PC-onttolevyn puristuslinja

Polykarbonaatti-PC:n polymerointimenetelmien tutkimus ja markkina-analyysi

PC-onttoarkin suulakepuristuslinjaPolykarbonaatti (PC) on polymeeri, jonka molekyyliketjussa on karbonaattiryhmiä. Molekyylirakenteen kaava on esitetty kaavassa.

PC on lähes väritön, lasimainen, amorfinen polymeeri, jolla on hyvät optiset ominaisuudet, lämmönkestävyys, iskunkestävyys, kestävyys heikkoja happoja ja emäksiä sekä neutraaleja öljyjä vastaan. Suuren suhteellisen molekyylimassan omaavalla PC:llä on korkea sitkeys, mutta se kestää huonosti hydrolyysiä, on herkkä lohkeilulle, huonosti naarmuuntumiselle, altis tietyille orgaanisille liuottimille, kellastuu pitkäaikaisessa ultraviolettivalolle altistumisessa, eikä sitä voida käyttää tuotteissa, jotka altistuvat toistuvasti korkeapainehöyrylle.

PC voidaan jakaa alifaattisiin, aromaattisiin, alifaattis-aromaattisiin ja muihin tyyppeihin esteriryhmän rakenteen mukaan. Alifaattisilla ja alifaattis-aromaattisilla PC:illä on heikommat mekaaniset ominaisuudet, mikä rajoittaa niiden käyttöä teknisissä muoveissa. Tähän mennessä vain aromaattista PC:tä on tuotettu teollisesti. Rakenteellisten erityispiirteidensä ansiosta PC:stä on tullut yksi nopeimmin kasvavista yleisistä teknisistä muoveista, jolla on erinomainen yleinen suorituskyky. Sitä käytetään laajalti elektroniikan ja sähkölaitteiden, levysäiliöiden, autoteollisuuden, lääkinnällisten laitteiden ja suojavarusteiden aloilla, ja se laajenee nopeasti uusille aloille, kuten ilmailu- ja avaruustekniikkaan, optisiin komponentteihin ja optoelektroniseen tietotekniikkaan.

PC:n tuotantoprosessi

Tällä hetkellä PC:n tuotantomenetelmiä on kolme: fotokaasurajapintapolykondensaatio (tunnetaan myös fotokaasumenetelmänä), sulan esterin vaihtopolykondensaatio ja ei-fotokaasusulan esterin vaihtopolykondensaatio.

1. Fotokaasun rajapinnan polykondensaatio

Ensin CO saadaan koksihiilen tai vähähiilisten alkaanien osittaisella hapetuksella ja puhdistuksella, kun taas vesipitoista NaCl:a elektrolysoidaan Cl2:n ja NaOH:n saamiseksi. Tuloksena oleva CO reagoi Cl2:n kanssa, jolloin muodostuu raaka-aine fosgeeni, joka kondensoituu rajapinnalla BPA:n kanssa CH2Cl2-liuoksessa, jolloin muodostuu PC:tä.

Lisäksi elektrolyysissä syntyvä NaOH toimii katalyyttinä reaktioprosessissa. Saatu PC-liuos puhdistetaan ensin pesemällä runsaalla vesimäärällä, lisäämällä sitten heksaania tai tolueenia ja tislaamalla liuottimien, kuten CH2Cl2:n, poistamiseksi PC-pellettien saamiseksi. Kuivattu PC rakeistetaan sularakeistimella. Reaktio suoritetaan ilmakehän paineessa ja polykondensaatioreaktion jälkeen erotetut materiaalit, sentrifugoinnista peräisin oleva emäliuos, dikloorimetaani ja suolahappo kierrätetään.

Prosessi on kypsä, tuotteen laatu on korkea, raaka-aineen puhtaudelle ei ole erityisvaatimuksia, reaktiolaitteisto on suhteellisen yksinkertainen ja se voidaan suorittaa matalassa lämpötilassa ja paineessa, mutta valmistusprosessissa jäljelle jäävät kloridi-ionit vaikuttavat tuotteen laatuun. Lisäksi raaka-aineena on erittäin myrkyllistä fosgeenia, joka on suhteellisen vaarallista, ja syntyvän jätekaasun ja jäteveden määrä on suuri.

GE (General Electric) Plastics, Bayer ja Mitsubishi Chemical yhdistävät jälkikäsittelyprosessissa haihdutuksen ja saostuksen poistaakseen liukenevia epäpuhtauksia liuottimien ja saostusaineiden avulla ja parantaakseen puhdistustehoa.

2. Sulaesterinvaihtopolykondensaatio
Sulaesterinvaihtopolykondensaatio perustuu fenoliin raaka-aineena. DPC valmistetaan ensin rajapintafotokaasutuksella, sitten katalyyttien (kuten litiumhalogenidin, litiumhydroksidin, litiumalumiinihalogenidin ja boorihydroksidin jne.) ja lisäaineiden läsnä ollessa oligomeeri saadaan esterinvaihtoreaktiolla bisfenoli A:n kanssa ja edelleen polykondensaatilla PC-tuotteiden saamiseksi. Reaktioprosessi on esitetty yhtälössä (3).

Prosessi on halvempi kuin fotokaasujen rajapintapolykondensaatio ja suhteellisen yksinkertainen ja tuottaa vähemmän jätevettä ja kaasua. Prosessi vaatii kuitenkin edelleen erittäin myrkyllisen fosgeenin käyttöä raaka-aineen, DPC:n, valmistuksessa, ja syntyvät Cl-pitoiset epäpuhtaudet voivat deaktivoida emäksisen katalyytin neutralointireaktioiden kautta, mikä heikentää PC:n suorituskykyä ja aiheuttaa materiaalin kellastumista.

3. Ei-fosgeeninen sulaesterinvaihtopolykondensaatiomenetelmä
Vuonna 1978 GE Plastics julkaisi ensimmäisen patentin fenolin oksidatiivisesta karbonyloinnista CO:lla ja O2:lla käyttäen Pd:tä katalyyttinä DPC:n tuottamiseksi, joka sitten vaihdettiin sulassa tilassa BPA:han PC:n muodostamiseksi, kuten yhtälössä (4) on esitetty.

Metanolin oksidatiivisen karbonyloinnin CO:lla ja O2:lla dimetyylikarbonaatin (DMC) muodostamiseksi esittivät ensimmäisen kerran Romano ym. vuonna 1980. DMC:lle suoritettiin sitten esterivaihtoreaktio fenolin kanssa, jolloin muodostui tolueenikarbonaattia (MPC), MPC disproportionoitiin DPC:ksi, ja DPC:lle suoritettiin esterivaihtopolykondensaatioreaktio sulassa tilassa olevan bisfenoli A:n kanssa, jolloin muodostui PC-tuotteita, kuten kaavassa (5) on esitetty.

Vuonna 1993 GE Plastics otti johtoaseman PC:n teollisessa tuotannossa ei-fosgeeniprosessilla käyttäen biaksiaalista reaktoria, jonka kapasiteetti oli 25 000 tonnia vuodessa ja jossa raaka-aineena käytettiin CO2:ta.

CO2 on myrkytön, palamaton ja biologisesti uusiutuva raaka-aine, ja sen aktiivisuus on alhaisempi kuin CO:n, mutta sitä voidaan käyttää myös kopolymeerimonomeerinä PC:n valmistuksessa. Kiinassa sijaitseva ningbo zhejiang iron dafeng chemical co., ltd. on itsenäisesti kehittänyt fosgeenittoman PC-tuotantoprosessin käyttäen CO2:ta ja propyleenioksidia raaka-aineina, ja sen nykyinen vuotuinen tuotantokapasiteetti on 100 000 tonnia. Japanissa sijaitseva Asahi Kasei on myös kehittänyt prosessin PC:n valmistamiseksi fosgeenittomalla menetelmällä käyttäen CO2:ta, kuten kuvassa 2 on esitetty. Tämä on esitetty kuvassa 2.
Prosessi suoritetaan vedettömässä ympäristössä (jäähdytysvettä lukuun ottamatta) ilman syövyttäviä raaka-aineita. Sivutuotteet metanoli ja fenoli voidaan kierrättää, ja reaktioprosessi tuottaa kaksi tuotetta, korkealaatuista PC:tä ja erittäin puhdasta MEG:tä ilman jätettä tai jätevettä.
Prosessissa ei käytetä myrkyllisiä aineita, sen atomien käyttöaste on korkea ja se on käytännössä saastevapaa. Ylimääräiset raaka-aineet ja sivutuotteet voidaan kierrättää tuotantoprosessin aikana, mikä hallitsee tehokkaasti tuotantokustannuksia.

PC-markkinat ja kehitysnäkymät

Viime vuosina talouden nopean kehityksen ja uusien sovellusten laajenemisen myötä PC:stä on tullut yksi nopeimmin kasvavista teknisistä muoveista. Tärkeimmät tuottajat ovat keskittyneet Yhdysvaltoihin, Länsi-Eurooppaan ja Japaniin, missä Bayer, GE Plastics, Dow Chemical ja Teijin hallitsevat maailman PC-tuotantoa ja -markkinoita.

Vuonna 2020 Aasian ja Tyynenmeren alueen osuus maailmanlaajuisesta PC-kysynnästä on noin 72.6 %, ja Kiinasta on tullut maailman suurin PC-tuottaja ja -kuluttaja. Kansallisen politiikan vahvan tuen, PC-teknologian käyttöönoton yhteisyritysten muodossa ja kotimaisen itse kehitetyn tuotantoteknologian jatkuvan kypsymisen ansiosta on investoitu merkittäviin PC-tuotantohankkeisiin, mikä on lisännyt huomattavasti kotimaista PC-tuotantokapasiteettia ja avannut tälle teollisuudenalalle uusia kehitysmahdollisuuksia.

PC-tuotantoprosessin tekniset esteet ovat suhteellisen korkeat, ja Kiina aloitti myöhään. Ennen vuotta 2015 kaikki kotimaiset PC-tuotantolaitokset rakennettiin yhteisyrityksinä tai teknologian käyttöönoton kautta, ja tuotantokapasiteetti oli erittäin keskittynyttä. Siitä lähtien yritykset, kuten Wanhua Chemical ja Sichuan Zhonglan Guohua New Material, ovat kehittäneet erilaisia ​​PC-synteesiteknologioita itsenäisillä immateriaalioikeuksilla, mikä on mahdollistanut Kiinan PC-teollisuuden kehityksen ja kasvun.

Tällä hetkellä maailman uusi tuotantokapasiteetti keskittyy pääasiassa Kiinaan. Vuonna 2019 Kiinan PC-tuotantokapasiteetti oli 1.66 miljoonaa tonnia, mikä on 31.74 % enemmän kuin edellisenä vuonna, ja kapasiteetin käyttöaste oli 58 %. Vuonna 2020 Kiinan PC-tuotantokapasiteetti kasvoi 2.44 miljoonaan tonniin vuodessa ja tuotanto 1.185 miljoonaan tonniin.

PC-tietokoneet on sisällytetty kansalliseen korkean teknologian teollisuuteen, keskeisiin strategisiin nouseviin teollisuudenaloihin ja kymmeneen keskeiseen alueeseen, joita on kuvattu ”Made in China 2025” -raportissa. Kansallisten politiikkojen ja kotimaiseen tuotantokapasiteettiin tehtyjen massiivisten investointien kannustamana tulevaisuuden kotimaisilla PC-markkinoilla on väistämättä tilanne, jossa tarjonta ylittää kysynnän. Konservatiivisen arvion mukaan Kiinassa vapautuu 2.41 miljoonaa tonnia PC-tuotantokapasiteettia vuodessa vuoteen 2023 mennessä, jolloin Kiinan PC-tietokoneiden kokonaistuotantokapasiteetti on lähes 3.6 miljoonaa tonnia vuodessa.

Verrattuna nopeasti kasvavaan PC-tuotantokapasiteettiin, alavirran kysyntä ei ole vapautunut samanaikaisesti. Kaiken kaikkiaan PC-kulutuksen kasvu on hidasta ja teollisuus on siirtynyt alhaisen kehityksen aikaan. Tavallisilla PC-levyillä on heikko iskunkestävyys ja kemikaalien kestävyys, eikä niitä voida soveltaa monilla aloilla, mutta tekniset esteet huippuluokan tuotteiden tuotannolle ovat korkeat. Samalla kun kotimaiset yritykset laajentavat tuotantoaan nopeasti, niiden tulisi parantaa tuotteidensa laatua ja muuttaa ylimääräisten halpojen tuotteiden ja huippuluokan tuotteiden puutteen ongelmaa voidakseen kasvaa ja kehittyä kovassa markkinakilpailussa.

PC:n kolmesta päätuotantoprosessista fosgeeniton menetelmä on ympäristöystävällinen, sivutuotteita ei synny, investointikustannukset ovat alhaiset, hyötysuhde on hyvä ja tuloksena olevien tuotteiden laatu on korkea, mikä on ehdottomasti PC:n tulevaisuuden kehityssuunta. Tällä hetkellä erittäin puhtaan DPC:n tuotantokustannuksia voidaan alentaa kehittämällä tehokkaita katalyyttejä, ja lisäksi voidaan suunnitella tehokkaita reaktoreita, jotka soveltuvat korkean sulaviskositeetin omaavien PC-esipolymeerien tuotantoon.

Vaikka PC-tietokoneiden tuotantokapasiteetti ja kulutus Kiinassa kasvavat, tuotteet ovat yleensä perusmateriaaleja, joita käytetään pääasiassa pakkauksissa, kalvoissa ja levyissä jne., ja niiden käyttökohteet ovat kapeat ja voitot alhaiset. Autoteollisuudessa, kodinkoneissa, elektroniikkatuotteissa ja muilla aloilla käytettävät huipputuotteet ovat edelleen riippuvaisia ​​yhteisyrityksistä tai ulkomaisista yrityksistä. Tuotantokapasiteetin vapautumisen myötä tarjonta ja kysyntä lähestyvät vähitellen tasapainoa, kilpailu PC-teollisuudessa kiristyy ja yritykset kohtaavat suuria haasteita. Ympäristölle haitallisten teknologioiden poistaminen, PC-raaka-aineiden tuotantokustannusten alentaminen, tuotteiden suorituskyvyn säänteleminen ja parantaminen, korkean suorituskyvyn tuotteiden kehittäminen, laitteiden energiankulutuksen vähentäminen, laitteiden kilpailukyvyn parantaminen ja kotimaisen teknologian itsenäisen tutkimus- ja kehitysvoiman lisääminen ovat PC-teollisuuden tulevaisuuden kehityssuunta.