Materie plastiche ingegneristiche: Policarbonato (PC) – Proprietà, applicazioni e sviluppo (1)

Definizione e struttura del policarbonato

Policarbonato è un termine generico per una classe di polimeri ad alto peso molecolare contenenti gruppi carbonato nelle loro catene molecolari. In base alle differenze nella struttura dei gruppi estere, possono essere classificati in vari tipi, come policarbonati alifatici, policarbonati aliciclici e policarbonati aromatici. Tra questi, i policarbonati alifatici e alifatico-aromatici hanno applicazioni limitate nel campo delle materie plastiche ingegneristiche a causa delle loro scarse proprietà meccaniche.

Attualmente, il principale tipo prodotto industrialmente è il policarbonato aromatico, in particolare il policarbonato aromatico di tipo bisfenolo A. La sua formula chimica è il prodotto di policondensazione del bisfenolo A con fosgene o difenilcarbonato. Questa struttura molecolare unica conferisce al policarbonato una serie di eccellenti proprietà, che lo distinguono tra numerosi materiali.

Proprietà del policarbonato

(I) Proprietà ottiche

Il policarbonato vanta un'eccezionale trasparenza, con una trasmittanza luminosa superiore al 90%, prossima a quella del vetro inorganico, che gli consente di brillare nel campo ottico. Che venga utilizzato nella produzione di componenti ottici di precisione come dischi ottici, lenti e lenti ottiche, o in prodotti ottici di uso quotidiano come grandi paralumi, vetri protettivi e vetri per finestre, il policarbonato offre agli utenti un'esperienza visiva nitida grazie alla sua elevata trasparenza. Allo stesso tempo, la sua buona adattabilità alla tintura consente ai prodotti di presentare una ricca varietà di colori, soddisfacendo le esigenze estetiche di diversi scenari.

(II) Proprietà meccaniche

Il policarbonato presenta un'eccellente resistenza agli urti, con una resistenza all'urto Izod con intaglio fino a 600-900 J/m, posizionandosi tra i migliori materiali plastici ingegneristici. Le sue caratteristiche di tenacia e rigidità gli consentono di resistere a impatti esterni significativi senza rompersi facilmente, e queste prestazioni meccaniche superiori costituiscono una solida base per la sua applicazione in numerosi settori con rigorosi requisiti di resistenza e impatto.

Inoltre, la resistenza a trazione e flessione del policarbonato è paragonabile a quella del nylon e del poliossimetilene, distinguendosi tra le plastiche termoplastiche e avvicinandosi al livello delle resine fenoliche rinforzate con fibra di vetro o dei poliesteri insaturi. Inoltre, i pezzi stampati possono soddisfare requisiti di tolleranza di elevata precisione e mantenere la stabilità dimensionale in un'ampia gamma di variazioni ambientali, con un ritiro di stampaggio costante dello 0,5-0,7%. Possiede inoltre un'eccezionale resistenza al creep.

(III) Proprietà termiche

Il policarbonato ha una temperatura di transizione vetrosa di circa 147 °C e una temperatura di deformazione termica di 135 °C, che ne consentono l'utilizzo stabile per lunghi periodi nell'intervallo di temperatura da -45 °C a 120 °C. Questa eccellente stabilità termica gli consente di adattarsi a diversi ambienti di lavoro complessi; che si tratti di fredde regioni polari o di caldi climi tropicali, i prodotti in policarbonato possono funzionare normalmente.

Inoltre, il policarbonato fonde a 220-230 °C e ha una temperatura di decomposizione termica superiore a 310 °C. È una resina autoestinguente, il che ne aumenta in una certa misura la sicurezza quando utilizzato in ambienti ad alta temperatura.

(IV) Stabilità chimica

Il policarbonato ha una buona resistenza agli acidi deboli, agli alcali deboli e agli oli neutri, e può mantenere prestazioni stabili in ambienti contenenti queste sostanze chimiche. Tuttavia, è relativamente sensibile agli alcali forti e soggetto a corrosione, e la sua resistenza ai raggi UV è relativamente scarsa.

Pertanto, nelle applicazioni pratiche, è necessario applicare al policarbonato opportuni trattamenti di protezione o modifica in base all'ambiente di servizio specifico per prolungarne la durata utile.

Processi di produzione del policarbonato

(I) Metodo del fosgene (policondensazione interfacciale)

Il metodo del fosgene è attualmente uno dei processi più diffusi per la produzione di policarbonato. In questo processo, il bisfenolo A reagisce con il fosgene in una soluzione alcalina per formare policarbonato ad alto peso molecolare. Il vantaggio di questo metodo è la possibilità di produrre prodotti in policarbonato con elevata purezza e qualità eccellente.

Tuttavia, il fosgene è un gas altamente tossico che richiede rigorose misure di sicurezza durante la produzione per garantire la sicurezza degli operatori e dell'ambiente. Inoltre, impone requisiti estremamente elevati in termini di tenuta e resistenza alla corrosione delle apparecchiature di produzione, con un conseguente aumento dei costi di produzione e delle difficoltà tecniche.

(II) Metodo di transesterificazione (policondensazione a fusione)

Il metodo di transesterificazione è un altro importante processo di produzione del policarbonato. Utilizza difenilcarbonato e bisfenolo A come materie prime per effettuare reazioni di policondensazione ad alta temperatura e sotto vuoto.

Questo metodo presenta un flusso di processo relativamente semplice e non richiede l'uso di fosgene altamente tossico, il che riduce in una certa misura i rischi per la sicurezza nel processo produttivo. Tuttavia, il metodo di transesterificazione presenta anche alcuni svantaggi. Ad esempio, il peso molecolare del policarbonato prodotto è relativamente basso e le prestazioni del prodotto possono essere inferiori a quelle del policarbonato prodotto con il metodo del fosgene sotto alcuni aspetti. Pertanto, questo metodo è più adatto per la produzione di prodotti a bassa viscosità che non presentano requisiti elevati di peso molecolare.

Stato attuale dell'industria del policarbonato

(I) Capacità produttiva e output globali

La capacità produttiva globale di policarbonato (PC) continua ad aumentare, sebbene il tasso di crescita stia gradualmente rallentando. Nel 2024, la capacità produttiva globale di PC è aumentata del 4,7% su base annua, con una crescita della produzione del 4,0% su base annua e un tasso operativo medio degli impianti di produzione del 63,5%.

La concentrazione regionale della produzione globale di PC si sta spostando verso l'Asia nord-orientale, con la produzione concentrata principalmente in regioni come l'Asia nord-orientale, l'Europa occidentale e il Nord America. Nel 2024, l'Asia nord-orientale rappresentava il 66,3% della capacità produttiva globale di PC, classificandosi al primo posto; l'Europa occidentale rappresentava il 12,9%; e il Nord America il 10,3%.

Il modello di concorrenza nel settore è altamente concentrato. Nel 2024, i principali produttori di PC a livello globale erano oltre 30 e la capacità produttiva dei primi 10 produttori rappresentava il 71,8% della capacità produttiva totale mondiale. Tra questi, Covestro è il più grande produttore di PC al mondo.

(II) Situazione del commercio internazionale

Nel 2023, il valore totale del commercio internazionale di policarbonato (PC) è stato di 8,93 miliardi di dollari, con un calo del 23,5% su base annua, per un volume totale di scambi di 3,232 milioni di tonnellate, in calo del 15,6% rispetto all'anno precedente. In termini di prezzi, il prezzo medio globale all'esportazione del PC è stato di 2.761,6 dollari per tonnellata, con un calo del 9,4% su base annua.

Cina, India e Messico sono i principali paesi importatori di PC al mondo, con un totale di importazioni che rappresenta circa il 43,9% delle importazioni totali globali. Corea del Sud, Thailandia e Cina sono i principali paesi esportatori, con esportazioni totali che rappresentano circa il 44,4% delle esportazioni totali globali.

(III) Situazione del mercato cinese

Il tasso di crescita della capacità produttiva di PC in Cina ha subito un rallentamento. Negli ultimi anni, la capacità produttiva di PC in Cina è cresciuta rapidamente e l'evidente fenomeno di carenza di offerta nel settore è stato significativamente attenuato. Negli ultimi due anni, il settore ha iniziato a tornare alla razionalità, con un significativo rallentamento del ritmo di espansione della capacità produttiva, passando gradualmente dalla precedente espansione ad alta velocità all'ottimizzazione delle scorte esistenti e al miglioramento dell'efficienza.

Nel 2024, la capacità produttiva di PC in Cina è aumentata del 13,1% su base annua e la produzione è aumentata del 22,6% su base annua. Le importazioni di PC in Cina hanno continuato a diminuire, mentre le esportazioni hanno continuato ad aumentare. Nel 2024, le importazioni di PC in Cina sono diminuite del 14,8% su base annua e le esportazioni sono cresciute del 34,6% su base annua.

Le importazioni di PC dalla Cina avvengono principalmente attraverso il commercio e la lavorazione di materiali importati, rappresentando rispettivamente il 69,6% e il 18,9% delle importazioni totali. Le importazioni di PC dalla Cina provengono principalmente da paesi e regioni come Corea del Sud, Thailandia e la provincia cinese di Taiwan, che rappresentano circa il 60,3% delle importazioni totali.

Il consumo apparente di PC in Cina è aumentato dell'8,9% su base annua e il tasso di autosufficienza è aumentato di 9,9 punti percentuali su base annua. Con il completamento e l'entrata in funzione di diversi impianti nuovi e ampliati, la capacità produttiva di PC in Cina aumenterà ulteriormente e anche il volume delle forniture crescerà rapidamente. Sebbene i prodotti dei nuovi impianti non siano ancora sufficienti a sostituire rapidamente ed efficacemente i materiali importati, il tasso di autosufficienza è aumentato significativamente e la dipendenza dalle materie prime straniere è diminuita notevolmente.