Mühendislik Plastikleri: Polikarbonat (PC) – Özellikler, Uygulamalar ve Geliştirme(1)

Polikarbonatın Tanımı ve Yapısı

Polikarbonat, moleküler zincirlerinde karbonat grupları içeren yüksek moleküler ağırlıklı bir polimer sınıfı için genel bir terimdir. Ester gruplarının yapısındaki farklılıklara göre alifatik PC, alisiklik PC ve aromatik PC gibi çeşitli tiplere ayrılabilirler. Bunlar arasında alifatik ve alifatik-aromatik polikarbonatlar, zayıf mekanik özellikleri nedeniyle mühendislik plastikleri alanında sınırlı uygulamalara sahiptir.

Günümüzde endüstriyel olarak üretilen başlıca tür, özellikle bisfenol A tipi aromatik polikarbonat olmak üzere aromatik polikarbonattır. Kimyasal formülü, bisfenol A'nın fosgen veya difenil karbonat ile polikondenzasyon ürünüdür. Bu benzersiz moleküler yapı, polikarbonata bir dizi mükemmel özellik kazandırarak onu birçok malzeme arasında öne çıkarır.

Polikarbonatın Özellikleri

(I) Optik Özellikler

Polikarbonat, inorganik cama yakın %90'ın üzerinde ışık geçirgenliğiyle olağanüstü şeffaflığa sahiptir ve bu da optik alanda parlamasını sağlar. İster optik diskler, lensler ve optik mercekler gibi hassas optik bileşenlerin üretiminde, ister büyük abajurlar, koruyucu camlar ve pencere camları gibi günlük optik ürünlerin üretiminde kullanılsın, polikarbonat yüksek şeffaflığı sayesinde kullanıcılara net bir görsel deneyim sunabilir. Aynı zamanda, iyi boyama uyumluluğu, ürünlerin zengin bir renk yelpazesi sunmasını sağlayarak farklı senaryoların estetik ihtiyaçlarını karşılar.

(II) Mekanik Özellikler

Polikarbonat, 600-900 J/m'ye varan çentikli Izod darbe dayanımıyla mükemmel darbe direncine sahiptir ve mühendislik plastikleri arasında en üst sıralarda yer alır. Sağlam ve aynı zamanda sert özellikleri, kolayca kırılmadan önemli dış darbelere dayanmasını sağlar ve bu üstün mekanik performans, mukavemet ve darbe direnci açısından sıkı gerekliliklerin olduğu birçok alanda uygulanması için sağlam bir temel oluşturur.

Ayrıca, polikarbonatın çekme ve eğilme mukavemeti, termoplastik plastikler arasında öne çıkan ve cam elyaf takviyeli fenolik reçineler veya doymamış polyesterler seviyesine yaklaşan naylon ve polioksimetilen ile karşılaştırılabilir düzeydedir. Ayrıca, kalıplanmış parçalar yüksek hassasiyet tolerans gereksinimlerini karşılayabilir ve %0,5-0,7 sabit kalıplama büzülme oranıyla çok çeşitli çevresel değişikliklerde boyut kararlılığını koruyabilir. Ayrıca, olağanüstü sürünme direncine sahiptir.

(III) Termal Özellikler

Polikarbonat, yaklaşık 147°C cam geçiş sıcaklığına ve 135°C ısıl bozulma sıcaklığına sahip olduğundan, -45°C ile 120°C arasındaki sıcaklık aralığında uzun süreler boyunca stabil bir şekilde kullanılabilir. Bu mükemmel termal kararlılık, çeşitli karmaşık çalışma ortamlarına uyum sağlamasını mümkün kılar; ister soğuk kutup bölgelerinde ister sıcak tropikal iklimlerde olsun, polikarbonattan üretilen ürünler normal şekilde çalışabilir.

Ayrıca polikarbonat 220-230°C'de erir ve 310°C'nin üzerinde bir termal ayrışma sıcaklığına sahiptir. Kendiliğinden sönen bir reçinedir ve bu da yüksek sıcaklık ortamlarında kullanıldığında güvenliğini bir ölçüde artırır.

(IV) Kimyasal Kararlılık

Polikarbonat, zayıf asitlere, zayıf alkalilere ve nötr yağlara karşı iyi bir dirence sahiptir ve bu kimyasal maddelerin bulunduğu ortamlarda istikrarlı bir performans sergileyebilir. Ancak, güçlü alkalilere karşı nispeten hassastır ve korozyona eğilimlidir; UV direnci ise nispeten zayıftır.

Bu nedenle pratik uygulamalarda polikarbonatın kullanım ömrünü uzatmak için, kullanılacağı ortama göre uygun koruma veya modifikasyon işlemleri uygulanmalıdır.

Polikarbonat Üretim Süreçleri

(I) Fosgen Yöntemi (Arayüzey Polikondensasyonu)

Fosgen yöntemi, günümüzde polikarbonat üretiminde yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir. Bu işlemde, bisfenol A, alkali bir çözeltide fosgen ile reaksiyona girerek yüksek molekül ağırlıklı polikarbonat (PC) oluşturur. Bu yöntemin avantajı, yüksek saflıkta ve mükemmel kalitede polikarbonat ürünleri üretebilmesidir.

Ancak fosgen, operatörlerin ve çevrenin güvenliğini sağlamak için üretim sırasında sıkı güvenlik koruma önlemleri gerektiren oldukça zehirli bir gazdır. Ayrıca, üretim ekipmanlarının sızdırmazlık ve korozyon direnci konusunda son derece yüksek gereksinimler getirir ve bu da üretim maliyetlerini ve teknik zorlukları artırır.

(II) Transesterifikasyon Yöntemi (Eriyik Polikondenzasyon)

Transesterifikasyon yöntemi, polikarbonat için bir diğer önemli üretim sürecidir. Bu yöntemde, hammadde olarak difenil karbonat ve bisfenol A kullanılır ve yüksek sıcaklık ve vakum koşullarında polikondenzasyon reaksiyonları gerçekleştirilir.

Bu yöntem nispeten basit bir proses akışına sahiptir ve yüksek oranda toksik fosgen kullanımını gerektirmez, bu da üretim sürecindeki güvenlik risklerini bir dereceye kadar azaltır. Ancak, transesterifikasyon yönteminin bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, üretilen polikarbonatın molekül ağırlığı nispeten düşüktür ve ürün performansı bazı açılardan fosgen yöntemiyle üretilen polikarbonattan daha düşük olabilir. Bu nedenle, bu yöntem molekül ağırlığı için yüksek gereksinimler olmayan düşük viskoziteli ürünler üretmek için daha uygundur.

Polikarbonat Endüstrisinin Mevcut Durumu

(I) Küresel Üretim Kapasitesi ve Çıktısı

Küresel polikarbonat (PC) üretim kapasitesi artmaya devam etse de, büyüme hızı giderek yavaşlıyor. 2024 yılında, küresel PC üretim kapasitesi yıllık bazda %4,7 artarken, üretim yıllık bazda %4,0 oranında büyüdü ve üretim tesislerinin ortalama işletme oranı %63,5 olarak gerçekleşti.

Küresel PC üretiminin bölgesel yoğunluğu Kuzeydoğu Asya'ya doğru kaymakta olup, üretim ağırlıklı olarak Kuzeydoğu Asya, Batı Avrupa ve Kuzey Amerika gibi bölgelerde yoğunlaşmaktadır. 2024 yılında, Kuzeydoğu Asya küresel PC üretim kapasitesinin %66,3'ünü oluşturarak ilk sırada yer alırken, Batı Avrupa %12,9'unu ve Kuzey Amerika %10,3'ünü oluşturmuştur.

Sektördeki rekabet oldukça yoğunlaşmıştır. 2024 yılında 30'dan fazla büyük küresel PC üreticisi vardı ve ilk 10 üreticinin üretim kapasitesi, dünya toplam üretim kapasitesinin %71,8'ini oluşturuyordu. Bunlar arasında Covestro, dünyanın en büyük PC üreticisidir.

(II) Uluslararası Ticaret Durumu

2023 yılında, uluslararası polikarbonat (PC) ticaretinin toplam değeri, bir önceki yıla göre %23,5 azalarak 8,93 milyar ABD doları, toplam ticaret hacmi ise bir önceki yıla göre %15,6 azalarak 3,232 milyon ton olarak gerçekleşti. Fiyatlar açısından, PC'nin küresel ortalama ihracat fiyatı, bir önceki yıla göre %9,4 azalarak ton başına 2.761,6 ABD doları oldu.

Çin, Hindistan ve Meksika, toplam ithalatlarının küresel toplam ithalatın yaklaşık %43,9'unu oluşturduğu dünyanın başlıca PC ithalatçı ülkeleridir. Güney Kore, Tayland ve Çin ise toplam ihracatlarının küresel toplam ihracatın yaklaşık %44,4'ünü oluşturduğu başlıca ihracatçı ülkelerdir.

(III) Çin Pazarının Durumu

Çin'in bilgisayar üretim kapasitesinin büyüme hızı yavaşladı. Son birkaç yılda Çin'in bilgisayar üretim kapasitesi hızla arttı ve sektördeki arz sıkıntısı önemli ölçüde iyileşti. Son iki yılda sektör, kapasite artış hızının önemli ölçüde yavaşlamasıyla rasyonelliğe geri dönmeye başladı ve önceki yüksek hızlı büyümeden kademeli olarak mevcut stokların optimize edilmesine ve verimliliğin artırılmasına geçildi.

2024 yılında Çin'in bilgisayar üretim kapasitesi bir önceki yıla göre %13,1, üretimi ise bir önceki yıla göre %22,6 arttı. Çin'in bilgisayar ithalatı azalmaya devam ederken, ihracatı artmaya devam etti. 2024 yılında Çin'in bilgisayar ithalatı bir önceki yıla göre %14,8 düşerken, ihracatı bir önceki yıla göre %34,6 arttı.

Çin'in PC ithalatı, ağırlıklı olarak genel ticaret ve ithal malzemelerle işleme yoluyla gerçekleşmekte olup, toplam ithalatın sırasıyla %69,6'sını ve %18,9'unu oluşturmaktadır. Çin'in PC ithalatı ağırlıklı olarak Güney Kore, Tayland ve Çin'in Tayvan Eyaleti gibi ülke ve bölgelerden gelmekte olup, toplam ithalatın yaklaşık %60,3'ünü oluşturmaktadır.

Çin'in görünür bilgisayar tüketimi yıllık bazda %8,9 artarken, kendi kendine yeterlilik oranı yıllık bazda %9,9 puan yükseldi. Birkaç yeni ve genişletilmiş tesisin tamamlanıp hizmete girmesiyle Çin'in bilgisayar üretim kapasitesi daha da artacak ve arz hacmi de hızla büyüyecek. Yeni tesislerden elde edilen ürünler, ithal edilen malzemelerin yerini hızlı ve etkili bir şekilde almaya henüz yeterli olmasa da, kendi kendine yeterlilik oranı önemli ölçüde artmış ve yabancı hammaddelere olan bağımlılık gözle görülür şekilde azalmıştır.