البولييشمل عائلة من بوليمرات اللدائن الحرارية التي تتميز بمجموعات وظيفية كربونية (−O−(C=O)−O−) ضمن العمود الفقري الكيميائي لها-، وهو ترتيب هيكلي يضفي التركيبة المميزة للمادة من الوضوح البصري، واستقرار الأبعاد، والمتانة الميكانيكية. ينشأ تصنيف أنواع البولي كربونات في المقام الأول من ثلاثة متغيرات: توزيع الوزن الجزيئي، ودمج المونومرات المشتركة - أو بوليمرات المزج، والحزم المضافة المستخدمة أثناء التركيب. وينتج كل شكل مختلف خصائص معالجة مميزة وخصائص استخدام نهائي-، مع وجود درجات متاحة تجاريًا يصل عددها الآن إلى الآلاف عبر قواعد بيانات الراتنج العالمية مثل MatWeb، التي تصنف ما يزيد عن 6100 تركيبة مختلفة من البولي كربونات وحدها.
الأشياء الواضحة التي يعرفها الجميع
يمثل-البولي كربونات للأغراض العامة-النسخة غير المملوءة والشفافة بصريًا-الجزء الأكبر مما يواجهه الأشخاص يوميًا. حافظات الهاتف، نظارات السلامة، أباريق الماء. تتراوح نسبة نقل الضوء بين 88-90%، مقارنة بالزجاج البصري. معامل الانكسار حوالي 1.58-1.59.
لكن "الغرض العام" يخفي تباينًا كبيرًا. الوزن الجزيئي مهم للغاية هنا. تتدفق درجات الوزن الجزيئي المنخفض مثل الماء أثناء قولبة الحقن، وهو ما يبدو رائعًا حتى تدرك أن قوة التأثير تنخفض من الهاوية. إصدارات الوزن الجزيئي العالي؟ قاسية مثل المسامير ولكنها تمثل كابوسًا في المعالجة-لزوجة الذوبان العالية، وأوقات الدورات الطويلة، وتآكل المعدات. يحدد المصنعون عدد-متوسط الأوزان الجزيئية في أي مكان من 20000 إلى أكثر من 70000 اعتمادًا على ما إذا كان المنتج النهائي يحتاج إلى البقاء على قيد الحياة عند سقوطه بشكل متكرر أو يحتاج فقط إلى أن يبدو جميلًا خلف الزجاج.
تتطلب الدرجات البصرية لأشياء مثل عدسات المصابيح الأمامية للسيارات وأدلة الضوء تشوهًا بصريًا متحكمًا فيه -إجهادًا- مما يجعل كل شيء يبدو غريبًا عند مشاهدته من خلال النظارات الشمسية المستقطبة. ليس لدى مصنعي المعدات الأصلية للسيارات أي صبر تجاه هذا العيب المحدد.
الزجاج-الإصدارات المعبأة
أضف 10-40% من الألياف الزجاجية إلى البولي كربونات وستتغير الشخصية تمامًا.
الجيد: زيادة الصلابة بشكل كبير، وانخفاض التمدد الحراري، وتحسن مقاومة الزحف بحوالي 28 ميجا باسكال عند درجات حرارة مرتفعة. يصبح استقرار الأبعاد شيئًا يمكنك الاعتماد عليه فعليًا للحصول على مكونات دقيقة. يقترب معامل التمدد الحراري من معامل التمدد الحراري للمعادن، وهو أمر مهم عند تثبيت الأجزاء البلاستيكية بإطارات الألومنيوم.
السيئة: قبلة الشفافية وداعا. قوة التأثير-السبب الرئيسي وراء اختيار معظم الأشخاص للبولي كربونات في المقام الأول-يحقق نجاحًا كبيرًا. الألياف تخلق تركيزات الإجهاد. أنت تقوم بتداول مجموعة من العقارات مقابل أخرى.
تتنافس هذه الدرجات بشكل مباشر مع-الألومنيوم المصبوب في بعض التطبيقات الصناعية. أدوات أخف وزنًا ومقاومة للتآكل وأرخص ثمنًا. تصبح نسبة تحميل الزجاج بمثابة عملية توازن: 20% تمنحك صلابة متواضعة مع الحفاظ على صلابة لائقة، 40% تحول المادة إلى شيء معدني تقريبًا في سلوكها ولكنه هش بشكل متزايد.
الكمبيوتر المملوء بالزجاج-يدمر الأدوات. تمضغ الألياف الكاشطة من خلال البراغي والبراميل وأسطح القالب. من الأفضل لأي شخص يقتبس من مهمة مليئة بالزجاج- أن يأخذ في الاعتبار وقت توقف الصيانة ودورات استبدال المعدات وإلا فإنه سيخسر المال. تعلمت ذلك بالطريقة الصعبة.
يمزج PC/ABS
إن مشتق البولي كربونات الأكثر نجاحًا تجاريًا ليس البولي كربونات النقي على الإطلاق.
يمزج PC/ABS-عادةً 60-90% من البولي كربونات المخلوط مع أكريلونتريل بوتادين ستايرين-يجمع بين مقاومة الحرارة وقوة الكمبيوتر مع قابلية المعالجة والليونة في درجات الحرارة المنخفضة لـ ABS. تتدفق المواد الناتجة بشكل أفضل من مادة البولي كربونات المستقيمة، وتتم معالجتها في درجات حرارة أقل، وتكلفة أقل. تجاوز الطلب العالمي 4.5 مليون طن متري بحلول عام 2022.
انظر حولك في مكتبك. السكن الكمبيوتر المحمول؟ يكاد يكون من المؤكد PC/ABS. حواف الشاشة، وأجسام الطابعة، وأغطية لوحة المفاتيح. التصميمات الداخلية للسيارات-لوحات العدادات، والوحدات المركزية، وقطع الزينة الداخلية. تهيمن المادة على أي مكان تحتاج فيه إلى مقاومة جيدة للحرارة (حوالي 110 درجة)، وأداء جيد للصدمات، وأسطح تبدو جيدة المظهر بعد الطلاء أو التركيب.
نسبة المزج تحدد كل شيء. المزيد من محتوى البولي كربونات يدفع مقاومة الحرارة إلى أعلى ولكنه يزيد من تكلفة المواد وصعوبة المعالجة. يعمل المزيد من نظام ABS على تحسين خصائص التدفق ويبقي الأسعار منخفضة ولكنه يضحي بالأداء الحراري. يقضي المهندسون وقتًا فعليًا في تحسين هذه النسب لتطبيقات محددة، وتعديل الحزم المضافة، وتشغيل DOEs على استقرار اللون ومظهر السطح.
الشيء الوحيد الذي يلفت انتباه الناس هو أن PC/ABS حساس للغاية للتحلل المائي. التجفيف المسبق-بدرجة حرارة 80-110 درجة لمدة 3-4 ساعات ليس أمرًا اختياريًا، بل إنه إلزامي. تخطيها وتتحلل المادة في البرميل، وينخفض الوزن الجزيئي، وتؤدي الخواص الميكانيكية إلى الحفرة. لقد رأيت عمليات إنتاج كاملة مرفوضة لأن شخصًا ما قرر التعجيل بخطوة التجفيف.
درجات مثبطات اللهب
تعتبر تقييمات UL 94 ذات أهمية كبيرة في بعض الأسواق.
ينتقل المعيار من HB (الحرق الأفقي، الحد الأدنى من المقاومة) إلى V-2، V-1، V-0، وحتى 5VA (الأكثر صرامة). عادةً ما يحقق البولي كربونات للأغراض العامة V-2 أو HB دون تعديل. غالبًا ما تتطلب التطبيقات مثل العبوات الكهربائية ومعدات مركز البيانات ومكونات النقل V-0 أو أفضل.
ويتطلب الوصول إلى هناك إضافات-مركبات مهلجنة تاريخيًا مثل رباعي برومو ثنائي الفينول A الذي تمت بلمرته في العمود الفقري، ومؤخرًا الأنظمة المعتمدة على الفوسفور- أو غيرها من الأنظمة الخالية من الهالوجين- مع تزايد الضغط التنظيمي. تؤثر حزمة مثبطات اللهب على كل شيء: الوضوح البصري (عادةً ما يتدهور)، وقوة التأثير (تقل أحيانًا)، وثبات اللون (غالبًا ما يتم اختراقه)، ونافذة المعالجة (أضيق).
الأسماء التجارية مثل Makrolon FR وLEXAN 9604 تهيمن على هذه المساحة. لا تتضمن عملية الاعتماد اجتياز اختبار الحرق فحسب، بل تتضمن أيضًا الحفاظ على هذا التصنيف عبر جميع مجموعات الإنتاج ومتغيرات الألوان ومواصفات السُمك. قد تصل المادة التي يبلغ حجمها V-0 عند 3 مم فقط إلى V-2 عند 1.5 مم - ولا يهتم العميل الذي يحدد الأجزاء ذات الجدران الرقيقة ببيانات التأهيل الأكثر سمكًا.
العلاقة المعقدة بين صناعة النظارات والكمبيوتر
تمثل عدسات البولي كربونات التي يبلغ معامل انكسارها 1.59 دراسة حالة مثيرة للاهتمام.
تعتبر مقاومة الصدمات استثنائية حقًا-10 مرات أفضل من بلاستيك CR-39 القياسي، ومناسبة لنظارات الأطفال، ونظارات الأمان، والتطبيقات الرياضية حيث قد يصطدم شيء ما بوجهك بسرعة. حجب مدمج للأشعة فوق البنفسجية بدون طلاء. أدت هذه المادة بشكل أساسي إلى إزالة الزجاج من أسواق نظارات الأطفال.
لكن.
الوضوح البصري؟ المتوسط. قيمة آبي-مقياس للانحراف اللوني، وهو مقدار تشتيت العدسة للضوء الأبيض إلى أطراف قوس قزح-تقع حول 30. وهذا هو الأسوأ من بين أي مادة عدسة شائعة. يلاحظ الناس تهديب الألوان، خاصة في الرؤية المحيطية. توفر المواد البلاستيكية ذات المؤشر الأعلى - (1.60-1.74) قيم Abbe من 32 إلى 42، مما يعني تشوهًا أقل على الرغم من كونها أرق.
مقاومة الخدش سيئة حقًا. مادة البولي كربونات ناعمة. تتطلب كل عدسة طلاءًا صلبًا، مما يزيد التكلفة ونقاط الفشل المحتملة.
لقد انتقلت الصناعة إلى حد كبير إلى Trivex للتطبيقات المتميزة-التي تتميز بمقاومة الصدمات المشابهة، وقيمة Abbe البالغة 43، ومقاومة أفضل للخدش خارج الصندوق. يظل البولي كربونات هو العمود الفقري لنظارات الميزانية ونظارات الأطفال حيث تتفوق مقاومة الكسر على الكمال البصري.
ورقة متعددة الجدران: حيوان مختلف تمامًا
تستحق ألواح البولي كربونات-المزدوجة والمتعددة الجدران معالجة منفصلة لأنها تحل مشكلات مختلفة تمامًا عن الأجزاء المصبوبة بالحقن-.
قم بتصوير طبقتين (أو ثلاث أو خمس) طبقات رقيقة من البولي كربونات متصلة بواسطة أضلاع متعامدة، مما يؤدي إلى إنشاء قنوات هوائية تمتد على طول الورقة. توفر جيوب الهواء عزلًا حراريًا بقيم -R- تبلغ 1.6 للجدار المزدوج مقاس 6 مم -حتى 2.5+ للتكوينات مقاس 16 مم. قارن ذلك بالزجاج-المفرد عند R-1 تقريبًا.
الدفيئات الزراعية تحب هذه الأشياء. انتقال الضوء بنسبة 74-80% حسب السُمك وعدد الجدران. يحمي حجب الأشعة فوق البنفسجية النباتات من الحروق بينما يسمح للأطوال الموجية المعززة للنمو بالمرور. مقاومة الصدمات تعني أن البرد لا يدمر هيكلك. الوزن لكل قدم مربع هو جزء صغير من الزجاج.
ألواح الأعاصير المصنوعة من مادة البولي كربونات السميكة متعددة الجدران حاصلة على شهادة Miami-Dade County للحماية من العواصف. شفاف، لذا فأنت لا تعيش في قبو. خفيف بدرجة كافية بحيث لا يتطلب التثبيت معدات متخصصة.
الجانب السلبي؟ يمكن أن ينتقل الغبار والحطام إلى القنوات على مر السنين في حالة فشل إغلاق الحافة. نمو الطحالب داخل المزامير يبدو فظيعًا. لا تزال المادة صفراء تحت الأشعة فوق البنفسجية على الرغم من المثبتات، ولكن بشكل أبطأ من الألواح الصلبة.
الطبية والغذائية-اتصل بالدرجات
BPA-ثنائي الفينول A، المونومر المستخدم في تصنيع البولي كربونات القياسي-لا يزال مثيرًا للجدل بالنسبة لتطبيقات ملامسة الأغذية-.
لا تزال إدارة الغذاء والدواء تعتبره آمنًا عند مستويات التعرض الحالية. وتوافق اللجنة العلمية التابعة للمفوضية الأوروبية على ذلك. لكن ضغوط المستهلكين أدت إلى تطوير بدائل خالية من مادة BPA-، وقد قامت الهيئات التنظيمية في العديد من البلدان بتقييد استخدامها في زجاجات الأطفال على وجه التحديد.
تشمل الخيارات البولي كربونات المصنعة من ثنائي الفينول البديل مثل رباعي ميثيل سيكلوبوتانديول، أو عائلات بوليمر مختلفة تمامًا مثل بوليستر تريتان من إيستمان. لا تتطلب مادة البولي كربونات الطبية- اعتبارات BPA فحسب، بل تتطلب أيضًا استقرار إشعاع جاما (للتعقيم)، واختبار التوافق الحيوي، ومسارات التوثيق التي من شأنها أن تجعل متخصص الشؤون التنظيمية يبكي.
والمفارقة هي أنه بالنسبة للتطبيقات الصناعية-واقيات الآلات والحاويات الكهربائية ومكونات السيارات-BPA غير ذات صلة على الإطلاق. لا أحد يأكل درع مكافحة الشغب الخاص بهم.
درجات حرارة عالية-
يحتوي ثنائي الفينول أ القياسي على درجة حرارة تزجج تبلغ حوالي 147 درجة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب أداءً مستدامًا في درجات حرارة مرتفعة-إضاءة السيارات المعرضة لحرارة المحرك، والمكونات الكهربائية القريبة من مصادر الحرارة-قد لا يكون ذلك هامشًا كافيًا.
تعمل البوليمرات المشتركة التي تشتمل على ثلاثي ميثيل سيكلوهكسانون ثنائي الفينول (TMC) على دفع عملية التزجج إلى ما يصل إلى 238 درجة. توفر الدرجات التجارية مثل Apec HT من Covestro نقاط تليين Vicat من 158 درجة إلى 205 درجة اعتمادًا على محتوى TMC. تظل المادة غير متبلورة، وتحتفظ بحوالي 90% من انتقال الضوء بسمك 1 مم، وتظل صلبة-على الرغم من انخفاض قوة التأثير المحززة إلى حد ما عن الدرجات القياسية.
هذه الأوامر بأسعار متميزة. لا تحدد درجات حرارة عالية-ما لم يكن الأداء الحراري مهمًا لتطبيقك، لأنك ستدفع ضعفين إلى ثلاثة أضعاف تكلفة المواد مقارنة بالأغراض العامة.
سؤال الطلاءات
لقد أدت كل قيود البولي كربونات تقريبًا إلى ظهور حل طلاء.
مقاومة للخدش؟ تحقق الطبقات الصلبة المصنوعة من السيليكون- أو-الشبيهة بالكربون (DLC) صلابة قلم الرصاص تبلغ 2H-4H، مما يقترب من الزجاج. تدهور الأشعة فوق البنفسجية؟ تعمل الطبقات المبثوق المشترك أو الطلاءات المطبقة على إطالة عمر الخدمة الخارجي من عامين إلى 10-15 عامًا. المقاومة الكيميائية؟ الطلاءات المتخصصة تقاوم المذيبات التي قد تهاجم أجهزة الكمبيوتر العارية.
المشكلة: كل طلاء يضيف تكلفة، ويضيف خطوات معالجة، ويقدم أوضاع فشل محتملة. فشل الالتصاق. طلاء مجنون. عدم تطابق التمدد الحراري بين الركيزة والطلاء مما يسبب التصفيح. يصبح المنتج المطلي نظامًا يتطلب التأهيل ككل، وليس فقط المادة الأساسية.
بالنسبة للنظارات، يعتبر الطلاء الصلب عالميًا بشكل أساسي. بالنسبة للزجاج الصناعي، فإن المنتجات المطلية وغير المطلية لها أسواق اعتمادًا على ما إذا كان التطبيق يمكنه تحمل علامات السطح.
درجات الفيلم
تستخدم أفلام البولي كربونات الرقيقة- بسماكة تتراوح من 250 ميكرومتر إلى 500 ميكرومتر في تطبيقات تتراوح من العزل الكهربائي إلى التراكبات المطبوعة.
تدخل المتغيرات عالية الوضوح في نوافذ العرض، والمفاتيح الغشائية، والتراكبات الرسومية حيث تكون الجودة البصرية مهمة. الإصدارات غير اللامعة-تعمل على تقليل الوهج للواجهات الإلكترونية. درجات الأفلام المقاومة للهب مثل Makrofol FR تحقق UL94 V-0 بينما تظل قابلة للطباعة وقابلة للتشكيل.
يقدر سوق العزل الكهربائي بشكل خاص قوة العزل الكهربائي لفيلم البولي كربونات، وامتصاص الرطوبة المنخفض، واستقرار الأبعاد في ظل دورة درجة الحرارة. قبل أن توقف شركة Bayer إنتاج أفلام درجة المكثفات- في عام 2000، كانت مكثفات البولي كربونات تتميز-بارتفاع الاستقرار وخصائص التردد الممتازة. ومنذ ذلك الحين انتقل هذا السوق إلى المواد العازلة الأخرى.
حيث يتجه كل هذا
سيتم طرح مركبات بولي كربونات ذات أساس حيوي-تستخدم إيزوسوربيد بدلاً من مادة BPA. وتتجاوز الطاقة الإنتاجية عالمياً 6 ملايين طن متري سنوياً وهي في تزايد. تهيمن آسيا-وخاصة الصين-على الإنتاج والاستهلاك.
يؤدي التحول إلى السيارات الكهربائية إلى خلق طلب جديد كبير: أغلفة البطاريات خفيفة الوزن، وتطبيقات إضاءة LED، والمكونات الشفافة حيث يؤدي تقليل الوزن إلى تحسين المدى. كل كيلوغرام مهم عندما تحاول الضغط على المزيد من الأميال من حزمة البطارية.
تهدف أبحاث المركبات النانوية إلى تحسين مقاومة الخدش دون التضحية بالشفافية-وهو هدف كان "موجودًا تقريبًا" منذ عقد من الزمن. توجد أنظمة طلاء ذاتية الإصلاح في المختبرات ولكنها لم تصل إلى النطاق التجاري.
ولا تزال عملية إعادة التدوير تمثل مشكلة. يعتبر البولي كربونات من الناحية الفنية لدن بالحرارة وقابل لإعادة التدوير من الناحية النظرية، ولكن التدهور الحراري أثناء إعادة المعالجة يؤدي إلى تدهور الوزن الجزيئي والخصائص. إن إعادة التدوير الكيميائي إلى المونومرات تعمل من حيث المبدأ ولكنها لم تحقق الجدوى الاقتصادية. معظم مادة البولي كربونات-المستهلكة تنتهي حاليًا في مدافن النفايات أو المحارق على الرغم من وجود رمز إعادة التدوير في الأسفل.
لم يتغير الواقع الأساسي منذ أن قام هيرمان شنيل ودانييل فوكس بتصنيع هذه المادة بشكل مستقل في الخمسينيات من القرن الماضي: عندما تحتاج إلى مادة واضحة وقوية وقابلة للمعالجة من خلال طرق اللدائن الحرارية التقليدية، تظل البولي كربونات هي الحل الافتراضي. تعتمد الدرجة المحددة-من بين الآلاف المتوفرة-على مجموعة الخصائص الأكثر أهمية لتطبيقك، والقيود التي يمكنك تحملها، والمبلغ الذي ترغب في دفعه مقابل التحسينات الإضافية.