Polykarbonaatti (PC) on molekyyliketju, joka sisältää karbonaattiryhmän. Molekyylirakenteensa mukaan se voidaan jakaa alifaattisiin, alisyklisiin ja aromaattisiin ryhmiin, joista käytännöllisin on aromaattinen ryhmä, ja tärkeimpiin on bisfenoli A -tyyppinen polykarbonaatti, jonka keskimääräinen molekyylipaino (Mw) on yleensä 20 000–100 000.

Kuva PC:n rakennekaava

Polykarbonaatilla on hyvä lujuus, sitkeys, läpinäkyvyys, lämmön- ja kylmänkestävyys, helppo prosessoida, palonestoaine ja muut kattavat ominaisuudet. Tärkeimmät jatkosovellukset ovat elektroniikkalaitteet, levyt ja autoteollisuus. Nämä kolme teollisuudenalaa muodostavat noin 80 % polykarbonaatin kulutuksesta. Muita käyttökohteita ovat teollisuuskoneiden osat, CD-ROM, pakkaus, toimistolaitteet, lääketieteen ja terveydenhuollon laitteet, kalvot, vapaa-ajan ja suojavarusteet sekä monet muut alat. Myös polykarbonaatilla on laaja käyttöalue, josta on tullut yksi viidestä nopeimmin kasvavasta teknisestä muovista.

Vuonna 2020 maailmanlaajuinen PC-tuotantokapasiteetti oli noin 5,88 miljoonaa tonnia, Kiinan PC-tuotantokapasiteetti 1,94 miljoonaa tonnia vuodessa ja tuotanto noin 960 000 tonnia. Polykarbonaatin kulutus Kiinassa vuonna 2020 oli 2,34 miljoonaa tonnia, mutta vaje on lähes 1,38 miljoonaa tonnia, ja tuontitarve ulkomailta on suuri. Valtava markkinoiden kysyntä on houkutellut lukuisia investointeja tuotannon lisäämiseksi. Kiinassa arvioidaan olevan rakenteilla ja ehdotettu useita PC-projekteja samanaikaisesti, ja kotimainen tuotantokapasiteetti ylittää 3 miljoonaa tonnia vuodessa seuraavien kolmen vuoden aikana. PC-teollisuus osoittaa kiihtyvää siirtymistä Kiinaan.

Mitkä ovat PC:n tuotantoprosessit? Millainen on PC:n kehityshistoria kotimaassa ja ulkomailla? Mitkä ovat Kiinan tärkeimmät PC-valmistajat? Seuraavaksi teemme lyhyen katsauksen.

PC:n kolme valtavirran tuotantoprosessimenetelmää

PC-teollisuuden kolme pääasiallista tuotantoprosessia ovat rajapintapolykondensaatiofotokaasumenetelmä, perinteinen sulan esterin vaihtomenetelmä ja ei-fotokaasuun perustuva sulan esterin vaihtomenetelmä.
Kuva Kuva
1. Rajapintapolykondensaatiofosgeenimenetelmä

Se on fosgeenin reaktio inertin liuottimen ja bisfenoli A:n vesipitoisen natriumhydroksidiliuoksen kanssa pienimolekyylipainoisen polykarbonaatin tuottamiseksi, joka sitten tiivistyy suurimolekyyliseksi polykarbonaatiksi. Aikoinaan noin 90 % teollisista polykarbonaattituotteista syntetisoitiin tällä menetelmällä.

Rajapintapolykondensaatiofosgeenimenetelmän PC:n etuja ovat korkea suhteellinen molekyylipaino, joka voi nousta 1,5–2 * 105:een, sekä puhtaat tuotteet, hyvät optiset ominaisuudet, parempi hydrolyysinkestävyys ja helppo prosessointi. Haittapuolena on, että polymerointiprosessi vaatii erittäin myrkyllisen fosgeenin ja myrkyllisten ja haihtuvien orgaanisten liuottimien, kuten metyleenikloridin, käyttöä, jotka aiheuttavat vakavaa ympäristön saastumista.

Sulaesterinvaihtomenetelmä, joka tunnetaan myös ontogeenisena polymerointina, kehitti ensimmäisenä Bayer käyttäen sulaa bisfenoli A:ta ja difenyylikarbonaattia (difenyylikarbonaatti, DPC) korkeassa lämpötilassa, korkeassa tyhjiössä ja katalyytin läsnä ollessa esterinvaihtoa, esikondensaatiota ja kondensaatioreaktiota varten.

DPC-prosessissa käytettyjen raaka-aineiden mukaan se voidaan jakaa perinteiseen sulan esterinvaihtomenetelmään (tunnetaan myös epäsuorana fotokaasumenetelmänä) ja ei-fotokaasuun perustuvaan sulan esterinvaihtomenetelmään.

2. Perinteinen sulan esterinvaihtomenetelmä

Se jaetaan kahteen vaiheeseen: (1) fosgeeni + fenoli → DPC; (2) DPC + BPA → PC, joka on epäsuora fosgeeniprosessi.

Prosessi on lyhyt, liuotteeton ja tuotantokustannukset ovat hieman alhaisemmat kuin rajapintakondensaatiofosgeenimenetelmä, mutta DPC:n tuotantoprosessissa käytetään edelleen fosgeenia, ja DPC-tuote sisältää pieniä määriä kloroformaattiryhmiä, jotka vaikuttavat PC:n lopputuotteen laatuun ja rajoittavat jossain määrin prosessin edistämistä.

3. Ei-fosgeeninen sulan esterin vaihtomenetelmä

Tämä menetelmä jaetaan kahteen vaiheeseen: (1) DMC + fenoli → DPC; (2) DPC + BPA → PC, jossa käytetään dimetyylikarbonaatti-DMC:tä raaka-aineena ja fenolia DPC:n syntetisoimiseen.

Esterien vaihdosta ja kondensaatiosta saatu sivutuote fenoli voidaan kierrättää DPC-prosessin synteesiin, mikä mahdollistaa materiaalien uudelleenkäytön ja hyvän taloudellisuuden; raaka-aineiden korkean puhtauden ansiosta tuotetta ei tarvitse kuivata ja pestä, ja tuotteen laatu on hyvä. Prosessissa ei käytetä fosgeenia, se on ympäristöystävällinen ja vihreä prosessireitti.

Petrokemian yritysten kolmen jätteen kansallisten vaatimusten myötä Petrokemian yritysten turvallisuus- ja ympäristönsuojelua koskevien kansallisten vaatimusten lisääntyessä ja fosgeenin käyttöä rajoitettaessa ei-fosgeeninen sula esterivaihtotekniikka korvaa vähitellen rajapintapolykondensaatiomenetelmän tulevaisuudessa PC-tuotantoteknologian kehityksen suunnana maailmassa.