第三章 聚碳酸酯（PC）

第一節 主要品種的性能

一、簡介

（一）結構特征

聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）是在分子主鏈中含有碳酸酯的高分子化合物的總稱，對于二羥基化合物的線型結構的聚碳酸酯一般用如下通式表示：

式中，R代表二羥基化合物HO—R—OH的母核，隨著R基團的不同，可以分成脂肪族聚碳酸酯、脂肪-芳香族聚碳酸酯或芳香族聚碳酸酯。例如，當R為（CH2）m時，結構式為，為脂肪族聚碳酸酯；當R為時，結構式為，為芳香族聚碳酸酯；當脂肪族聚碳酸酯的主鏈中含有芳香環，為脂肪-芳香族聚碳酸酯。

脂肪族聚碳酸酯熔點低，溶解度高，親水以及熱穩定性差，機械強度低，不能作為工程塑料使用。脂肪-芳香族聚碳酸酯熔融溫度雖然比脂肪族聚碳酸酯高，但由于其結晶趨勢大、性脆、機械強度差，實用價值不大。真正有實用價值的是芳香族聚碳酸酯。從原料價格的低廉性、制品性能以及加工性能來考慮，能工業化生產的只有雙酚A型芳香族聚碳酸酯。雙酚A型聚碳酸酯是由雙酚A和碳酰氯（光氣）反應，或和碳酸二苯酯進行酯交換而得的。由于分子中含有強極性羰基及二氧基鍵（—O—R—O—），因而分子間作用力強，是力學性能和耐熱性皆優的無定形熱塑性工程塑料。

（二）主要性能

聚碳酸酯具有突出的沖擊韌性、透明性和尺寸穩定性，優良的力學性能、電絕緣性，使用溫度范圍寬，還有良好的耐蠕變性、耐候性，低吸水性，無毒性，自熄性，是一種綜合性能優良的工程塑料。

（1）物化性能 純聚碳酸酯樹脂是一種無定形、無味、無臭、無毒、透明的熱塑性聚合物，相對分子質量一般在2000～7000范圍內，相對密度為1.18～1.20，玻璃化轉變溫度為140～150℃，熔程為220～230℃。

聚碳酸酯具有一定的耐化學腐蝕性。在常溫下，它受下列化學試劑長期作用而不會溶解和引起性能變化：20%鹽酸、20%硫酸、20%硝酸、40%氫氟酸、10%～100%甲酸、20%～100%乙酸、10%碳酸鈉水溶液、食鹽水溶液、10%重鉻酸鉀+10%硫酸復合溶液、飽和溴化鉀水溶液、30%雙氧水、脂肪烴、動植物油、乳酸、油酸、皂液及大多數醇類。但是，甲酸和乙酸對其有輕微侵蝕作用。

聚碳酸酯的耐油性優良，在天然汽油中浸泡3個月或在潤滑油中125℃下浸泡3個月，制品尺寸和質量基本無變化。當然，在常溫高揮發性汽油中浸泡1個月后，其表面會受到輕微侵蝕。

由于聚碳酸酯的非結晶性，分子間堆砌不夠致密，芳香烴、氯代烴類有機溶劑能使其溶脹或溶解，容易引起溶劑開裂現象。能使聚碳酸酯溶脹而不溶解的溶劑有四氯化碳、丙酮、苯、乙酸乙酯等。乙醚能使聚碳酸酯輕微溶脹。

雖不會引起明顯降解但較易使聚碳酸酯溶解的溶劑有四氯乙烷、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、三氯乙烯、吡啶、四氫呋喃、三甲酚、噻吩、磷酸三甲酯等。溫熱的氯苯、苯酚、環己酮、N，N-二甲基甲酰胺和磷酸三甲苯酯等也有類似作用。

聚碳酸酯長期浸泡在甲醇中會引起結晶、降解并發脆，對乙醇、丁醛、樟腦油的耐蝕性也有限。聚碳酸酯制品浸泡在甲苯中可提高表面硬度，浸泡在二甲苯中則會發脆。

聚碳酸酯的耐堿性較差。稀的氫氧化鈉水溶液便可使它緩慢破壞，氨、胺或其10%水溶液即可使它迅速皂化降解。此外，溴水、濃硫酸、濃硝酸、王水及糠醛等也可使它遭到破壞。

聚碳酸酯的吸水性小，不會影響制品的穩定性。但是，由于其分子鏈中有大量酯鍵的存在，不用說長期泡在沸水或飽和水蒸氣中，就是長期處于高溫高濕情況下也會引起水解、分子鏈斷裂，最終出現制品開裂現象。

聚碳酸酯分子剛性較大，熔體黏度比普通熱塑性樹脂高得多，這使得其成型加工具有一定的特殊性，要按特定條件進行。

聚碳酸酯本身無自潤滑性，與其他樹脂相容性較差，也不適合于制造帶金屬嵌件的制品。

（2）結晶性 雙酚A型聚碳酸酯大分子鏈較僵硬，結晶比較困難，一般多為無定形聚合物。但是，當相對分子質量較低時，還是有結晶的趨勢。將無定形聚碳酸酯升溫到160℃以上，在沒有空氣的條件下長時間加熱，便會逐步形成結晶。在190℃下加熱，結晶速度最快，其大分子鏈段在松弛狀態下自由取向。若在其玻璃化轉變溫度以上進行拉伸，鏈段取向更快，結晶能力增大。當聚碳酸酯結晶時，其熔點升高，強度增加，伸長率下降，同時，其電絕緣性提高，溶解性和吸濕性減小。

（3）力學性能 聚碳酸酯的力學性能優良，尤為突出的是它的沖擊強度和尺寸穩定性，在寬的溫度范圍內仍能保持較高的力學強度；其缺點是耐疲勞強度和耐磨性較差，較易產生應力開裂現象。

1）沖擊強度。聚碳酸酯的沖擊強度在通用工程塑料乃至所有熱塑性塑料中都是很突出的，其數值與45%玻璃纖維增強聚酯（PET）相似。

2）耐蠕變性。聚碳酸酯的耐蠕變性在熱塑性工程塑料中是相當好的，甚至優于尼龍和聚甲醛。因吸水而引起的尺寸變化和冷流變形均很小。這是其尺寸穩定性優良的重要標志。

在30MPa以內應力下對聚碳酸酯做蠕變試驗表明，在最初300h內蠕變速度較快；隨著時間繼續延長，蠕變速度顯著減緩；在室溫下逐漸趨于恒定，而升溫則會使蠕變加快和允許負荷減少。

3）疲勞強度。聚碳酸酯抵抗周期性應力循環往復作用的能力較差。

由于耐疲勞強度低，因此聚碳酸酯在長期負荷情況下所能允許的應力就比較小。

4）應力開裂性。聚碳酸酯制品的殘留應力和應力開裂現象是個較為突出的問題。塑料的內應力主要是由于被強迫取向的大分子鏈間相互作用所造成的。

將聚碳酸酯的彎曲強度試樣撓曲并放置一定時間，當撓曲應力超過其極限值時，便會發生微觀撕裂現象。但是，如果聚碳酸酯制品在成型加工過程中因溫度過高等原因而發生了分解老化，或者制品本身存在缺口或熔接焊縫等脆弱部分以及制品在化學氣體中長期使用，那么發生微觀撕裂的時間將會大大縮短，所能承受的極限應力值也將大幅度下降。

5）摩擦磨損性能。與其他大多數工程塑料相比，聚碳酸酯的摩擦因數較大，耐磨性較差。

聚碳酸酯的耐磨性比尼龍、聚甲醛、氯化聚醚及聚四氟乙烯等差，屬于一種中等耐磨性材料。在耐摩擦熱熔化時，極限pv（壓力和速度的乘積）值約為50MPa·cm/s。

盡管聚碳酸酯的耐磨性較差，但比金屬的耐磨性還是要好得多。例如，用聚碳酸酯做軸，分別用鋅合金和黃銅做軸套，兩者配合后分別以6000r/min和3500r/min轉速運轉30h后，磨損量比值分別為1∶5和1∶3。

在聚碳酸酯樹脂中加入某些填料（或纖維）可以改善其耐磨性。若加入微粉狀聚四氟乙烯，便可降低其摩擦因數和磨損量，提高其pv值；加入玻璃纖維也可提高pv值，降低其磨損量。

（4）熱性能 在通用工程塑料中，聚碳酸酯的耐熱性還算是較好的，其熱分解溫度（Td）在300℃以上，長期工作溫度可高達120℃。同時，它又具有良好的耐寒性，脆化溫度（Tc）低達-100℃；其長期使用溫度范圍為-60～120℃。

（5）電性能 聚碳酸酯的分子極性小、玻璃化轉變溫度高、吸水性低，因此具有優良的電絕緣性能。

聚碳酸酯的體積電阻率受溫度的影響較大。當溫度＜-40℃時，其體積電阻率比常溫時的稍小；當溫度在-40～0℃范圍，體積電阻率達到最大值（約1017Ω·cm）；當溫度由常溫逐漸上升到其玻璃化轉變溫度Tg（150℃）時，體積電阻率逐漸下降但較緩慢；當溫度＞Tg時，隨溫度的升高，其體積電阻率顯著下降。

聚碳酸酯的相對介電常數隨電場頻率的增大而緩慢降低，而介電損耗角正切值則逐漸升高；但電場頻率升到107Hz時，介電損耗角正切值似乎達到最大值，其后又開始緩慢下降。

（6）吸水性 聚碳酸酯大分子鏈上堆砌了大量的苯環，且極性低，其吸水性在通用工程塑料甚至所有熱塑性塑料中都是較小的。

聚碳酸酯的吸濕（水）性較小，一般都不會影響其制品的尺寸和形狀穩定性。即使在較苛刻的條件下（如RH100%、60℃），聚碳酸酯制品的長度變化為0.035%，質量增加只有0.36%～0.40%。聚碳酸酯模塑收縮率一般僅為0.5%～0.8%。因此，它適合于用來制造精密制品。

（7）耐老化性和耐燃性

1）耐老化性。聚合物及其制品在其所處的熱、光、風、雨、雪、氧、臭氧等環境條件下性能隨著時間的推移會逐漸變壞。不同聚合物抵抗環境因素使其變壞的能力是不同的。

聚碳酸酯抵抗氣候因素使其性能下降的能力極強。將厚1.3mm的薄板置于耐候試驗機中，在相當于戶外惡劣環境條件下歷時1年，經測試發現其力學性能基本不變。即使把聚碳酸酯試片放于日光、雨水、氣溫等都激烈變化的戶外環境中曝露3年，其顏色雖稍變黃，但屈服強度卻沒有明顯下降。

聚碳酸酯的耐熱老化性能也相當好，若將聚碳酸酯薄膜放置在空氣中長時間加熱，其性能變化很小。如在140℃空氣中長時間加熱，聚碳酸酯的拉伸強度不但未降低，反而還略有提高，僅伸長率有所下降。即使在160℃空氣中加熱48天，其拉伸強度也只降低了18%左右。

2）耐燃性。聚碳酸酯是可燃的，在火中燃燒時，火焰呈淡黃色，冒黑煙；但其極限氧指數僅25%，離開火源后立即自動熄滅。若在基體樹脂中加入某些阻燃性物質如鹵化物、三氧化二銻、氫氧化鎂、磷酸酯和紅磷等，便可提高其阻燃性。若用四溴雙酚A代替普通雙酚A制成含鹵素的聚碳酸酯，那么其耐燃性就會被大大提高，即使在火源中也不會燃燒。

（8）光學性能 聚碳酸酯是非結晶性物質，純凈聚碳酸酯無色、透明，具有良好的透過可見光的能力。其透光率與光線的波長、制件厚度有關。2mm厚的薄板可見光透過率可達90%；但不能透過290×10-3nm以下的短波光線。

與其他透明高聚物一樣，聚碳酸酯在單向拉伸時，由于分子被強迫取向而產生各向異性，同時貯積了內應力，這時便會出現光線的雙折射現象。基于這種光學性質，可用偏振光檢查出制品中內應力的大小。

聚碳酸酯對紅外光、可見光和紫外光等低能長波光線的作用一般都有良好的穩定性。但是，當受波長290nm附近的紫外光作用時，會發生光氧化反應而逐漸老化。老化先從表面變黃開始，由于分子主鏈的斷裂，相對分子質量降低，力學性能下降，最終發生龜裂現象。因此，通常需要加入紫外線吸收劑以提高其防老化性能。

總之，聚碳酸酯的主要原料是雙酚A。樹脂的特性：透明度高（透光率為85%～90%），沖擊強度高，拉伸強度、彎曲強度與尼龍、聚甲醛接近，馬丁耐熱溫度高達116～125℃。聚碳酸酯使用溫度范圍廣（從-60～130℃），吸水性低，成型收縮率小，因而尺寸穩定，還有良好的耐化學性、耐候性和易染色。但聚碳酸酯的耐疲勞強度低，耐應力開裂差，對缺口敏感，若用共混、增強及退火等方法處理，則可改善。

聚碳酸酯可用于制備要求沖擊強度高的機械零件，如防護罩、齒輪、螺桿等。玻璃纖維增強的聚碳酸酯有似金屬特性，可代替銅、鋅、鋁等壓鑄件，又可制電子電器的絕緣件、電動工具外殼、精密儀表零件、高頻頭，與聚烯烴共混，可制安全帽、緯紗管、餐具，與ABS共混適合制高剛度、高沖擊韌性的制件，如泵葉輪、汽車部件等。也有含有發泡劑的樹脂，這種用低發泡注射成型所得的制品可代替木材。

聚碳酸酯（PC）的合成方法有光氣法和酯交換法，其性能見表3-1。

韓國、日本、美國、德國部分公司生產的PC見表3-2。

（三）應用

聚碳酸酯的綜合性能優良，已得到廣泛應用。長期以來，聚碳酸酯主要用于高透明性及高沖擊強度的領域，作為光學材料光盤用材是聚碳酸酯的主要用途之一。

在電子電器產品方面，聚碳酸酯及其合金可用于家用電器、通用通信設備、照明設備等零部件，可用于吸塵器、洗衣機、淋浴器等，也可用于制造各種元件、大型線圈軸架、電動制品、電器開關、電動工具外殼等。

二、國內聚碳酸酯主要品種的性能

1．上海中聯化工廠的酯交換法PC的性能（表3-3）

2．江蘇五礦常州農藥廠光氣法PC的性能（表3-4）

3．天津有機化工二廠的光氣法PC的性能（表3-5）

4．成都有機硅研究中心的改性PC性能（表3-6）

5．香港毅興行工程塑料公司的玻璃纖維增強與阻燃PC的性能（表3-7）

6．臺灣南亞塑膠公司的改性PC的性能（表3-8）

三、國外聚碳酸酯主要品種的性能

1．美國陶氏化學公司的Calibre PC的性能（表3-9）

2．美國通用電器塑料公司的Lexan PC的性能（表3-10）

3．日本工程塑料公司的PC的性能（表3-11）

4．日本出光（Idemistu）石油化學公司的Touflon PC的性能（表3-12）

5．日本帝人（Teijin）化學公司的Panlite PC的性能（表3-13）

6．德國拜耳公司的Makcolon PC的性能（見表3-14）

7．英國帝國化學公司材料部的PC的性能（表3-15）

8．荷蘭阿克蘇工程塑料公司的PC的性能（表3-16）

9．荷蘭通用電器塑料公司的Lexan PC的性能（表3-17）

10．韓國三養社（Sam Yang）的Trirex PC的性能（表3-18）

11．韓國LG化學公司的FR-PC的性能（表3-19）