen).

Thermoforming, zoals we dat op de universiteit hebben geleerd, is een techniek waarbij geëxtrudeerde PC-platen over mallen worden gevormd bij een temperatuur van 180-210 °C. Deze techniek wordt veel gebruikt voor machinebeschermingen, dakramen en grote plexiglas afdekkingen, waar de kosten voor spuitgietmatrijzen te hoog zouden zijn.

Standaard lasersnijden met CO2-lasers produceert schone, nauwkeurige sneden in polycarbonaatplaten tot een dikte van ongeveer 3 mm. Vermogensniveaus in het bereik van 50-100 W veroorzaakten geen verkleuring van de randen in combinatie met een snijsnelheid van ongeveer 70 mm/s. Luchttoevoer tijdens het snijproces verminderde bovendien de hoeveelheid verkooling van de randen.

Het snijden van een dikkere plaat met meerdere doorgangen op een laag vermogensniveau leverde een schoner resultaat op dan het snijden in één enkele doorgang met een lage snijsnelheid.

Veelgestelde Vragen / FAQ