Plastik Kejuruteraan: Polikarbonat (PC) – Sifat, Aplikasi dan Pembangunan(1)

Definisi dan Struktur Polikarbonat

Polikarbonat ialah istilah umum untuk kelas polimer molekul tinggi yang mengandungi kumpulan karbonat dalam rantai molekulnya. Mengikut perbezaan dalam struktur kumpulan ester, mereka boleh dikelaskan kepada pelbagai jenis seperti PC alifatik, PC alisiklik, dan PC aromatik. Antaranya, polikarbonat alifatik dan alifatik-aromatik mempunyai aplikasi terhad dalam bidang plastik kejuruteraan kerana sifat mekanikalnya yang lemah.

Pada masa ini, jenis utama yang dihasilkan secara industri ialah polikarbonat aromatik, terutamanya polikarbonat aromatik jenis bisphenol A. Formula kimianya ialah produk polikondensasi bisphenol A dengan fosgen atau difenil karbonat. Struktur molekul unik ini memberikan polikarbonat dengan satu siri sifat yang sangat baik, menjadikannya menonjol di antara pelbagai bahan.

Sifat Polikarbonat

(I) Sifat Optik

Polikarbonat mempunyai ketelusan yang luar biasa, dengan penghantaran cahaya melebihi 90%, hampir dengan kaca bukan organik, yang membolehkan ia bersinar dalam medan optik. Sama ada digunakan dalam pembuatan komponen optik ketepatan seperti cakera optik, kanta dan kanta optik, atau produk optik harian seperti tudung lampu besar, kaca pelindung dan kaca tingkap, polikarbonat boleh memberikan pengalaman visual yang jelas kepada pengguna berdasarkan ketelusannya yang tinggi. Sementara itu, kebolehsuaian pencelupan yang baik membolehkan produk mempamerkan pelbagai warna yang kaya, memenuhi keperluan estetik senario yang berbeza.

(II) Sifat Mekanikal

Polikarbonat mempamerkan rintangan hentaman yang sangat baik, dengan kekuatan hentaman Izod berlekuk setinggi 600-900 J/m, berada di antara yang teratas dalam plastik kejuruteraan. Ciri-cirinya yang sukar lagi tegar membolehkannya menahan kesan luaran yang ketara tanpa mudah pecah, dan prestasi mekanikal yang unggul ini meletakkan asas yang kukuh untuk aplikasinya dalam pelbagai bidang dengan keperluan yang ketat untuk kekuatan dan rintangan hentaman.

Selain itu, kekuatan tegangan dan lentur polikarbonat adalah setanding dengan nilon dan polioksimetilena, menonjol di kalangan plastik termoplastik dan menghampiri tahap resin fenolik bertetulang gentian kaca atau poliester tak tepu. Selain itu, bahagian acuan boleh memenuhi keperluan toleransi ketepatan tinggi dan mengekalkan kestabilan dimensi ke atas pelbagai perubahan persekitaran, dengan kadar pengecutan acuan tetap 0.5-0.7%. Ia juga mempunyai rintangan rayapan yang luar biasa.

(III) Sifat Terma

Polikarbonat mempunyai suhu peralihan kaca kira-kira 147°C dan suhu herotan haba 135°C, membolehkan ia digunakan secara stabil untuk tempoh yang lama dalam julat suhu -45°C hingga 120°C. Kestabilan haba yang sangat baik ini membolehkannya menyesuaikan diri dengan pelbagai persekitaran kerja yang kompleks; sama ada di kawasan kutub sejuk atau iklim tropika yang panas, produk yang diperbuat daripada polikarbonat boleh berfungsi dengan normal.

Selain itu, polikarbonat cair pada 220-230°C dan mempunyai suhu penguraian terma melebihi 310°C. Ia adalah resin pemadam sendiri, yang pada tahap tertentu meningkatkan keselamatannya apabila digunakan dalam persekitaran suhu tinggi.

(IV) Kestabilan Kimia

Polikarbonat mempunyai ketahanan yang baik terhadap asid lemah, alkali lemah, dan minyak neutral, dan boleh mengekalkan prestasi yang stabil dalam persekitaran yang mengandungi bahan kimia ini. Walau bagaimanapun, ia agak sensitif kepada alkali kuat dan terdedah kepada kakisan olehnya, dan rintangan UVnya agak lemah.

Oleh itu, dalam aplikasi praktikal, perlindungan atau rawatan pengubahsuaian yang sesuai hendaklah digunakan pada polikarbonat mengikut persekitaran perkhidmatan khusus untuk memanjangkan hayat perkhidmatannya.

Proses Pengeluaran Polikarbonat

(I) Kaedah Fosgen (Polikondensasi Antara Muka)

Kaedah phosgene kini merupakan salah satu proses arus perdana untuk menghasilkan polikarbonat. Dalam proses ini, bisphenol A bertindak balas dengan fosgen dalam larutan alkali untuk membentuk PC berat molekul tinggi. Kelebihan kaedah ini ialah ia boleh menghasilkan produk polikarbonat dengan ketulenan yang tinggi dan kualiti yang sangat baik.

Walau bagaimanapun, fosgene ialah gas yang sangat toksik, memerlukan langkah perlindungan keselamatan yang ketat semasa pengeluaran untuk memastikan keselamatan pengendali dan alam sekitar. Selain itu, ia meletakkan keperluan yang sangat tinggi pada kedap dan rintangan kakisan peralatan pengeluaran, yang meningkatkan kos pengeluaran dan cabaran teknikal.

(II) Kaedah Transesterifikasi (Polikondensasi Meleleh)

Kaedah transesterifikasi adalah satu lagi proses pengeluaran penting untuk polikarbonat. Ia menggunakan difenil karbonat dan bisfenol A sebagai bahan mentah untuk menjalankan tindak balas polikondensasi di bawah keadaan suhu tinggi dan vakum.

Kaedah ini mempunyai aliran proses yang agak mudah dan tidak memerlukan penggunaan fosgen yang sangat toksik, yang mengurangkan risiko keselamatan dalam proses pengeluaran ke tahap tertentu. Walau bagaimanapun, kaedah transesterifikasi juga mempunyai beberapa kelemahan. Sebagai contoh, berat molekul polikarbonat yang dihasilkan adalah agak rendah, dan prestasi produk mungkin lebih rendah daripada polikarbonat yang dihasilkan oleh kaedah fosgen dalam beberapa aspek. Oleh itu, kaedah ini lebih sesuai untuk menghasilkan produk kelikatan rendah yang tidak mempunyai keperluan tinggi untuk berat molekul.

Status Semasa Industri Polikarbonat

(I) Kapasiti Pengeluaran dan Output Global

Kapasiti pengeluaran global polikarbonat (PC) terus berkembang, walaupun kadar pertumbuhan semakin perlahan. Pada tahun 2024, kapasiti pengeluaran PC global meningkat sebanyak 4.7% tahun ke tahun, dengan pengeluaran meningkat sebanyak 4.0% tahun ke tahun, dan kadar operasi purata kemudahan pengeluaran berjumlah 63.5%.

Kepekatan serantau pengeluaran PC global sedang beralih ke Asia Timur Laut, dengan pengeluaran tertumpu terutamanya di kawasan seperti Asia Timur Laut, Eropah Barat dan Amerika Utara. Pada tahun 2024, Asia Timur Laut menyumbang 66.3% daripada kapasiti pengeluaran PC global, menduduki tempat pertama; Eropah Barat menyumbang 12.9%; dan Amerika Utara menyumbang 10.3%.

Corak persaingan industri sangat tertumpu. Pada tahun 2024, terdapat lebih 30 pengeluar PC global utama, dan kapasiti pengeluaran 10 pengeluar teratas menyumbang 71.8% daripada jumlah kapasiti pengeluaran dunia. Antaranya, Covestro ialah pengeluar PC terbesar di dunia.

(II) Situasi Perdagangan Antarabangsa

Pada 2023, jumlah nilai perdagangan antarabangsa dalam polikarbonat (PC) ialah USD 8.93 bilion, penurunan tahun ke tahun sebanyak 23.5%, dengan jumlah dagangan sebanyak 3.232 juta tan, turun 15.6% daripada tahun sebelumnya. Dari segi harga, harga eksport purata global PC ialah USD 2,761.6 setiap tan, penurunan tahun ke tahun sebanyak 9.4%.

China, India dan Mexico ialah negara pengimport PC utama dunia, dengan jumlah import mereka menyumbang kira-kira 43.9% daripada jumlah import global. Korea Selatan, Thailand dan China ialah negara pengeksport utama, yang jumlah eksportnya merangkumi kira-kira 44.4% daripada jumlah eksport global.

(III) Keadaan Pasaran China

Kadar pertumbuhan kapasiti pengeluaran PC China telah menjadi perlahan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kapasiti pengeluaran PC China berkembang dengan pesat, dan fenomena kekurangan bekalan yang jelas dalam industri telah bertambah baik dengan ketara. Dalam dua tahun yang lalu, industri telah mula kembali kepada rasional, dengan kadar pengembangan kapasiti semakin perlahan, secara beransur-ansur beralih daripada pengembangan berkelajuan tinggi sebelumnya kepada mengoptimumkan stok sedia ada dan meningkatkan kecekapan.

Pada tahun 2024, kapasiti pengeluaran PC China meningkat sebanyak 13.1% tahun ke tahun, dan pengeluarannya meningkat sebanyak 22.6% tahun ke tahun. Import PC China terus menurun manakala eksport terus meningkat. Pada tahun 2024, import PC China menurun sebanyak 14.8% tahun ke tahun, dan eksport meningkat sebanyak 34.6% tahun ke tahun.

Import PC China terutamanya melalui perdagangan am dan pemprosesan dengan bahan import, masing-masing menyumbang 69.6% dan 18.9% daripada jumlah import. PC yang diimport China kebanyakannya datang dari negara dan wilayah seperti Korea Selatan, Thailand dan Wilayah Taiwan China, menyumbang kira-kira 60.3% daripada jumlah import.

Penggunaan PC yang ketara di China meningkat sebanyak 8.9% tahun ke tahun, dan kadar sara diri meningkat sebanyak 9.9 mata peratusan tahun ke tahun. Dengan penyiapan dan pentauliahan beberapa kemudahan baharu dan diperluaskan, kapasiti pengeluaran PC China akan terus meningkat, dan volum bekalan juga akan berkembang pesat. Walaupun produk daripada kemudahan baharu itu masih tidak mencukupi untuk menggantikan bahan import dengan cepat dan berkesan, kadar sara diri telah meningkat dengan ketara, dan pergantungan kepada bahan mentah asing telah menurun dengan ketara.