什麼是聚碳酸酯 (PC)？

1．什麼是聚碳酸酯（PC）？

聚碳酸酯（PC）是一類非結晶通用工程塑料，也是各類通用工程塑料中唯一透明的材料。 PC樹脂是一個統稱，是指單體透過碳酸酯基團透過碳酸酯鍵連接在一起的聚合物。聚碳酸酯優異的抗衝擊性、透明度、耐熱性（Tg ~ 150°C 左右的高玻璃化轉變溫度）和尺寸穩定性使其成為各種應用的良好材料選擇。另一方面，聚碳酸酯中的酯鍵使其比其他材料的耐化學性較差（特別容易受到鹼和芳香烴基溶劑（例如油）的影響），並且聚碳酸酯在溫暖、潮濕的環境中也容易發生水解。

2．聚碳酸酯的生產

聚碳酸酯的基本化學結構如圖1所示。

如圖 2 所示，圖 1 所示的單元由 4 種分子成分組成：兩種酚（紅色虛線）、一種丙酮（綠色虛線）和一種碳酸鹽（藍色虛線）。

聚碳酸酯一詞源自於圖 2 中碳酸酯的存在。更具體地說，聚碳酸酯是由二羥基化合物與碳酸酯分子重複反應形成的聚合物鏈組成的材料，如圖 3 所示。

改變圖 3 中標示為 R 的單位可以產生各種不同的聚碳酸酯；用於工業生產的R單元是雙酚A (BPA)。如圖 4 所示，BPA 由兩個透過丙酮分子連接的苯酚分子組成，是油漆和黏合劑等產品中的常見成分。

製造聚碳酸酯的技術有多種，根據與 BPA 反應的物質而不同。下表描述了這些方法。

界面方法（界面聚合）	BPA 和光氣在催化劑存在下混合、反應和聚合。此方法可以輕鬆調節分子量並產生具有優異透明度的聚碳酸酯。
催化方法（酯交換過程）	BPA 和碳酸二苯酯 (DPC) 在催化劑存在下混合、反應和聚合。
旭化成的非光氣工藝	BPA 與由 CO 2和環氧乙烷 (EO) 製成的 DPC 反應並聚合。 優點包括使用CO 2作為成分且不使用光氣(一種劇毒氣體)作為成分。請注意，旭化成本身並不會生產個人電腦，而是將這項技術授權給世界各地的個人電腦製造商。 https://www.asahi-kasei.co.jp/tlb/en/index.html

3．聚碳酸酯的特性

·透明度：
在所有通用工程塑料中，聚碳酸酯是唯一透明的樹脂。典型的透明材料等級提供 85-90% 的可見光透射率（對於 2 毫米厚度的材料）。
• 抗衝擊性：
在所有塑膠中，聚碳酸酯具有最高水準的抗衝擊性。
• 耐熱性：
聚碳酸酯的玻璃化轉變溫度接近 150°C，可在較寬的溫度範圍內提供穩定的機械性能。對於一般的非強度增強材料等級，在 1.80 MPa 的重載下，典型的熱變形溫度約為 120-130°C。
• 尺寸穩定性：
由於聚碳酸酯是非結晶樹脂，因此它們在成型過程中表現出最小的收縮率，並且吸水時的尺寸變化也最小。
• 自熄性能：
典型的聚碳酸酯牌號具有 UL 94 V-2 等級的高阻燃性。對於要求更高阻燃水平的應用，也可以添加阻燃添加劑。
• 聚碳酸酯容易受到鹼和芳香烴類溶劑（例如油）的影響。
• 聚碳酸酯中的酯鍵使其在溫暖、潮濕的環境中容易發生水解。

聚碳酸酯最吸引人的特點是其透明度和良好的機械性能，特別是優異的抗衝擊性。聚碳酸酯還具有高尺寸精度，因為其非晶體結構可確保成型過程中的收縮最小。

4．聚碳酸酯的應用

從使用的材料量來看，聚碳酸酯的主要應用是電氣和電子設備、辦公設備、薄膜和片材以及汽車零件。
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近年來，電氣/電子設備和辦公設備對LED照明材料的需求大幅增加。聚碳酸酯優異的光學透明度和耐熱性使其成為鏡片的理想材料。在家用和辦公電器中，聚碳酸酯與ABS共混的合金材料被廣泛用作儀器底盤和外殼材料。採用聚碳酸酯的原因包括其良好的成型性能、易於著色、阻燃性和抗衝擊性。

在建築和土木工程中，聚碳酸酯的高透明度和優異的抗衝擊性使其成為廣泛使用的薄膜和片材材料選擇。液晶顯示面板是聚碳酸酯的另一個大批量應用。

在汽車領域，聚碳酸酯最突出的應用也許是汽車頭燈（圖 5）。現代光源、熱設計的進步、表面硬化技術的發展以及其他因素導致大多數新車使用聚碳酸酯，它們還有助於減輕整體重量。聚碳酸酯也用於其他透明部件，例如儀表板和各種類型的透鏡，以及格柵等外部部件，以及按鈕和開關等內部和結構部件。

除了上述應用之外，DVD 和其他光碟（圖 5）也由聚碳酸酯製成； PC樹脂優異的透明度和耐熱性使其成為該應用的理想材料，但基於互聯網的內容分發的日益普及導致需求下降。

5．聚碳酸酯和改性PPE樹脂：主要特性和主要應用的比較

除聚碳酸酯外，非結晶工程塑膠類別還包括改性PPE樹脂。在本節中，我們將簡要比較這兩種材料系列的主要特徵，並描述它們的不同使用方式。

	聚碳酸酯	改良個人防護裝備
比重/減重	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
吸水率低	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
耐水解性	＋＋＋	＋＋＋＋＋
阻燃性	+++++（取決於年級）
成型性能	+++++（取決於年級）
電氣性能	＋＋＋＋	＋＋＋＋＋
耐熱性	+++++（取決於年級）
光學特性	透明度	不透明
著色/變色	可能是彩色的	可能會著色，但可能會出現黃色變色
抗衝擊性	＋＋＋＋＋	＋＋＋
耐酸/耐鹼	＋＋＋	＋＋＋＋＋
耐有機溶劑	＋＋	＋＋

表：聚碳酸酯和改性 PPE 樹脂的性能

聚碳酸酯的應用

由於聚碳酸酯透明且可著色，因此廣泛用於光學部件和影響產品外觀的部件。聚碳酸酯特別適合要求透明度和高抗衝擊性的應用，通常用於需要高耐熱性的汽車零件和光學零件。

改性PPE樹脂的應用

改質 PPE 樹脂利用其優勢特性被用於多種應用，包括低比重（有助於減輕重量）、耐水解性、耐化學性、良好的電氣性能和高尺寸精度。此類應用的範例包括鋰離子電池系統的外圍組件、太陽能發電機的連接器、5G 通訊系統所需的產品以及其他應用（儘管在日常生活中可能不明顯），但在現代世界中卻無處不在。

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6．加工方法

由於聚碳酸酯經常用於要求高尺寸精度和低形狀變形的領域，因此幫助材料流入註射成型模具的方法以及改善成型體表面轉移性能的技術是持續開發工作的重點。一個例子是為光碟開發的注射壓縮成型技術；在這種方法中，在材料填充期間加寬型腔，使熔融樹脂更容易流動，然後恢復到原來的厚度，以確保高精度的表面轉移。另一個例子是為需要高耐磨損壞性的汽車零件開發表面硬化處理。

7．與使用聚碳酸酯相關的實際考量因素

聚碳酸酯的高熔融黏度需要對模具和成型製程進行某些特殊規定，否則成型產品可能會有缺陷、形狀扭曲或裂縫。

聚碳酸酯的耐化學性雖然在透明材料中相對較高，但最終受到其非晶體結構和碳酸酯鍵的限制，因此需要仔細調整成型條件以盡量減少形狀變形。也必須注意避免在加工階段黏附機器潤滑劑，並選擇能保證最小殘留影響的脫模劑。同樣，在使用模製聚碳酸酯產品時，必須小心選擇噴霧劑和清潔產品，以避免產生不良副作用。

8．聚碳酸酯與環境永續性

如第 2 節「聚碳酸酯的生產」所討論的，旭化成開發了一種實用的非光氣工藝，使用 CO ₂和 EO 作為成分來製造聚碳酸酯。該製程不使用劇毒氣體光氣或疑似致癌物二氯甲烷，其設計以安全為先，其技術已授權給世界各地的PC生產商。

旭化成也提供基於質量平衡方法的聚碳酸酯等級，以實現生物質相容性。儘管用於製造聚碳酸酯的成分 BPA 是由苯酚生產的，但這些方法使用源自生物質成分的物質來生產這種苯酚。

回收聚碳酸酯的主要方法是材料回收，其中將使用過的樹脂材料研磨成粉末形式，熔化並重新成型。這種方法對於諸如二手光碟之類的物品特別有用，這些物品往往質量很高且相對容易大量聚集。

專欄：結晶和非結晶塑膠的熔化現象

當非結晶塑膠材料透過加熱到一定溫度以上而熔化時，塑膠內的相鄰分子可以在整個材料中自由移動。發生這種情況的溫度稱為玻璃化轉變溫度，以符號 Tg 表示；當溫度高於 Tg 時，材料開始表現出流動性。聚碳酸酯的玻璃化轉變溫度為Tg~150℃。

結晶塑膠的熔化稍微複雜一點。縱觀結晶塑膠的微觀結構，可以發現非結晶區域與結晶區域共存；在較高溫度下，非結晶區域中的分子首先開始移動，而結晶區域中的分子受到強大的分子間力的束縛而無法移動，因此繼續以固態存在。隨著溫度進一步升高，結晶區域中的分子也開始自由移動，材料開始表現出流動性。非結晶區域中的分子開始自由移動的溫度稱為玻璃化轉變溫度 (Tg)——與非結晶塑膠使用的術語相同。相反，結晶區域中的分子開始自由移動的溫度稱為熔點，記為 Tm。

結晶塑膠在低於 Tg 的溫度下以玻璃態存在，而在 Tg 和 Tm 之間則以橡膠態存在。儘管玻璃狀塑膠和橡膠狀塑膠都是固體，但它們的性質有顯著差異：前一種狀態下的分子行為讓人想起日常生活中熟悉的玻璃性質，而後一種狀態下的分子行為讓人想起橡膠的行為之一，從而解釋了選擇術語。不用說，對於非結晶塑膠來說，沒有橡膠狀態的類似物。溫度與塑性狀態的關係如圖 7 所示。

（作者：佐藤功技術室）

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