Nhựa kỹ thuật: Polycarbonate (PC) – Tính chất, ứng dụng và phát triển(1)
Định nghĩa và cấu trúc của Polycarbonate
Polycarbonate là thuật ngữ chung để chỉ một nhóm polyme cao phân tử chứa nhóm cacbonat trong chuỗi phân tử. Tùy thuộc vào sự khác biệt về cấu trúc nhóm este, chúng có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như PC mạch thẳng, PC mạch vòng và PC mạch vòng thơm. Trong số đó, polycarbonate mạch thẳng và polycarbonate mạch thẳng-thơm có ứng dụng hạn chế trong lĩnh vực nhựa kỹ thuật do tính chất cơ học kém.
Hiện nay, loại polycarbonate thơm được sản xuất công nghiệp chủ yếu, đặc biệt là polycarbonate thơm loại bisphenol A. Công thức hóa học của nó là sản phẩm trùng ngưng của bisphenol A với phosgene hoặc diphenyl carbonate. Cấu trúc phân tử độc đáo này mang lại cho polycarbonate một loạt các đặc tính tuyệt vời, giúp nó nổi bật giữa vô số vật liệu khác.
Tính chất của Polycarbonate
(I) Tính chất quang học
Polycarbonate sở hữu độ trong suốt vượt trội, với độ truyền sáng lên đến hơn 90%, gần bằng thủy tinh vô cơ, cho phép nó tỏa sáng trong trường quang học. Dù được sử dụng trong sản xuất các linh kiện quang học chính xác như đĩa quang, thấu kính và thấu kính quang học, hay các sản phẩm quang học hàng ngày như chụp đèn lớn, kính bảo vệ và kính cửa sổ, polycarbonate đều có thể mang lại trải nghiệm hình ảnh rõ nét cho người dùng nhờ độ trong suốt cao. Đồng thời, khả năng thích ứng màu sắc tốt cho phép sản phẩm thể hiện đa dạng màu sắc, đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ trong nhiều bối cảnh khác nhau.
(II) Tính chất cơ học
Polycarbonate có khả năng chống va đập tuyệt vời, với độ bền va đập Izod lên đến 600-900 J/m, thuộc hàng đầu trong các loại nhựa kỹ thuật. Đặc tính bền chắc và cứng cáp cho phép vật liệu chịu được các tác động bên ngoài đáng kể mà không dễ bị vỡ, và hiệu suất cơ học vượt trội này đặt nền tảng vững chắc cho ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi khắt khe về độ bền và khả năng chống va đập.
Ngoài ra, độ bền kéo và uốn của polycarbonate tương đương với nylon và polyoxymethylene, nổi bật so với các loại nhựa nhiệt dẻo và gần bằng nhựa phenolic gia cường sợi thủy tinh hoặc polyester không bão hòa. Hơn nữa, các chi tiết đúc có thể đáp ứng các yêu cầu về dung sai chính xác cao và duy trì độ ổn định kích thước trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, với tỷ lệ co ngót đúc ổn định từ 0,5-0,7%. Nó cũng sở hữu khả năng chống rão vượt trội.
(III) Tính chất nhiệt
Polycarbonate có nhiệt độ chuyển thủy tinh khoảng 147°C và nhiệt độ biến dạng nhiệt là 135°C, cho phép sử dụng ổn định trong thời gian dài ở dải nhiệt độ từ -45°C đến 120°C. Độ ổn định nhiệt tuyệt vời này cho phép nó thích ứng với nhiều môi trường làm việc phức tạp; dù ở vùng cực lạnh giá hay khí hậu nhiệt đới nóng bức, các sản phẩm làm từ polycarbonate đều có thể hoạt động bình thường.
Ngoài ra, polycarbonate nóng chảy ở nhiệt độ 220-230°C và có nhiệt độ phân hủy nhiệt vượt quá 310°C. Đây là loại nhựa tự dập tắt, giúp tăng cường độ an toàn ở một mức độ nhất định khi sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao.
(IV) Độ ổn định hóa học
Polycarbonate có khả năng chống axit yếu, kiềm yếu và dầu trung tính tốt, và có thể duy trì hiệu suất ổn định trong môi trường chứa các chất hóa học này. Tuy nhiên, vật liệu này tương đối nhạy cảm với kiềm mạnh và dễ bị ăn mòn bởi chúng, và khả năng chống tia UV tương đối kém.
Do đó, trong các ứng dụng thực tế, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ hoặc sửa đổi thích hợp cho polycarbonate theo môi trường sử dụng cụ thể để kéo dài tuổi thọ của nó.
Quy trình sản xuất Polycarbonate
(I) Phương pháp Phosgene (Đông tụ giao diện)
Phương pháp phosgene hiện là một trong những quy trình chính để sản xuất polycarbonate. Trong quy trình này, bisphenol A phản ứng với phosgene trong dung dịch kiềm để tạo thành PC có trọng lượng phân tử cao. Ưu điểm của phương pháp này là có thể sản xuất ra các sản phẩm polycarbonate có độ tinh khiết cao và chất lượng tuyệt hảo.
Tuy nhiên, phosgene là một loại khí cực độc, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ an toàn nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất để đảm bảo an toàn cho người vận hành và môi trường. Ngoài ra, nó còn đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về khả năng bịt kín và chống ăn mòn của thiết bị sản xuất, làm tăng chi phí sản xuất và các thách thức kỹ thuật.
(II) Phương pháp chuyển este hóa (Đông tụ nóng chảy)
Phương pháp chuyển este hóa là một quy trình sản xuất polycarbonate quan trọng khác. Phương pháp này sử dụng diphenyl carbonate và bisphenol A làm nguyên liệu thô để thực hiện phản ứng trùng ngưng trong điều kiện nhiệt độ cao và chân không.
Phương pháp này có quy trình tương đối đơn giản và không yêu cầu sử dụng phosgene độc hại, giúp giảm thiểu rủi ro an toàn trong quá trình sản xuất ở một mức độ nhất định. Tuy nhiên, phương pháp transeste hóa cũng có một số nhược điểm. Ví dụ, trọng lượng phân tử của polycarbonate sản xuất ra tương đối thấp, và hiệu suất sản phẩm có thể kém hơn so với polycarbonate sản xuất bằng phương pháp phosgene ở một số khía cạnh. Do đó, phương pháp này phù hợp hơn để sản xuất các sản phẩm có độ nhớt thấp, không yêu cầu cao về trọng lượng phân tử.
Tình hình hiện tại của ngành công nghiệp Polycarbonate
(I) Năng lực sản xuất và sản lượng toàn cầu
Năng lực sản xuất polycarbonate (PC) toàn cầu tiếp tục mở rộng, mặc dù tốc độ tăng trưởng đang dần chậm lại. Năm 2024, năng lực sản xuất PC toàn cầu tăng 4,7% so với cùng kỳ năm trước, với sản lượng tăng 4,0% so với cùng kỳ năm trước, và công suất vận hành trung bình của các cơ sở sản xuất đạt 63,5%.
Sự tập trung sản xuất PC toàn cầu đang chuyển dịch về phía Đông Bắc Á, với sản lượng chủ yếu tập trung ở các khu vực như Đông Bắc Á, Tây Âu và Bắc Mỹ. Năm 2024, Đông Bắc Á chiếm 66,3% công suất sản xuất PC toàn cầu, đứng đầu; Tây Âu chiếm 12,9%; và Bắc Mỹ chiếm 10,3%.
Mô hình cạnh tranh trong ngành rất tập trung. Năm 2024, có hơn 30 nhà sản xuất PC lớn trên toàn cầu, và năng lực sản xuất của 10 nhà sản xuất hàng đầu chiếm 71,8% tổng năng lực sản xuất toàn cầu. Trong số đó, Covestro là nhà sản xuất PC lớn nhất thế giới.
(II) Tình hình thương mại quốc tế
Năm 2023, tổng giá trị thương mại quốc tế về polycarbonate (PC) là 8,93 tỷ USD, giảm 23,5% so với cùng kỳ năm trước, với tổng khối lượng giao dịch là 3,232 triệu tấn, giảm 15,6% so với năm trước. Về giá cả, giá xuất khẩu PC trung bình toàn cầu là 2.761,6 USD/tấn, giảm 9,4% so với cùng kỳ năm trước.
Trung Quốc, Ấn Độ và Mexico là những quốc gia nhập khẩu máy tính cá nhân lớn nhất thế giới, với tổng kim ngạch nhập khẩu chiếm khoảng 43,9% tổng kim ngạch nhập khẩu toàn cầu. Hàn Quốc, Thái Lan và Trung Quốc là những quốc gia xuất khẩu chính, với tổng kim ngạch chiếm khoảng 44,4% tổng kim ngạch xuất khẩu toàn cầu.
(III) Tình hình thị trường Trung Quốc
Tốc độ tăng trưởng năng lực sản xuất máy tính cá nhân của Trung Quốc đã chậm lại. Trong vài năm qua, năng lực sản xuất máy tính cá nhân của Trung Quốc đã tăng trưởng nhanh chóng, và hiện tượng thiếu hụt nguồn cung rõ rệt trong ngành đã được cải thiện đáng kể. Trong hai năm qua, ngành công nghiệp đã bắt đầu trở lại trạng thái hợp lý, với tốc độ mở rộng năng lực chậm lại đáng kể, dần chuyển từ việc mở rộng nhanh chóng trước đây sang tối ưu hóa lượng hàng tồn kho hiện có và nâng cao hiệu quả.
Năm 2024, năng lực sản xuất máy tính cá nhân của Trung Quốc tăng 13,1% so với cùng kỳ năm trước, sản lượng tăng 22,6% so với cùng kỳ năm trước. Nhập khẩu máy tính cá nhân của Trung Quốc tiếp tục giảm, trong khi xuất khẩu vẫn tiếp tục tăng. Năm 2024, nhập khẩu máy tính cá nhân của Trung Quốc giảm 14,8% so với cùng kỳ năm trước, xuất khẩu tăng 34,6% so với cùng kỳ năm trước.
Nhập khẩu PC của Trung Quốc chủ yếu thông qua thương mại tổng hợp và gia công với nguyên liệu nhập khẩu, chiếm lần lượt 69,6% và 18,9% tổng kim ngạch nhập khẩu. PC nhập khẩu của Trung Quốc chủ yếu đến từ các quốc gia và khu vực như Hàn Quốc, Thái Lan và Đài Loan, chiếm khoảng 60,3% tổng kim ngạch nhập khẩu.
Tiêu thụ PC biểu kiến của Trung Quốc tăng 8,9% so với cùng kỳ năm trước, tỷ lệ tự cung tự cấp tăng 9,9 điểm phần trăm so với cùng kỳ năm trước. Với việc hoàn thành và đưa vào vận hành một số cơ sở mới và mở rộng, năng lực sản xuất PC của Trung Quốc sẽ tiếp tục tăng, và khối lượng cung ứng cũng sẽ tăng nhanh chóng. Mặc dù sản phẩm từ các cơ sở mới vẫn chưa đủ để thay thế nhanh chóng và hiệu quả nguyên liệu nhập khẩu, nhưng tỷ lệ tự cung tự cấp đã tăng đáng kể, và sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô nước ngoài đã giảm đáng kể.
