Plásticos de ingeniería: Policarbonato (PC): Propiedades, aplicaciones y desarrollo (1)
Definición y estructura del policarbonato
El policarbonato es un término general para una clase de polímeros de alto peso molecular que contienen grupos carbonato en sus cadenas moleculares. Según las diferencias en la estructura de los grupos éster, se pueden clasificar en varios tipos, como policarbonato alifático, policarbonato alicíclico y policarbonato aromático. Entre ellos, los policarbonatos alifáticos y alifático-aromáticos tienen aplicaciones limitadas en el campo de los plásticos de ingeniería debido a sus bajas propiedades mecánicas.
Actualmente, el principal tipo de policarbonato producido industrialmente es el aromático, especialmente el de tipo bisfenol A. Su fórmula química es el producto de policondensación del bisfenol A con fosgeno o carbonato de difenilo. Esta singular estructura molecular le confiere al policarbonato una serie de excelentes propiedades, lo que lo distingue de numerosos materiales.
Propiedades del policarbonato
(I) Propiedades ópticas
El policarbonato posee una transparencia excepcional, con una transmitancia de luz superior al 90%, similar a la del vidrio inorgánico, lo que le permite destacar en el campo óptico. Ya sea en la fabricación de componentes ópticos de precisión, como discos ópticos, lentes y lentes ópticas, o en productos ópticos de uso diario, como pantallas de lámparas de gran tamaño, vidrios protectores y cristales para ventanas, el policarbonato ofrece una experiencia visual nítida gracias a su alta transparencia. Además, su excelente adaptabilidad al teñido permite que los productos presenten una rica variedad de colores, satisfaciendo las necesidades estéticas de diferentes escenarios.
(II) Propiedades mecánicas
El policarbonato presenta una excelente resistencia al impacto, con una resistencia al impacto Izod con entalla de hasta 600-900 J/m, lo que lo sitúa entre los mejores plásticos de ingeniería. Sus características de robustez y rigidez le permiten soportar impactos externos significativos sin romperse fácilmente, y este rendimiento mecánico superior sienta las bases para su aplicación en numerosos campos con exigentes requisitos de resistencia y resistencia al impacto.
Además, la resistencia a la tracción y a la flexión del policarbonato es comparable a la del nailon y el polioximetileno, destacando entre los plásticos termoplásticos y acercándose al nivel de las resinas fenólicas reforzadas con fibra de vidrio o los poliésteres insaturados. Además, las piezas moldeadas pueden cumplir con requisitos de tolerancia de alta precisión y mantener la estabilidad dimensional en un amplio rango de cambios ambientales, con una tasa de contracción de moldeo constante del 0,5-0,7 %. También posee una excelente resistencia a la fluencia.
(III) Propiedades térmicas
El policarbonato tiene una temperatura de transición vítrea de aproximadamente 147 °C y una temperatura de distorsión térmica de 135 °C, lo que le permite un uso estable durante largos periodos en un rango de temperatura de -45 °C a 120 °C. Esta excelente estabilidad térmica le permite adaptarse a diversos entornos de trabajo complejos; ya sea en regiones polares frías o en climas tropicales cálidos, los productos de policarbonato pueden funcionar con normalidad.
Además, el policarbonato se funde a 220-230 °C y su temperatura de descomposición térmica supera los 310 °C. Es una resina autoextinguible, lo que, en cierta medida, aumenta su seguridad en entornos de alta temperatura.
(IV) Estabilidad química
El policarbonato presenta buena resistencia a ácidos y álcalis débiles y aceites neutros, y puede mantener un rendimiento estable en entornos que contienen estas sustancias químicas. Sin embargo, es relativamente sensible a los álcalis fuertes y propenso a la corrosión por estos, y su resistencia a los rayos UV es relativamente baja.
Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, se deben aplicar tratamientos de protección o modificación adecuados al policarbonato según el entorno de servicio específico para prolongar su vida útil.
Procesos de producción de policarbonato
(I) Método del fosgeno (policondensación interfacial)
El método del fosgeno es actualmente uno de los procesos más comunes para la producción de policarbonato. En este proceso, el bisfenol A reacciona con el fosgeno en una solución alcalina para formar PC de alto peso molecular. La ventaja de este método es que permite producir productos de policarbonato de alta pureza y excelente calidad.
Sin embargo, el fosgeno es un gas altamente tóxico que requiere estrictas medidas de seguridad durante la producción para garantizar la seguridad de los operadores y del medio ambiente. Además, impone requisitos extremadamente altos en cuanto a sellado y resistencia a la corrosión de los equipos de producción, lo que incrementa los costos de producción y los desafíos técnicos.
(II) Método de transesterificación (policondensación por fusión)
El método de transesterificación es otro proceso importante de producción de policarbonato. Utiliza carbonato de difenilo y bisfenol A como materias primas para llevar a cabo reacciones de policondensación a alta temperatura y al vacío.
Este método presenta un flujo de proceso relativamente simple y no requiere el uso de fosgeno altamente tóxico, lo que reduce en cierta medida los riesgos de seguridad en el proceso de producción. Sin embargo, el método de transesterificación también presenta algunas desventajas. Por ejemplo, el peso molecular del policarbonato producido es relativamente bajo, y el rendimiento del producto puede ser inferior al del policarbonato producido mediante el método del fosgeno en algunos aspectos. Por lo tanto, este método es más adecuado para producir productos de baja viscosidad que no requieren altos requisitos de peso molecular.
Estado actual de la industria del policarbonato
(I) Capacidad de producción y producción mundial
La capacidad de producción mundial de policarbonato (PC) continúa expandiéndose, aunque su ritmo de crecimiento se está desacelerando gradualmente. En 2024, la capacidad de producción mundial de PC aumentó un 4,7 % interanual, con un crecimiento de la producción del 4,0 % interanual, y la tasa de operación promedio de las plantas de producción se situó en el 63,5 %.
La concentración regional de la producción mundial de PC se está desplazando hacia el Noreste Asiático, concentrándose principalmente en regiones como el Noreste Asiático, Europa Occidental y América del Norte. En 2024, el Noreste Asiático representó el 66,3 % de la capacidad de producción mundial de PC, ocupando el primer lugar; Europa Occidental el 12,9 %; y América del Norte el 10,3 %.
El patrón de competencia en la industria está altamente concentrado. En 2024, había más de 30 grandes fabricantes de PC a nivel mundial, y la capacidad de producción de los 10 principales fabricantes representaba el 71,8 % de la capacidad de producción total mundial. Entre ellos, Covestro es el mayor productor de PC del mundo.
(II) Situación del Comercio Internacional
En 2023, el valor total del comercio internacional de policarbonato (PC) fue de 8.930 millones de dólares, lo que representa una disminución interanual del 23,5%, con un volumen comercial total de 3,232 millones de toneladas, un 15,6% menos que el año anterior. En cuanto a precios, el precio promedio mundial de exportación de PC fue de 2.761,6 dólares por tonelada, lo que representa una disminución interanual del 9,4%.
China, India y México son los principales importadores de PC del mundo, con importaciones totales que representan aproximadamente el 43,9 % de las importaciones mundiales. Corea del Sur, Tailandia y China son los principales países exportadores, cuyas exportaciones totales representan aproximadamente el 44,4 % de las exportaciones mundiales.
(III) Situación del mercado chino
El ritmo de crecimiento de la capacidad de producción de PC en China se ha desacelerado. En los últimos años, la capacidad de producción de PC en China se ha expandido rápidamente, y el evidente fenómeno de escasez de suministro en la industria ha mejorado significativamente. En los últimos dos años, la industria ha comenzado a recuperar la racionalidad, con una desaceleración significativa del ritmo de expansión de la capacidad, pasando gradualmente de la rápida expansión anterior a la optimización del inventario existente y la mejora de la eficiencia.
En 2024, la capacidad de producción de PC de China aumentó un 13,1 % interanual y su producción un 22,6 % interanual. Las importaciones de PC de China han seguido disminuyendo, mientras que las exportaciones han seguido aumentando. En 2024, las importaciones de PC de China cayeron un 14,8 % interanual y las exportaciones crecieron un 34,6 % interanual.
Las importaciones de PC de China se realizan principalmente a través del comercio general y el procesamiento con materiales importados, representando el 69,6% y el 18,9% del total de importaciones, respectivamente. Las PC importadas de China provienen principalmente de países y regiones como Corea del Sur, Tailandia y la provincia china de Taiwán, representando aproximadamente el 60,3% del total de importaciones.
El consumo aparente de PC en China aumentó un 8,9 % interanual, y la tasa de autosuficiencia se elevó 9,9 puntos porcentuales interanualmente. Con la finalización y puesta en marcha de varias instalaciones nuevas y ampliadas, la capacidad de producción de PC de China seguirá aumentando, y el volumen de suministro también crecerá rápidamente. Si bien los productos de las nuevas instalaciones aún no son suficientes para reemplazar rápida y eficazmente los materiales importados, la tasa de autosuficiencia ha aumentado significativamente y la dependencia de materias primas extranjeras se ha reducido notablemente.
