上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

第三章聚碳酸酯（PC）

第一节主要品种的性能

一、简介

（一）结构特征

聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）是在分子主链中含有碳酸酯的高分子化合物的总称，对于二羟基化合物的线型结构的聚碳酸酯一般用如下通式表示：

式中，R代表二羟基化合物HO—R—OH的母核，随着R基团的不同，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，当R为（CH2）m时，结构式为，为脂肪族聚碳酸酯；当R为时，结构式为，为芳香族聚碳酸酯；当脂肪族聚碳酸酯的主链中含有芳香环，为脂肪-芳香族聚碳酸酯。

脂肪族聚碳酸酯熔点低，溶解度高，亲水以及热稳定性差，机械强度低，不能作为工程塑料使用。脂肪-芳香族聚碳酸酯熔融温度虽然比脂肪族聚碳酸酯高，但由于其结晶趋势大、性脆、机械强度差，实用价值不大。真正有实用价值的是芳香族聚碳酸酯。从原料价格的低廉性、制品性能以及加工性能来考虑，能工业化生产的只有双酚A型芳香族聚碳酸酯。双酚A型聚碳酸酯是由双酚A和碳酰氯（光气）反应，或和碳酸二苯酯进行酯交换而得的。由于分子中含有强极性羰基及二氧基键（—O—R—O—），因而分子间作用力强，是力学性能和耐热性皆优的无定形热塑性工程塑料。

（二）主要性能

聚碳酸酯具有突出的冲击韧性、透明性和尺寸稳定性，优良的力学性能、电绝缘性，使用温度范围宽，还有良好的耐蠕变性、耐候性，低吸水性，无毒性，自熄性，是一种综合性能优良的工程塑料。

（1）物化性能纯聚碳酸酯树脂是一种无定形、无味、无臭、无毒、透明的热塑性聚合物，相对分子质量一般在2000～7000范围内，相对密度为1.18～1.20，玻璃化转变温度为140～150℃，熔程为220～230℃。

聚碳酸酯具有一定的耐化学腐蚀性。在常温下，它受下列化学试剂长期作用而不会溶解和引起性能变化：20%盐酸、20%硫酸、20%硝酸、40%氢氟酸、10%～100%甲酸、20%～100%乙酸、10%碳酸钠水溶液、食盐水溶液、10%重铬酸钾+10%硫酸复合溶液、饱和溴化钾水溶液、30%双氧水、脂肪烃、动植物油、乳酸、油酸、皂液及大多数醇类。但是，甲酸和乙酸对其有轻微侵蚀作用。

聚碳酸酯的耐油性优良，在天然汽油中浸泡3个月或在润滑油中125℃下浸泡3个月，制品尺寸和质量基本无变化。当然，在常温高挥发性汽油中浸泡1个月后，其表面会受到轻微侵蚀。

由于聚碳酸酯的非结晶性，分子间堆砌不够致密，芳香烃、氯代烃类有机溶剂能使其溶胀或溶解，容易引起溶剂开裂现象。能使聚碳酸酯溶胀而不溶解的溶剂有四氯化碳、丙酮、苯、乙酸乙酯等。乙醚能使聚碳酸酯轻微溶胀。

虽不会引起明显降解但较易使聚碳酸酯溶解的溶剂有四氯乙烷、二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、三氯乙烯、吡啶、四氢呋喃、三甲酚、噻吩、磷酸三甲酯等。温热的氯苯、苯酚、环己酮、N，N-二甲基甲酰胺和磷酸三甲苯酯等也有类似作用。

聚碳酸酯长期浸泡在甲醇中会引起结晶、降解并发脆，对乙醇、丁醛、樟脑油的耐蚀性也有限。聚碳酸酯制品浸泡在甲苯中可提高表面硬度，浸泡在二甲苯中则会发脆。

聚碳酸酯的耐碱性较差。稀的氢氧化钠水溶液便可使它缓慢破坏，氨、胺或其10%水溶液即可使它迅速皂化降解。此外，溴水、浓硫酸、浓硝酸、王水及糠醛等也可使它遭到破坏。

聚碳酸酯的吸水性小，不会影响制品的稳定性。但是，由于其分子链中有大量酯键的存在，不用说长期泡在沸水或饱和水蒸气中，就是长期处于高温高湿情况下也会引起水解、分子链断裂，最终出现制品开裂现象。

聚碳酸酯分子刚性较大，熔体黏度比普通热塑性树脂高得多，这使得其成型加工具有一定的特殊性，要按特定条件进行。

聚碳酸酯本身无自润滑性，与其他树脂相容性较差，也不适合于制造带金属嵌件的制品。

（2）结晶性双酚A型聚碳酸酯大分子链较僵硬，结晶比较困难，一般多为无定形聚合物。但是，当相对分子质量较低时，还是有结晶的趋势。将无定形聚碳酸酯升温到160℃以上，在没有空气的条件下长时间加热，便会逐步形成结晶。在190℃下加热，结晶速度最快，其大分子链段在松弛状态下自由取向。若在其玻璃化转变温度以上进行拉伸，链段取向更快，结晶能力增大。当聚碳酸酯结晶时，其熔点升高，强度增加，伸长率下降，同时，其电绝缘性提高，溶解性和吸湿性减小。

（3）力学性能聚碳酸酯的力学性能优良，尤为突出的是它的冲击强度和尺寸稳定性，在宽的温度范围内仍能保持较高的力学强度；其缺点是耐疲劳强度和耐磨性较差，较易产生应力开裂现象。

1）冲击强度。聚碳酸酯的冲击强度在通用工程塑料乃至所有热塑性塑料中都是很突出的，其数值与45%玻璃纤维增强聚酯（PET）相似。

2）耐蠕变性。聚碳酸酯的耐蠕变性在热塑性工程塑料中是相当好的，甚至优于尼龙和聚甲醛。因吸水而引起的尺寸变化和冷流变形均很小。这是其尺寸稳定性优良的重要标志。

在30MPa以内应力下对聚碳酸酯做蠕变试验表明，在最初300h内蠕变速度较快；随着时间继续延长，蠕变速度显著减缓；在室温下逐渐趋于恒定，而升温则会使蠕变加快和允许负荷减少。

3）疲劳强度。聚碳酸酯抵抗周期性应力循环往复作用的能力较差。

由于耐疲劳强度低，因此聚碳酸酯在长期负荷情况下所能允许的应力就比较小。

4）应力开裂性。聚碳酸酯制品的残留应力和应力开裂现象是个较为突出的问题。塑料的内应力主要是由于被强迫取向的大分子链间相互作用所造成的。

将聚碳酸酯的弯曲强度试样挠曲并放置一定时间，当挠曲应力超过其极限值时，便会发生微观撕裂现象。但是，如果聚碳酸酯制品在成型加工过程中因温度过高等原因而发生了分解老化，或者制品本身存在缺口或熔接焊缝等脆弱部分以及制品在化学气体中长期使用，那么发生微观撕裂的时间将会大大缩短，所能承受的极限应力值也将大幅度下降。

5）摩擦磨损性能。与其他大多数工程塑料相比，聚碳酸酯的摩擦因数较大，耐磨性较差。

聚碳酸酯的耐磨性比尼龙、聚甲醛、氯化聚醚及聚四氟乙烯等差，属于一种中等耐磨性材料。在耐摩擦热熔化时，极限pv（压力和速度的乘积）值约为50MPa·cm/s。

尽管聚碳酸酯的耐磨性较差，但比金属的耐磨性还是要好得多。例如，用聚碳酸酯做轴，分别用锌合金和黄铜做轴套，两者配合后分别以6000r/min和3500r/min转速运转30h后，磨损量比值分别为1∶5和1∶3。

在聚碳酸酯树脂中加入某些填料（或纤维）可以改善其耐磨性。若加入微粉状聚四氟乙烯，便可降低其摩擦因数和磨损量，提高其pv值；加入玻璃纤维也可提高pv值，降低其磨损量。

（4）热性能在通用工程塑料中，聚碳酸酯的耐热性还算是较好的，其热分解温度（Td）在300℃以上，长期工作温度可高达120℃。同时，它又具有良好的耐寒性，脆化温度（Tc）低达-100℃；其长期使用温度范围为-60～120℃。

（5）电性能聚碳酸酯的分子极性小、玻璃化转变温度高、吸水性低，因此具有优良的电绝缘性能。

聚碳酸酯的体积电阻率受温度的影响较大。当温度＜-40℃时，其体积电阻率比常温时的稍小；当温度在-40～0℃范围，体积电阻率达到最大值（约1017Ω·cm）；当温度由常温逐渐上升到其玻璃化转变温度Tg（150℃）时，体积电阻率逐渐下降但较缓慢；当温度＞Tg时，随温度的升高，其体积电阻率显著下降。

聚碳酸酯的相对介电常数随电场频率的增大而缓慢降低，而介电损耗角正切值则逐渐升高；但电场频率升到107Hz时，介电损耗角正切值似乎达到最大值，其后又开始缓慢下降。

（6）吸水性聚碳酸酯大分子链上堆砌了大量的苯环，且极性低，其吸水性在通用工程塑料甚至所有热塑性塑料中都是较小的。

聚碳酸酯的吸湿（水）性较小，一般都不会影响其制品的尺寸和形状稳定性。即使在较苛刻的条件下（如RH100%、60℃），聚碳酸酯制品的长度变化为0.035%，质量增加只有0.36%～0.40%。聚碳酸酯模塑收缩率一般仅为0.5%～0.8%。因此，它适合于用来制造精密制品。

（7）耐老化性和耐燃性

1）耐老化性。聚合物及其制品在其所处的热、光、风、雨、雪、氧、臭氧等环境条件下性能随着时间的推移会逐渐变坏。不同聚合物抵抗环境因素使其变坏的能力是不同的。

聚碳酸酯抵抗气候因素使其性能下降的能力极强。将厚1.3mm的薄板置于耐候试验机中，在相当于户外恶劣环境条件下历时1年，经测试发现其力学性能基本不变。即使把聚碳酸酯试片放于日光、雨水、气温等都激烈变化的户外环境中曝露3年，其颜色虽稍变黄，但屈服强度却没有明显下降。

聚碳酸酯的耐热老化性能也相当好，若将聚碳酸酯薄膜放置在空气中长时间加热，其性能变化很小。如在140℃空气中长时间加热，聚碳酸酯的拉伸强度不但未降低，反而还略有提高，仅伸长率有所下降。即使在160℃空气中加热48天，其拉伸强度也只降低了18%左右。

2）耐燃性。聚碳酸酯是可燃的，在火中燃烧时，火焰呈淡黄色，冒黑烟；但其极限氧指数仅25%，离开火源后立即自动熄灭。若在基体树脂中加入某些阻燃性物质如卤化物、三氧化二锑、氢氧化镁、磷酸酯和红磷等，便可提高其阻燃性。若用四溴双酚A代替普通双酚A制成含卤素的聚碳酸酯，那么其耐燃性就会被大大提高，即使在火源中也不会燃烧。

（8）光学性能聚碳酸酯是非结晶性物质，纯净聚碳酸酯无色、透明，具有良好的透过可见光的能力。其透光率与光线的波长、制件厚度有关。2mm厚的薄板可见光透过率可达90%；但不能透过290×10-3nm以下的短波光线。

与其他透明高聚物一样，聚碳酸酯在单向拉伸时，由于分子被强迫取向而产生各向异性，同时贮积了内应力，这时便会出现光线的双折射现象。基于这种光学性质，可用偏振光检查出制品中内应力的大小。

聚碳酸酯对红外光、可见光和紫外光等低能长波光线的作用一般都有良好的稳定性。但是，当受波长290nm附近的紫外光作用时，会发生光氧化反应而逐渐老化。老化先从表面变黄开始，由于分子主链的断裂，相对分子质量降低，力学性能下降，最终发生龟裂现象。因此，通常需要加入紫外线吸收剂以提高其防老化性能。

总之，聚碳酸酯的主要原料是双酚A。树脂的特性：透明度高（透光率为85%～90%），冲击强度高，拉伸强度、弯曲强度与尼龙、聚甲醛接近，马丁耐热温度高达116～125℃。聚碳酸酯使用温度范围广（从-60～130℃），吸水性低，成型收缩率小，因而尺寸稳定，还有良好的耐化学性、耐候性和易染色。但聚碳酸酯的耐疲劳强度低，耐应力开裂差，对缺口敏感，若用共混、增强及退火等方法处理，则可改善。

聚碳酸酯可用于制备要求冲击强度高的机械零件，如防护罩、齿轮、螺杆等。玻璃纤维增强的聚碳酸酯有似金属特性，可代替铜、锌、铝等压铸件，又可制电子电器的绝缘件、电动工具外壳、精密仪表零件、高频头，与聚烯烃共混，可制安全帽、纬纱管、餐具，与ABS共混适合制高刚度、高冲击韧性的制件，如泵叶轮、汽车部件等。也有含有发泡剂的树脂，这种用低发泡注射成型所得的制品可代替木材。

聚碳酸酯（PC）的合成方法有光气法和酯交换法，其性能见表3-1。

表3-1 PC的性能