پلی‌کربنات و ساختار آن
ساختمان و خواص شیمیایی
پلی‌کربنات‌ها در حقیقت پلی‌استرهای گرمانرم آمورف و خطی هستند که از واکنش اسیدکربنیک با دی‌اُل‌های آروماتیک به دست می‌آیند. اطلاعات کمی درزمینهٔ پلی‌کربنات‌های آلیفاتیک، سیکلوآلیفاتیک، آلیفاتیک آروماتیک وجود دارد درحالی‌که پلی‌کربنات‌های آروماتیک به ویژه پلی‌کربنات‌های ساخته‌شده از بیس‌فنل A به‌طور وسیعی مطالعه شده‌اند. بیس‌فنل A پلی‌کربنات از ترکیبات اسیدکربنیک با فسژن به دست می‌آید.
Bisphenol A پلی‌کربنات از ترکیب اسیدکربنیک با فسژن (Phosgene=Carbonyl Chloride=COCCl2) به دست می‌آید.
مزایای پلی‌کربنات
- استحکام ضربه‌ای بالا
- اشتعال‌پذیری پایین
- قابلیت حفاظت الکتریکی
- قابلیت استریل شدن توسط تابش گاما
- مقاومت سایشی بالا
- دماهای تغییر شکل ابعادی در اثر حرارت یا HDT بالا
- پایداری ابعادی خوب
- خواص الکتریکی خوب
- قابل فرآیند شدن از طریق همه روش‌های ویژه بسپارهای گرمانرم
پلی‌کربنات غیر خورنده است، قابلیت آتش‌گیری دارد ولی پس از خارج ساختن آن از شعله، خودش را خاموش می‌کند. این پلاستیک در حلال‌های هیدروکربورهای کلره حل می‌شود، توسط هیدروکربورهای حلقوی و قلیاهای قوی موردحمله قرار می‌گیرد، در الکل‌های خطی نامحلول و در برابر اسیدهای معدنی پایدار هست. میزان جذب رطوبت پلی‌کربنات کم و در برابر گازن اُزُن، هوا، اشعه ماوراءبنفش و شرایط محیطی مقاوم است.
در جدول زیر برخی از خواص مهم شیمیایی پلی‌کربنات نشان داده‌شده است.
|
Value |
Units |
Properties |
|
1.2 |
gr/cc |
Density |
|
good |
- |
Effect of weak acids |
|
fair |
- |
Effect of strong acids |
|
poor |
- |
Effect of strong alkalies |
|
varies |
- |
Effect of organic solvents |
|
Methylene chloride, DMF |
- |
Solvent |
|
0.15-0.18 |
% |
Water absorption (24hr) |
|
Slightly color change Slight embrittlement |
- |
Effect of sunlight |
|
25 |
- |
Oxygen index |
سال‌ها تصور می‌شد قطعات ساخته‌شده از پلی‌کربنات غیر سمی هستند و تماس آن‌ها با مواد غذایی مشکلی ایجاد نمی‌کند، ساکن تحقیقات چند سال اخیر دلالت بر آن دارد که پلاستیک‌هایی که در ساختار مولکولی آن‌ها بیس‌فنل A وجود دارد سمی و خطرناک هستند زیرا ورود این مواد به چرخه غذایی باعث جذب این ترکیب توسط مغز انسان می‌شود که یکی از عوارض آن بیماری آلزایمر خواهد بود.
خواص حرارتی
پلی‌کربنات صلبیت خود را تا 140 درجه سانتی‌گراد و چقرمگی خود را تا دمای 20- درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند.پلی‌کربنات‌های ساخته‌شده از بیس‌فنل A تنها در دماهای کم‌تر از 100- درجه سانتی‌گراد حالت شکننده پیدا می‌کند همچنین مقاومت خود را تا 120 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌نمایند.
این پلاستیک درای پایداری ابعادی بسیار بالایی است، درجه حرارت واپیچی گرمایی (HDT) قطعات ساخته‌شده از پلی‌کربنات‌های بیس‌فنل A در گستره حرارتی (43-134 درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. این دما با استفاده از تقویت‌کننده‌های الیاف شیشه تا حدود (15 درجه سانتی گراد) افزایش می‌یابد.
این پلاستیک‌ها در تماس با شعله آتش‌گیر است ولی پس از خروج از شعله قابلیت خوداطفایی دارد. پلی‌کربنات قابلیت عمل استریل شدن با بخارآب را دارد.به‌آسانی و با انوع مختلف روش‌های متداول صنعتی قابلیت شکل‌دهی دارد.
در جدول زیر تعدادی از خواص مهم حرارتی پلی‌کربنات نشان داده‌شده است.
|
Value |
Units |
Properties |
|
150 |
C° |
Glass transition temperature |
|
157 |
C° |
Vicat softening point |
|
1100 |
Pa.s |
Melt viscosity |
|
387 |
C° |
Ignation temperature |
|
100-135 |
C° |
Max. use temperature |
|
0.32 |
kJ/(K.mol) |
Heat capacity |
|
132 |
C° |
Heat deflection temperature (1.82 MPa) |
|
0.195 |
w/(m.K) |
Thermal conductivity |
|
6.6*10^-5 |
1/K |
Thermal expansion coefficient (at 40 C°) |
|
0.03 |
- |
Flammability |
خواص مکانیکی
پلی‌کربنات‌های آروماتیک (مانند بیس‌فنل A پلی‌کربنات) بادوام و سخت هستند و این خصوصیات را در محدوده نسبتاً زیادی از دما حفظ می‌کنند.خصوصیات مکانیکی پلی‌کربنات‌های آروماتیک به وزن مولکولی آن‌ها بستگی دارد.
مقاومت در برابر ضربه بسیار زیاد این پلاستیک از برجسته‌ترین خواص مکانیکی آن در مقایسه با تمام پلاستیک پرمصرف صنعتی و مهندسی است، همچنین از مقاومت بالایی در برابر سایش برخوردار هست
محصولاتی که متوسط وزن مولکولی آن‌ها کم‌تر از 10000 است قابلیت تشکیل فیلم را ندارند اما با افزایش وزن مولکولی بین 10000 تا 18000 خصوصیات مکانیکی آن‌ها در حد ضعیف قرار می‌گیرند.
جرم مولکول‌های کم‌تر از 20000 عموماً رفتار مکانیکی مناسبی ندارند، ساکن با افزیش وزن مولکولی تا 25000 رفتارهای کششی و ضربه‌ای بهتر می‌شود.
تهیه جرم مولکول‌های بالای 50000 این پلاستیک دشوار است. این پلاستیک از پایداری ابعادی بسیار خوبی برخوردار است، ضریب انبساط خطی پلی‌کربنات‌های تهیه‌شده از بیس‌فنل A در مقایسه با سایر پلاستیک‌ها، بسیار پایین‌تر است، این مقدار با استفاده از تقویت‌کننده الیاف شیشه، تا حدود 3/2% مقدار اولیه کاهش می‌یابد.
از تقویت‌شده این پلاستیک با الیاف شیشه، می‌توان به‌عنوان جایگزینی مطمئن برای برخی کامپوزیت‌ها مانند پلی‌فنل‌فرم‌آلدهید استفاده کرد، فرآیند شکل‌دهی آن ساده‌تر و اقتصادی‌تر است و در بسیاری از موارد خواص بهتری نیز در مقایسه با رزین‌های فنلی از خود نشان می‌دهد.
پلی‌کربنات پلاستیکی بسیار شفاف و خوش‌نما است و 90% نور را از خود عبور می‌دهد، ولی در طول زمان از شفافیت آن کمی کاسته می‌شود.
در جدول زیر تغییر شفافیت بیس‌فنل A پلی‌کربنات در ابتدای زمان تولید، و سه سال پس از زمان ساخت آن نشان داده‌شده است.
|
After 3 years |
Initial |
Units |
Optical Properties |
|
82 |
85 |
% |
Transmittance |
|
19 |
3 |
% |
Haze |
پلی‌کربنات بیس‌فنل A درای ضریب دی‌الکتریک بسیار پائینی است، بنابراین از خواص بالایی ازنظر عایق بودن برخوردار هست.
انواع و گونه‌های مختلف PC
تنوع گونه‌های تجاری پلی‌کربنات در سال‌های اخیر افزایش زیادی یافته است، کاربرد محصول و فرآیند شکل‌دهی دو گزینه مهم انتخاب مواد و گونه‌های این پلاستیک به شمار می‌آیند.
انواع متعدد پلی‌کربنات موجود در بازار عبارت‌اند از هموپلیمر، آلیاژ تقویت‌شده و بهبودیافته با افزودنی‌های ویژه.هموپلیمرهای آن در ساخت فیلم، ورق و قطعه مورداستفاده قرار می‌گیرند.
انواع دیگری از این پلاستیک مانند آلیاژهای آن، از قبیل آمیخته‌های PC/ABS و PC/PBT را می‌توان نام برد که در صنایع خودروسازی به نحو گسترده‌ای مورداستفاده قرار می‌گیرند.
انواع بهبودیافته، مانند مقاوم شده در برابر شعله، یا نوع پایدار شده در مقابل ترک‌های ناشی از تنش‌های محیطی.
انواع تقویت‌شده با الیاف شده با الیاف شیشه که با درصدهای وزنی 20% و 30% کاربردهای فراوانی دارند و از آن‌ها قطعات محکمی ساخته می‌شود.
نوع شاخه‌ای پلی‌کربنات برای کاربردهایی که مذاب باید استحکام زیادی داشته باشد، مناسب است.
مهم‌ترین تفاوت بین گونه‌ها عبارت‌اند از
- تفاوت در وزن مولکولی
- حضور یا (به‌صورت) یک ترکیب پلی‌هیدرولیکی
- تفاوت در مواد افزودنی
از گونه‌های صنعتی و تجاری بیس‌فنل A پلی‌کربنات می‌توان موارد زیر را نام برد:
- نمونه‌های مناسب برای قالب‌گیری تزریقی
- نمونه‌های مناسب برای فرآیند اکستروژن
- نمونه‌های مناسب برای قالب‌گیری دمشی
- نمونه‌های مناسب برای قالب‌گیری فوم‌های ساختاری
- نمونه‌های مناسب برای قالب‌گیری حرارتی تحت خلأ
پلی‌کربنات با تمام روش‌های شکل‌دهی مانند قالب‌گیری تزریقی، اکستروژن، ترموفورمینگ، فشاری و... باکیفیت عالی شکل‌دهی می‌شود.
کاربردها
- تجهیزات الکترونیک واداری: بدنه‌های ماشین‌های اداری، قطعات لوازم جانبی کامپیوتر، رابط‌ها، بلوک‌های ترمینال (قالب‌های پایانه) و اجزای مخابراتی
- لوازم‌خانگی: فرآیندکننده‌های مواد غذایی، اجزای الکتریکی آشپزخانه، بدنه‌های ابزار برقی، کشوهای یخچال فریزر و اجزای تشکیل‌دهنده جاروبرقی
- حمل‌ونقل: چراغ‌های عقب و جلو، لنزها و بدنه‌های چراغ هشدار، نشان‌گرهای باند فرودگاه، تقسیم‌کننده‌هایی (اسپویلر) که به‌طور بادی قالب‌گیری می‌شوند. (به صفحه یا مجموعه‌ای از صفحات، شانه، لوله، میله یا وسیله دیگر گفته می‌شود که در معرض جریان هوا قرار می‌گیرد به‌طوری‌که کل بدنه در اثر اصطکاک افزایش‌یافته، ساییده می‌شود یا صافی سطح به‌شدت از بین می‌رود، به ویژه چنین وسیله‌ای که از سطح بالایی توسط یک‌لایه هوایی تحت سایش قرار می‌گیرد، اصطکاک را افزایش و نیروی بالابرنده را کاهش می‌دهد.) احتمال قوی در این‌جا منظور سپر و قطعات آئرودینامیکی خودرو مدنظر است که تحت عنوان اسپویلر از آن نام‌برده شده است و تکیه‌گاه صندلی.
- ایمنی و ورزش: کلاه‌های ایمنی ورزشی، کاپوت ماشین‌ها و وسایل نقلیه ورزشی و تفریحی، شیشه‌های جلوی اتومبیل، چراغ‌های جلو، پروانه‌های قایق و لنزهای شیشه آفتابی
- خدمات مربوط به مواد غذایی: ظروف ویژه پخت در مایکروویو، سینی‌های ویژه خوردن یا سرو غذا، لیوان‌ها، پارچ‌ها، بطری‌های آب، شیشه شیرهای بچه
- وسایل پزشکی: رابط‌های لوله‌ای، اجزای تشکیل‌دهنده و وسایل دیالیز، اکسیژناتورهای خون، بدنه‌های فیلتر، لنزها، لوازم استریلیزاسیون یا میکروب‌کشی توسط اشعه گاما و بخیه‌زن‌های جراحی
- محصولات ورقه‌ای: علائم مؤسساتی، روکش‌های داخلی هواپیما، پنجره‌های گلخانه
- صنعتی: صندوق‌های پستی، مخازن جا‌به‌جایی ماده، طرح‌ها و تصاویر بزرگ‌راه
این پلاستیک در ساخت محفظه کامپیوترهایی که خواص مکانیکی، الکتریکی و مقاومت در برابر آتش بالاتری از آن‌ها در نظر باشد، همچنین سایبان خلبانان هواپیمای مافوق صوت به‌کاربرده شود.
همچنین در ساخت محصولات قالب‌گیری، فیلم‌های اکسترود شده، لوله، شیشه‌های نشکن، پنجره، حباب چراغ‌های خودروها و خیابان‌ها، مصارف خانگی، حباب کلاه ایمنی فضانوردان، شیشه‌های مقاوم در برابر گلوله بانک‌ها، سپر پلیس ضد شورش و اتومبیل‌های زره‌دار مورداستفاده قرار می‌گیرد.