PC hulplate ekstruderingslinje

Forskning og markedsanalyse av polymerisasjonsmetoder for polykarbonat-PC

PC-hularkekstruderingslinjePolykarbonat (PC) er en polymer som inneholder karbonatgrupper i molekylkjeden. Molekylstrukturformelen er vist i formelen.

PC er en nesten fargeløs, glassaktig, amorf polymer med gode optiske egenskaper, varmebestandighet, slagfasthet, motstand mot svake syrer og alkalier og nøytrale oljer. PC med høy relativ molekylvekt har høy seighet, men den er dårlig motstandsdyktig mot hydrolyse, følsom for avskalling, dårlig motstandsdyktig mot riper, mottakelig for visse organiske løsemidler, gulner ved langvarig eksponering for ultrafiolett lys og kan ikke brukes til produkter som gjentatte ganger utsettes for høytrykksdamp.

PC kan deles inn i alifatisk, aromatisk, alifatisk-aromatisk og andre typer i henhold til estergruppens struktur. Blant disse har alifatisk og alifatisk-aromatisk PC lavere mekaniske egenskaper, noe som begrenser bruken i tekniske plaster. Bare aromatisk PC har blitt produsert industrielt så langt. På grunn av sine strukturelle særegenheter har PC blitt en av de raskest voksende generelle tekniske plastene med utmerket totalytelse, og er mye brukt innen elektronikk og elektriske apparater, arkbeholdere, bilindustrien, medisinsk utstyr og verneutstyr, og ekspanderer raskt til nye felt som romfart og luftfart, optiske komponenter og optoelektronisk informasjon.

PC-produksjonsprosess

For tiden finnes det tre produksjonsprosesser for PC, nemlig fotogass-grensesnittpolykondensasjon (også kjent som fotogasmetoden), smeltet esterutvekslingspolykondensasjon og ikke-fotogass smeltet esterutvekslingspolykondensasjon.

1. Polykondensasjon av fotogassgrensesnitt

Først oppnås CO ved delvis oksidasjon og rensing av kokskull eller lavkarbonalkaner, mens vandig NaCl elektrolyseres for å oppnå Cl2 og NaOH. Den resulterende CO reageres med Cl2 for å produsere råmaterialet fosgen, som gjennomgår grenseflatekondensasjon med BPA i CH2Cl2-løsning for å produsere PC.

I tillegg fungerer NaOH produsert ved elektrolysen som katalysator i reaksjonsprosessen. Den oppnådde PC-løsningen renses først ved vasking med store mengder vann, deretter tilsetning av heksan eller toluen og destillasjon for å fjerne løsemidler som CH2Cl2 for å oppnå PC-pellets. Den tørkede PC-en granuleres ved hjelp av en smeltegranulator. Reaksjonen utføres ved atmosfærisk trykk, og de separerte materialene etter polykondensasjonsreaksjonen, moderluten fra sentrifugering, diklormetan og saltsyre resirkuleres.

Prosessen er moden, produktets kvalitet er høy, det er ingen spesielle krav til råmaterialets renhet, reaksjonsutstyret er relativt enkelt og kan utføres under lav temperatur og lavt trykk, men gjenværende kloridioner i fremstillingsprosessen vil påvirke produktets kvalitet. I tillegg er råmaterialet det svært giftige fosgenet, som er relativt farlig, mens mengden av avgass og avløpsvann som genereres er stor.

GE (General Electric) Plastics, Bayer og Mitsubishi Chemical kombinerer fordampning og utfelling i etterbehandlingsprosessen for å fjerne løselige urenheter ved hjelp av løsemidler og utfellingsmidler og forbedre renseeffekten.

2. Polykondensasjon med smelteesterutveksling
Smelteesterutvekslingspolykondensasjon er basert på fenol som råmateriale. DPC fremstilles først ved en grensesnittfotogassifiseringsreaksjon, deretter i nærvær av katalysatorer (som litiumhalogenid, litiumhydroksid, litiumaluminiumhalogenid og borhydroksid, etc.) og tilsetningsstoffer. Deretter oppnås oligomeren ved esterutvekslingsreaksjon med bisfenol A, og videre polykondensasjon for å oppnå PC-produkter. Reaksjonsprosessen er vist i ligning (3).

Prosessen er rimeligere enn fotogass-grensesnittpolykondensasjon, relativt enkel og produserer mindre avløpsvann og gass. Prosessen krever imidlertid fortsatt bruk av det svært giftige fosgenet i fremstillingen av råmaterialet DPC, og de resulterende Cl-holdige urenhetene kan deaktivere den alkaliske katalysatoren gjennom nøytraliseringsreaksjoner, noe som reduserer PC-ens ytelse og samtidig fører til at materialet gulner.

3. Metode med ikke-fosgen smelteesterutvekslingspolykondensasjon
I 1978 offentliggjorde GE Plastics for første gang et patent for oksidativ karbonylering av fenol med CO og O2 ved bruk av Pd som katalysator for å produsere DPC, som deretter ble byttet ut med BPA i smeltet tilstand for å danne PC, som vist i ligning (4).

Prosessen med oksidativ karbonylering av metanol med CO og O2 for å danne dimetylkarbonat (DMC) ble først beskrevet av Romano et al. i 1980. DMC gjennomgikk deretter en esterutvekslingsreaksjon med fenol for å danne toluenkarbonat (MPC), MPC ble disproporsjonert for å danne DPC, og DPC gjennomgikk en esterutvekslingspolykondensasjonsreaksjon med bisfenol A i smeltet tilstand for å produsere PC-produkter, som vist i formel (5).

I 1993 tok GE Plastics ledelsen innen industriell produksjon av PC ved en ikke-fosgenprosess ved bruk av en biaxial reaktor med en kapasitet på 25 000 tonn/år med CO2 som råmateriale.

CO2 er et giftfritt, ikke-brennbart, biofornybart råmateriale, og aktiviteten er lavere sammenlignet med CO, men det kan også brukes som en kopolymermonomer for å produsere PC. ningbo zhejiang iron dafeng chemical co., ltd. i Kina har uavhengig utviklet en PC-produksjonsprosess uten fosgen ved bruk av CO2 og propylenoksid som råvarer, og den nåværende årlige produksjonskapasiteten er 100 000 tonn. Asahi Kasei i Japan har også utviklet en prosess for produksjon av PC ved bruk av CO2 uten fosgen, som vist i figur 2. Dette er vist i figur 2.
Prosessen utføres i et vannfritt miljø (unntatt kjølevann) uten bruk av korrosive råvarer. Biproduktene metanol og fenol kan resirkuleres, og reaksjonsprosessen gir to produkter av høykvalitets PC og høyrens MEG uten avfalls- eller avløpsproduksjon.
Prosessen bruker ikke giftige stoffer, har en høy atomutnyttelsesgrad og er i utgangspunktet forurensningsfri. Overskuddsråvarer og biprodukter kan resirkuleres under produksjonsprosessen, noe som effektivt kontrollerer produksjonskostnadene.

PC-markedet og utviklingsutsikter

I de senere årene, med den raske utviklingen av økonomien og utvidelsen av nye applikasjoner, har PC blitt en av de raskest voksende ingeniørplastene, med hovedprodusentene konsentrert i USA, Vest-Europa og Japan, hvor Bayer, GE Plastics, Dow Chemical og Teijin kontrollerer verdens PC-produksjon og -marked.

I 2020 vil Asia-Stillehavsregionen stå for rundt 72.6 % av den globale PC-etterspørselen, og Kina har blitt verdens største PC-produsent og -forbruker. Med sterk støtte fra nasjonal politikk, introduksjonen av PC-teknologi i form av joint ventures og kontinuerlig modning av innenlandsk egenutviklet produksjonsteknologi, er det investert i store PC-produksjonsprosjekter, noe som har økt den innenlandske PC-produksjonskapasiteten betraktelig, slik at denne industrien har innledet nye utviklingsmuligheter.

De tekniske barrierene for PC-produksjonsprosessen er relativt høye, og Kina startet sent. Før 2015 ble alle innenlandske PC-produksjonsanlegg bygget gjennom joint ventures eller teknologiinnføring, og produksjonskapasiteten var svært konsentrert. Siden den gang har bedrifter som Wanhua Chemical og Sichuan Zhonglan Guohua New Material utviklet ulike PC-synteseteknologier med uavhengige immaterielle rettigheter, noe som har gjort det mulig for Kinas PC-industri å utvikle seg og vokse.

For tiden er verdens nye produksjonskapasitet hovedsakelig konsentrert i Kina. Kinas PC-produksjonskapasitet i 2019 er 1.66 millioner tonn, en økning på 31.74 % fra år til år, med en kapasitetsutnyttelsesgrad på 58 %. I 2020 øker Kinas PC-produksjonskapasitet til 2.44 millioner tonn/år, og produksjonen øker til 1.185 millioner tonn.

PC har blitt inkludert i den nasjonale høyteknologiske industrien, viktige strategiske fremvoksende industrier og de ti nøkkelområdene beskrevet i «Made in China 2025». Oppmuntret av nasjonal politikk og den massive investeringen i innenlandsk produksjonskapasitet, vil det fremtidige innenlandske PC-markedet uunngåelig vise en situasjon der tilbudet overstiger etterspørselen, med et konservativt estimat på 2.41 millioner tonn/år PC-produksjonskapasitet som skal frigjøres i Kina innen 2023, og da vil Kinas totale PC-produksjonskapasitet være nær 3.6 millioner tonn/år.

Sammenlignet med den raskt voksende PC-produksjonskapasiteten har ikke nedstrømsetterspørselen blitt frigjort samtidig. Totalt sett er veksten i PC-forbruket treg, og industrien har gått inn i en periode med lav utvikling. Vanlig PC har dårlig slagfasthet og kjemisk motstand og kan ikke brukes på mange felt, men de tekniske barrierene for produksjon av high-end-produkter er høye. Mens de utvider produksjonen i høy hastighet, bør innenlandske bedrifter styrke kvaliteten på produktene sine og endre dilemmaet med overskudd av lavprisprodukter og mangel på high-end-produkter for å vokse og utvikle seg i den harde markedskonkurransen.

Blant de tre viktigste produksjonsprosessene for PC er den fosgenfrie metoden miljøvennlig, uten biprodukter, lave investeringer, god effektivitet og høy kvalitet på de resulterende produktene, noe som definitivt vil være den fremtidige utviklingsretningen for PC. For tiden kan produksjonskostnadene for høyrens DPC reduseres ved å utvikle effektive katalysatorer, og i tillegg kan høyeffektive reaktorer utformes for å gjøre dem egnet for produksjon av PC-prepolymerer med høy smelteviskositet.

Selv om produksjonskapasiteten og forbruket av PC i Kina øker, er produktene generelt basismaterialer, hovedsakelig brukt i emballasje, filmer og ark, etc., med smale bruksområder og lav fortjeneste. High-end-produkter som brukes i bilindustrien, husholdningsapparater, elektroniske produkter og andre felt er fortsatt avhengige av joint ventures eller utenlandske foretak. Med ytterligere frigjøring av produksjonskapasitet nærmer tilbud og etterspørsel seg gradvis likevekt, konkurransen i PC-industrien intensiveres, og selskaper står overfor store utfordringer. Eliminer miljøfiendtlige teknologier, reduser produksjonskostnadene for PC-råvarer, reguler og forbedrer produktytelsen, utvikle høytytende produkter, reduser energiforbruket til enheter, forbedrer konkurranseevnen til enheter og øker den uavhengige forsknings- og utviklingsstyrken til innenlandsk teknologi er den fremtidige retningen for utvikling av PC-industrien.