พลาสติกวิศวกรรม: โพลีคาร์บอเนต (พีซี) – คุณสมบัติ การใช้งาน และการพัฒนา(1)

ความหมายและโครงสร้างของโพลีคาร์บอเนต

โพลีคาร์บอเนตเป็นคำทั่วไปที่ใช้เรียกพอลิเมอร์โมเลกุลสูงชนิดหนึ่งที่มีหมู่คาร์บอเนตในสายโซ่โมเลกุล โพลีคาร์บอเนตสามารถจำแนกตามความแตกต่างของโครงสร้างของหมู่เอสเทอร์ได้เป็นหลายประเภท เช่น อะลิฟาติกพีซี อะลิไซคลิกพีซี และอะโรมาติกพีซี โพลีคาร์บอเนตอะลิฟาติกและอะลิฟาติก-อะโรมาติกมีการใช้งานที่จำกัดในด้านพลาสติกวิศวกรรม เนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงกลที่ไม่ดี

ปัจจุบัน โพลีคาร์บอเนตชนิดหลักที่ผลิตในอุตสาหกรรมคือโพลีคาร์บอเนตอะโรมาติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งโพลีคาร์บอเนตอะโรมาติกชนิดบิสฟีนอล เอ มีสูตรเคมีเป็นผลิตภัณฑ์โพลีคอนเดนเซชันของบิสฟีนอล เอ กับฟอสจีนหรือไดฟีนิลคาร์บอเนต โครงสร้างโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์นี้ทำให้โพลีคาร์บอเนตมีคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ จึงโดดเด่นกว่าวัสดุอื่นๆ มากมาย

คุณสมบัติของโพลีคาร์บอเนต

(I) คุณสมบัติทางแสง

โพลีคาร์บอเนตมีความโปร่งใสเป็นพิเศษ ด้วยค่าการส่งผ่านแสงมากกว่า 90% ซึ่งใกล้เคียงกับกระจกอนินทรีย์ ทำให้สามารถส่องสว่างในสนามแสงได้ ไม่ว่าจะนำไปใช้ในการผลิตชิ้นส่วนออปติคัลที่มีความแม่นยำสูง เช่น แผ่นออปติคัล เลนส์ และเลนส์ออปติคัล หรือผลิตภัณฑ์ออปติคัลในชีวิตประจำวัน เช่น โคมไฟขนาดใหญ่ กระจกป้องกัน และกระจกหน้าต่าง โพลีคาร์บอเนตสามารถมอบประสบการณ์การมองเห็นที่ชัดเจนให้กับผู้ใช้ด้วยความโปร่งใสสูง ขณะเดียวกัน ความสามารถในการย้อมสีที่ดียังช่วยให้ผลิตภัณฑ์แสดงสีสันที่หลากหลาย ตอบสนองความต้องการด้านสุนทรียศาสตร์ในสถานการณ์ต่างๆ

(ครั้งที่สอง) คุณสมบัติเชิงกล

โพลีคาร์บอเนตมีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีเยี่ยม ด้วยความแข็งแรงทนทานต่อแรงกระแทกแบบ อิซอด สูงถึง 600-900 จูล/เมตร ซึ่งถือว่าอยู่ในอันดับต้นๆ ของพลาสติกวิศวกรรม คุณสมบัติที่แข็งแรงแต่ยังคงความเหนียวแน่นทำให้โพลีคาร์บอเนตสามารถทนต่อแรงกระแทกภายนอกได้อย่างรุนแรงโดยไม่แตกหักง่าย ประสิทธิภาพเชิงกลที่เหนือกว่านี้ช่วยวางรากฐานที่แข็งแกร่งสำหรับการใช้งานในหลากหลายสาขาที่มีข้อกำหนดด้านความแข็งแรงและความทนทานต่อแรงกระแทกที่เข้มงวด

นอกจากนี้ ความแข็งแรงแรงดึงและแรงดัดของโพลีคาร์บอเนตยังเทียบเคียงได้กับไนลอนและโพลีออกซีเมทิลีน โดดเด่นกว่าพลาสติกเทอร์โมพลาสติก และใกล้เคียงกับเรซินฟีนอลิกเสริมใยแก้วหรือโพลีเอสเตอร์ไม่อิ่มตัว นอกจากนี้ ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปยังสามารถตอบสนองความต้องการความคลาดเคลื่อนความแม่นยำสูงและคงความเสถียรของขนาดภายใต้สภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงหลากหลาย โดยมีอัตราการหดตัวจากการขึ้นรูปคงที่ที่ 0.5-0.7% นอกจากนี้ยังมีความต้านทานการคืบคลานที่ดีเยี่ยม

(สาม) คุณสมบัติทางความร้อน

โพลีคาร์บอเนตมีอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วประมาณ 147°C และอุณหภูมิการบิดเบือนความร้อนประมาณ 135°C ทำให้สามารถใช้งานได้อย่างเสถียรเป็นเวลานานในช่วงอุณหภูมิ -45°C ถึง 120°C ความเสถียรทางความร้อนที่ยอดเยี่ยมนี้ช่วยให้สามารถปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมการทำงานที่ซับซ้อนหลากหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นในพื้นที่ขั้วโลกที่หนาวเย็นหรือเขตร้อนที่ร้อนจัด ผลิตภัณฑ์ที่ทำจากโพลีคาร์บอเนตก็สามารถใช้งานได้ตามปกติ

นอกจากนี้ โพลีคาร์บอเนตยังหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 220-230°C และมีอุณหภูมิการสลายตัวทางความร้อนสูงกว่า 310°C โพลีคาร์บอเนตเป็นเรซินที่ดับไฟเองได้ ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยในระดับหนึ่งเมื่อใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

(สี่) ความเสถียรทางเคมี

โพลีคาร์บอเนตมีความทนทานต่อกรดอ่อน ด่างอ่อน และน้ำมันที่เป็นกลางได้ดี และสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานให้คงที่ในสภาพแวดล้อมที่มีสารเคมีเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม โพลีคาร์บอเนตค่อนข้างไวต่อด่างเข้มข้นและมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนจากด่างเหล่านี้ และยังมีความทนทานต่อรังสียูวีค่อนข้างต่ำ

ดังนั้น ในการใช้งานจริง ควรใช้การป้องกันหรือการปรับเปลี่ยนที่เหมาะสมกับโพลีคาร์บอเนตตามสภาพแวดล้อมการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง เพื่อยืดอายุการใช้งาน

กระบวนการผลิตโพลีคาร์บอเนต

(I) วิธีฟอสจีน (การควบแน่นแบบหลายชั้นที่ส่วนต่อประสาน)

ปัจจุบันวิธีฟอสจีนเป็นหนึ่งในกระบวนการผลิตโพลีคาร์บอเนตที่ได้รับความนิยมอย่างมาก ในกระบวนการนี้ บิสฟีนอล เอ จะทำปฏิกิริยากับฟอสจีนในสารละลายด่าง เพื่อสร้างโพลีคาร์บอเนตที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง ข้อดีของวิธีนี้คือสามารถผลิตผลิตภัณฑ์โพลีคาร์บอเนตที่มีความบริสุทธิ์สูงและคุณภาพเยี่ยม

อย่างไรก็ตาม ฟอสจีนเป็นก๊าซพิษร้ายแรง จำเป็นต้องมีมาตรการป้องกันความปลอดภัยที่เข้มงวดในระหว่างการผลิตเพื่อความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานและสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ยังมีข้อกำหนดที่สูงมากเกี่ยวกับการปิดผนึกและความต้านทานการกัดกร่อนของอุปกรณ์การผลิต ซึ่งเพิ่มต้นทุนการผลิตและความท้าทายทางเทคนิค

(ครั้งที่สอง) วิธีการทรานส์เอสเทอริฟิเคชัน (การควบแน่นแบบหลอมละลาย)

วิธีการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันเป็นอีกหนึ่งกระบวนการผลิตโพลีคาร์บอเนตที่สำคัญ โดยใช้ไดฟีนิลคาร์บอเนตและบิสฟีนอล เอ เป็นวัตถุดิบในการทำปฏิกิริยาโพลีคอนเดนเซชันภายใต้อุณหภูมิสูงและสภาวะสุญญากาศ

วิธีการนี้มีขั้นตอนการผลิตที่ค่อนข้างเรียบง่ายและไม่จำเป็นต้องใช้ฟอสจีนซึ่งเป็นพิษสูง ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยในกระบวนการผลิตได้ในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม วิธีการทรานส์เอสเทอริฟิเคชันก็มีข้อเสียเช่นกัน ตัวอย่างเช่น น้ำหนักโมเลกุลของโพลีคาร์บอเนตที่ผลิตได้ค่อนข้างต่ำ และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์อาจด้อยกว่าโพลีคาร์บอเนตที่ผลิตโดยวิธีฟอสจีนในบางด้าน ดังนั้น วิธีนี้จึงเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดต่ำซึ่งไม่ต้องการน้ำหนักโมเลกุลสูง

สถานะปัจจุบันของอุตสาหกรรมโพลีคาร์บอเนต

(I) กำลังการผลิตและผลผลิตทั่วโลก

กำลังการผลิตโพลีคาร์บอเนต (พีซี) ทั่วโลกยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าอัตราการเติบโตจะค่อยๆ ชะลอตัวลง ในปี 2567 กำลังการผลิตพีซีทั่วโลกเพิ่มขึ้น 4.7% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า โดยมีปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้น 4.0% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า และอัตราการดำเนินงานเฉลี่ยของโรงงานผลิตอยู่ที่ 63.5%

การผลิตพีซีทั่วโลกกำลังมุ่งสู่ภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงเหนือ โดยการผลิตส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในภูมิภาคต่างๆ เช่น เอเชียตะวันออกเฉียงเหนือ ยุโรปตะวันตก และอเมริกาเหนือ ในปี พ.ศ. 2567 เอเชียตะวันออกเฉียงเหนือมีกำลังการผลิตพีซีทั่วโลกคิดเป็น 66.3% เป็นอันดับ 1 รองจากยุโรปตะวันตก 12.9% และอเมริกาเหนือ 10.3%

รูปแบบการแข่งขันในอุตสาหกรรมนี้มีการกระจุกตัวสูง ในปี พ.ศ. 2567 มีผู้ผลิตพีซีรายใหญ่ทั่วโลกมากกว่า 30 ราย และกำลังการผลิตของผู้ผลิต 10 อันดับแรกคิดเป็น 71.8% ของกำลังการผลิตทั้งหมดของโลก โดย โคเวสโตร เป็นผู้ผลิตพีซีรายใหญ่ที่สุดของโลก

(ครั้งที่สอง) สถานการณ์การค้าระหว่างประเทศ

ในปี 2566 มูลค่าการค้าระหว่างประเทศของโพลีคาร์บอเนต (พีซี) อยู่ที่ 8.93 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ ลดลง 23.5% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า โดยมีปริมาณการค้ารวม 3.232 ล้านตัน ลดลง 15.6% จากปีก่อนหน้า ในด้านราคา ราคาส่งออกโพลีคาร์บอเนตทั่วโลกเฉลี่ยอยู่ที่ 2,761.6 ดอลลาร์สหรัฐต่อตัน ลดลง 9.4% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า

จีน อินเดีย และเม็กซิโก เป็นประเทศผู้นำเข้าพีซีรายใหญ่ของโลก โดยการนำเข้าทั้งหมดคิดเป็นประมาณ 43.9% ของปริมาณการนำเข้าทั้งหมดทั่วโลก เกาหลีใต้ ไทย และจีน เป็นประเทศผู้ส่งออกหลัก โดยการส่งออกทั้งหมดคิดเป็นประมาณ 44.4% ของปริมาณการส่งออกทั้งหมดทั่วโลก

(สาม) สถานการณ์ตลาดจีน

อัตราการเติบโตของกำลังการผลิตพีซีของจีนชะลอตัวลง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กำลังการผลิตพีซีของจีนขยายตัวอย่างรวดเร็ว และปัญหาการขาดแคลนอุปทานในอุตสาหกรรมก็ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ในช่วงสองปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมเริ่มกลับมามีสติอีกครั้ง อัตราการขยายกำลังการผลิตชะลอตัวลงอย่างมาก โดยค่อยๆ เปลี่ยนจากการขยายกำลังการผลิตอย่างรวดเร็วในอดีต ไปสู่การปรับปรุงสต็อกที่มีอยู่ให้เหมาะสมและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต

ในปี 2567 กำลังการผลิตพีซีของจีนเพิ่มขึ้น 13.1% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า และผลผลิตเพิ่มขึ้น 22.6% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า การนำเข้าพีซีของจีนยังคงลดลง ขณะที่การส่งออกยังคงเพิ่มขึ้น ในปี 2567 การนำเข้าพีซีของจีนลดลง 14.8% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า และการส่งออกเติบโต 34.6% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า

การนำเข้าพีซีของจีนส่วนใหญ่มาจากการค้าทั่วไปและการแปรรูปด้วยวัตถุดิบนำเข้า คิดเป็น 69.6% และ 18.9% ของการนำเข้าทั้งหมดตามลำดับ พีซีนำเข้าของจีนส่วนใหญ่มาจากประเทศและภูมิภาคต่างๆ เช่น เกาหลีใต้ ไทย และไต้หวันของจีน คิดเป็นประมาณ 60.3% ของการนำเข้าทั้งหมด

การบริโภคพีซีของจีนเพิ่มขึ้น 8.9% เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า และอัตราการพึ่งพาตนเองเพิ่มขึ้น 9.9 จุดเปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับปีก่อนหน้า ด้วยการก่อสร้างและเปิดใช้งานโรงงานใหม่และโรงงานที่ขยายใหญ่ขึ้นหลายแห่ง กำลังการผลิตพีซีของจีนจะเพิ่มขึ้นอีก และปริมาณการผลิตก็จะเติบโตอย่างรวดเร็วเช่นกัน แม้ว่าผลิตภัณฑ์จากโรงงานใหม่จะยังไม่เพียงพอที่จะทดแทนวัตถุดิบนำเข้าได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ แต่อัตราการพึ่งพาตนเองได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก และการพึ่งพาวัตถุดิบจากต่างประเทศก็ลดลงอย่างเห็นได้ชัด