聚碳酸酯的需求与市场分析

李博文

(中石化北京燕山分公司高科技术有限责任公司,北京102500

摘要:聚碳酸酯是当前世界五大通用的工程塑料之一,其各项性能优良,被应用于建材、汽车和机械零部件、包装、计算机以及日用品等多个领域。文章主要分析聚碳酸酯当前的生产现状及工艺,具体阐述了其广泛应用的各个领域,以及针对其市场前景进行分析并提出一些发展建议。

关键词:聚碳酸酯;生产技术;新型工艺;应用领域;市场前景;发展建议

Development and Market Demand of Polycarbonate 

                             LI Bo-wen

(Sinopec Beijing Yanshan Branch High-tech Technology Co., Ltd., Beijing 102500)

Abstract: Several types of new polycarbonate are introduced, including the aliphatic polycarbonate (PC), branched PC, high-molecular-weight PC, ultra high-molecular-weight PC, liquid crystalline PC, flame-retardant PC, heat-and solvent-resistant PC and some other PCs having special functions, and their synthesis methods and related application are also discussed. These new polycarbonates make up for some flaws of common PC and enlarge the application field of PC.

Key words:polycarbonates; production technology; new industrial art; application field; market prospect; advice on development

0   引言

聚碳酸酯是热塑性材料高分子量的化合物,广泛应用于发展经济建设的各个领域。根据分子组成结构的不同,聚碳酸酯类化合物可以分成脂肪族、脂环族、芳香族几类。不过目前聚碳酸酯化合物的应用受到了加工性能以及生产成本等方面因素的制约,因此目前进行工业化生产以及应用的聚碳酸酯化合物的种类只有双酚A型芳香族聚碳酸酯。该类聚碳酸酯化合物也是目前产量最大、应用范围最广的一种化合物。在本篇文章中所提到的聚碳酸酯都是指的双酚A型聚碳酸酯化合物。

聚碳酸酯是一种强韧的热塑性树脂,其名称来源于其内部的CO3基团。可由双酚A和氧氯化碳(COCl2)合成。现较多使用的方法为熔融酯交换法,即双酚A和碳酸二苯酯通过酯交换和缩聚反应合成。聚碳酸酯无色透明,耐热,抗冲击,阻燃BI级,在普通使用温度内都有良好的机械性能。同性能接近的聚甲基丙烯酸甲酯相比,聚碳酸酯的耐冲击性能好,折射率高,加工性能好,不需要添加剂就具有UL94 V-0级阻燃性能。但是聚甲基丙烯酸甲酯相对聚碳酸酯价格较低,并可通过本体聚合的方法生产大型的器件。随着聚碳酸酯生产规模的日益扩大,聚碳酸酯同聚甲基丙烯酸甲酯之间的价格差异在日益缩小。

1目前聚碳酸酯的生产现状、生产技术以及新型工艺的研发

聚碳酸酯最早是由德国拜耳公司于1953年研制成功的,并且经过五年的深入研究,1958年由德国投入工业化生产,在世界范围内率先实现了规模化生产,迄今已走过了六十多年的发展历程。在聚碳酸酯生产工艺的发展过程中,先后经历了低温溶液缩聚法、高温溶液缩聚法、吡啶法、部分吡啶法、界面缩聚光气法、熔融酯交换缩聚法、固相缩聚法等。当前在世界范围被广泛应用的大致有三种生产工艺,主要是界面缩聚法(又名光气法)、熔融酯交换缩聚法和非光气熔融酯交换缩聚法。国内聚碳酸酯产能及工艺路线见表1

1.1界面缩聚法

界面缩聚亦称非均相缩聚。两种单体分别溶解在水及与水不相混溶的有机溶剂中,在常温常压下,在水和有机溶剂的界面进行缩聚反应。当两相接触时,在界面处立即生成聚酰胺的薄膜,或连续将膜拉出而生成长丝。它可使许多在高温下不稳定因而不能采用熔融缩聚方法的单体顺利地进行缩聚反应,由此扩大了缩聚单体的范围。界面缩聚的设备比较简单,反应进行迅速,又比较容易得到高分子量的聚合物。常用以制备聚酰胺(如聚癸二酰己二胺,即尼龙6、尼龙10)、聚酯等高分子化合物。

界面缩聚法生产聚碳酸酯主要是双酚A首先与氢氧化钠溶液反应生成双酚A钠盐:后加人二氯甲烷,通入光气,使物料在界面上聚合,生成低相对分子质量PC,然后经缩聚分离得到高相对分子质量PC产品。此工艺路线技术成熟,产品质量高,不用脱除溶剂,成本较低,适合大规模和连续生产,而且产品纯净、易加工、相对分子质量高、能满足各种性能要求的用途,在聚碳酸酯生产工艺中占绝对优势。目前世界上约有90%PC生产采用该工艺。由于界面缩聚法生产的产品纯度高,容易加工,分子量相对高,所以界面缩聚工艺是目前世界上聚碳酸酯的主要生产工艺,迄今90%左右的聚碳酸酯生产采用界面缩聚法。但由于生产中使用剧毒光气,且要用到二氯甲烷溶液和副产品氯化钠,对环境有影响,目前也处于限制发展状态,因此,这种生产工艺未来必然是要被淘汰的,生产工艺未来必然是要向绿色生产的方向发展。

1.2熔融酯交换缩聚法

熔融酯交换缩聚法合成聚碳酸酯,实际上是采用熔融缩聚,在有催化剂存在,高温高真空条件下产生酯交换的缩聚反应,即利用双酚A与碳酸二苯酯为原料,经酯交换生成高聚物,其生产过程包括酯交换、缩聚和酸浸中和部分。具体操作时要在高温减压条件下不断排除苯酚,提高反应程度和分子量。熔融酯交换缩聚法需用催化剂,分两个阶段进行:第一阶段,温度180200℃,反应13小时,转化率为80%90%;第二阶段,加深反应程度。起始碳酸二苯酯应过量,经酯交换反应,排出苯酚,由苯酚排出量来调节两基团数比,控制分子量。热变形温度126135℃,连续使用温度-60120℃;拉伸强度≥60MPa,压缩强度7080MPa,冲击强度≥45kJ/m2。由双酚A与碳酸二苯酯在催化剂和氮气存在下,于160250℃减压(余压<133Pa)下酯交换后,再于250300℃缩聚即可制成聚碳酸酯。

聚碳酸酯的需求与市场分析熔融酯交换缩聚法对原料纯度要求较高,且反应速度较慢,反应器构造较复

杂,反应环境要求具有很高的密闭性。与光气化法聚碳酸酯相比,一般分子量较低,机械性能和光学性能略差。

1.3非光气熔融酯交换缩聚法

非光气熔融酯交换缩聚法中的两个单体反应与熔融酯交换缩聚法一样,也是双酚A和碳酸二苯酯,但是利用此法的生产工程中碳酸二苯酯的合成与熔融酯交换缩聚法所不同的是,不需要光气等有毒物质,而是以甲醇、一氧化碳、氧气作为代替。在催化剂的催化作用下,经氧化、羰基化等反应合成碳酸二甲酯( DMC);或由二氧化碳、环氧乙烷合成碳酸亚乙酯,碳酸亚乙酯再与甲醇反应生成碳酸二甲酯。碳酸二甲酯再与双酚A发生酯交换反应生产低聚物,然后再进行缩聚反应生成聚碳酸酯。

1国内聚碳酸酯产能及工艺路线

厂家

产能(kt/a)

工艺路线

浙江帝人

150

界面缩聚光气法

上海科思

400

光气熔融脂交换法

中石化三菱

60

非光气熔融脂交换法

宁波浙铁大风

100

非光气法

鲁西化工

65

界面缩聚光气法

菱优上海

80

光气法

四川绵阳晨光

10

光气熔融脂交换法

合计

865

 

这种方法生产过程中的碳酸二苯酯产品纯度较高、光学性能好、透明度高,比较适合高附加值的产品,如光盘等的应用。且这种方法生产成本较低,相对于前两种方法来说,非光气熔融酯交换缩聚法是一种比较理想的环保型生产方法,目前世界各国已开发了以DPC和双酚A进行反应来合成聚碳酸酯工艺方法。这符合当前绿色生产的理念,一定程度上可代表未来聚碳酸酯生产工艺的发展方向。

2聚碳酸酯应用的领域

聚碳酸酯具有突出的冲击强度和耐蠕变性,较高的耐热性和耐寒性,可在-100~140℃范围内使用,可见光的透过率可达90%以上,拉伸、弯曲强度较高,并有较高的伸长率和刚性,在较宽的温度范围内具有良好的电性能,吸水性低。基于聚碳酸酯各项优良的性能,其被广泛应用于诸多领域生产当中,下面进行详细介绍。

2.1聚碳酸酯在汽车制造业的应用

汽车制造业对材料的要求是在保证材料安全性的前提下,更加轻型化。聚碳酸酯在抗冲击和抗畸变方面性能良好,且耐候性较好,材料硬度高,比较适合生产轿车和轻卡的各种零部件,通常主要是应用在汽车照明系统、仪表盘、加热板、除霜器以及保险杠等部分。由于聚碳酸酯在加工过程中易于塑造成型,因此在汽车照明系统中应用最为广泛,这一特性可以大大加强汽车照明系统设计的灵活性,可以突破传统玻璃制品工艺的限制,可以使照明系统的设计更具个性化,而不必考虑生产工艺的问题。

2.2聚碳酸酯在航空航天领域的应用

近年来,人类探索宇宙的脚步进一步加快,各类航天器进入宇宙进行探索,而航天器对于材料的要求更为严格,对材料的耐热性、强度、质量等都有极高的要求,聚碳酸酯以其优良的性能被应用于航天器零部件的生产。飞机也有诸多零部件为聚碳酸酯材料制造而成的,根据数据统计,仅一架波音系列的飞机就会使用高达2500个聚碳酸酯材料的部件,整机大致要消耗2吨左右的聚碳酸酯。

2.3聚碳酸酯在建材领域的应用

目前,聚碳酸酯在各个领域的应用以建材行业为最,建材行业消耗的聚碳酸酯也是最多的。聚碳酸酯以期良好的透光性、抗冲击性以及稳定性等诸多优点,被应用于板材、玻璃等建材制造。以聚碳酸酯为原料生产的板材,其重量仅为无机玻璃的二分之一,但是隔热性能却超出无机玻璃四分之一,抗冲击性更是无机玻璃的250倍,这在建材领域是一项巨大的突破。根据数据统计,我国目前每年大致要消耗百万吨聚碳酸酯用于生产各类建材。

2.4聚碳酸酯在电子电器领域的应用

聚碳酸酯在大范围的温度和湿度内其绝缘性相对较为恒定,是当前优良的绝缘材料,同时聚碳酸酯也具备较好的耐热性,因此在电子电器行业应用广泛。聚碳酸酯在电子电器行业主要用于生产加工各种食品加工机械、电动工具外壳、机体、支架、冰箱冷冻室的抽屉以及真空吸尘器部件等。此外对于零件精度要求较高的电脑、视频录像机、电视机以及手机的重要零部件方面,聚碳酸酯材料也有极高的使用价值。

3国内聚碳酸酯的发展前景

3.1我国目前聚碳酸酯生产现状

根据目前的现状来看,世界范围聚碳酸酯的生产主要集中在德国拜耳、美国陶氏、日本帝人和三菱以及沙特沙伯基础创新塑料公司。这几家公司垄断了聚碳酸酯行业,占据了极大的市场,仅德国拜耳一家公司就占据了世界总产能的30%左右,其年产量高达137t。而我国作为发展中国家,需要进行各项建设,因此对于聚碳酸酯的需求量极大,但是我国长久以来自身产出严重不足,需要大量进口。近年来,随着德国拜耳、日本帝人以及三菱化学等企业开始在我国兴建聚碳酸酯生产项目,极大的提高了国内聚碳酸酯的产能,但是,这都是外资企业,我国缺乏在这方面的投入。因此,近几年我国中石油化工集团联合沙特基础工业公司在天津合资建厂,进行聚碳酸酯的生产,这将会进一步提升国内聚碳酸酯的产能,极大地满足我国发展过程中各项建设的需求。近几年我国聚碳酸酯详细供需数据见表2

2 2013-2017年国内聚碳酸酯产销平衡状况

年份

产量t/年)

进口量t/年)

消耗量t/年)

自给率(%

2013

27.7

117

144.7

19.1

2014

31.5

125.7

157.2

20.0

2015

44.0

121.7

165.7

26.6

2016

59.5

109.7

169.2

35.2

2017

63.0

 138.49

201.49

31.3

据统计,2017年我国聚碳酸酯的进口量138.49t,同比增长5.0%。其中,来自韩国的进口量31.98t,占总进口量的23.1%,同比减少6.8%;来自泰国的进口量17.38t,占总进口量的12.5%,同比减少7.9%。广东省的进口量67.86t,占总进口量的49.0%,同比增长8.7%;上海市的进口量26.38t,占总进口量的19.0%,同比增长0.9%;浙江省的进口量18.39t,占总进口量的13.3%,同比减少4.8%

2017年我国聚碳酸酯进口量同比增长5.0%,根据表2可以看出,目前我国聚碳酸酯的消耗量极大,高达百万吨,主要来源还是依赖于进口,自给率不高。此外,明显可以看出近几年我国聚碳酸酯的产能和自给率在不断上涨,但是供需之间还存在巨大的缺口,要实现自给自足还有漫长的路要走。                                                            

3.2聚碳酸酯发展前景分析

近年来,我国经济飞速发展,诸多领域都呈现出直线上升趋势,因此对于聚碳酸酯的需求量在持续上升。从2013年消耗144.7万吨开始,每年以十数万吨的数字在高速增长,至2017年我国聚碳酸酯的年消耗量已经高达201.49万吨。基于我国当前供需之间百万吨的缺口,且我国当前仍在高速发展,可以预见未来几年这个数字还会持续不断上涨,因此,聚碳酸酯的市场前景是极其广阔的。

我国目前聚碳酸酯的主要应用于四大领域,分别是电子电器领域、光学媒介领域、交通运输领域以及建材领域,其他领域虽然也有应用,但就目前来说,占比较小,主要是这四大领域占据85%以上的聚碳酸酯消耗。其中光学媒介占比最高,该领域消耗的聚碳酸酯占总消耗量的31.0%;电子电器领域消耗的聚碳酸酯占总消耗量的26.0%;建材领域所消耗的聚碳酸酯占国内总消耗量的22.0%;交通运输领域占总消耗量的8.5%;而其他领域仅占聚碳酸酯消耗总量的12.5%

在交通运输行业,未来几年我国必然会加大公路、高铁、航空三维立体交通网络的建设,对于聚碳酸酯的需求将会进一步增长。首先,在公路隔音墙方面的建设,需要应用大量的聚碳酸酯板材,但是对于技术的要求必然会进一步上升。高铁和航空方面的建设也将消耗大量的聚碳酸酯,尤其是我国目前已具备生产大飞机的技术,可以预见,未来我国必然会进行量产,所以聚碳酸酯的需求量会进一步激增。在汽车制造行业方面,为了达到节能减排、绿色环保的目标,汽车制造必然要朝着轻型化发展,因此聚碳酸酯材料在汽车零部件生产行业的应用将会进一步加大。而我国又是汽车消费大国,这必然会使得聚碳酸酯的需求量进一步加大。在电子电器行业,聚碳酸酯的需求也在逐年上升,以平均每年6%~8%的速度在持续上涨。

但是由于互联网的普及,以及手机电脑等电子产品的更新换代,可以预见,光学媒体必然是要衰落的,因此这方面对于聚碳酸酯的需求也会产生大幅度的下降。此外,在包装领域,由于人们对聚碳酸酯的安全性存有疑问,因此在这方面需求也会有所下滑。可以预见的是,未来对于聚碳酸酯需求量最大的是电子电器领域,汽车制造领域、建材领域以及交通运输领域,其中以电子电器行业为最,聚碳酸酯的前景还是极其广阔的。

 

4聚碳酸酯发展的前景

当前,在世界范围内,绿色环保已是大势所趋,各个国家都开始注重环境保护,我国也出台了各项政策法规保护环境,同时政府也在倡导绿色可持续发展。因此,聚碳酸酯生产工艺的发展方向必然是要向绿色无污染的方向发展,在现有的非光气熔融酯交换缩聚法基础上进一步改良生产加工工艺,达到绿色生产的目标。此外,要建设自己的工厂,不能一直依靠进口和外资企业,必须要自主研发生产技术,自主建厂,拥有我国自己的生产工艺,做到自给自足。同时,针对聚碳酸酯的应用要进一步拓展,大力研发聚碳酸酯在更多领域的应用,并向着高功能化以及专用化的方向发展。

5结语

综上所述,聚碳酸酯是目前世界范围内使用价值较高的一种材料,同时也是应用范围最广的材料之一。其发展前景广阔,市场需求潜力巨大,仅就我国目前而言,这方面就存在巨大的需求,因此,未来聚碳酸酯的发展前景不可估量。

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