Technische Kunststoffe: Polycarbonat (PC) – Eigenschaften, Anwendungen und Entwicklung(1)

Definition und Aufbau von Polycarbonat

Polycarbonat ist ein allgemeiner Begriff für eine Klasse hochmolekularer Polymere mit Carbonatgruppen in ihren Molekülketten. Aufgrund der unterschiedlichen Struktur der Estergruppen lassen sie sich in verschiedene Typen einteilen, z. B. aliphatisches PC, alicyclisches PC und aromatisches PC. Aliphatische und aliphatisch-aromatische Polycarbonate finden aufgrund ihrer schlechten mechanischen Eigenschaften nur eingeschränkt Anwendung im Bereich der technischen Kunststoffe.

Derzeit wird hauptsächlich aromatisches Polycarbonat, insbesondere Bisphenol-A-artiges, industriell hergestellt. Seine chemische Formel ist das Polykondensationsprodukt von Bisphenol A mit Phosgen oder Diphenylcarbonat. Diese einzigartige Molekularstruktur verleiht Polycarbonat eine Reihe hervorragender Eigenschaften und hebt es von zahlreichen anderen Materialien ab.

Eigenschaften von Polycarbonat

(I) Optische Eigenschaften

Polycarbonat zeichnet sich durch außergewöhnliche Transparenz mit einer Lichtdurchlässigkeit von über 90 % aus, die der von anorganischem Glas nahekommt. Dadurch glänzt es im optischen Bereich. Ob bei der Herstellung optischer Präzisionskomponenten wie optischen Datenträgern, Linsen und optischen Linsen oder bei optischen Alltagsprodukten wie großen Lampenschirmen, Schutzglas und Fensterglas – Polycarbonat bietet dank seiner hohen Transparenz ein klares Seherlebnis. Dank seiner guten Färbeeigenschaften können Produkte in einer großen Farbvielfalt dargestellt werden, die den ästhetischen Anforderungen unterschiedlicher Szenarien gerecht wird.

(II) Mechanische Eigenschaften

Polycarbonat weist eine hervorragende Schlagzähigkeit auf und erreicht eine Kerbschlagzähigkeit nach Izod von 600–900 J/m². Damit zählt es zu den besten technischen Kunststoffen. Seine Zähigkeit und gleichzeitig Steifigkeit ermöglichen es ihm, starken äußeren Einflüssen standzuhalten, ohne leicht zu brechen. Diese überlegene mechanische Leistung bildet eine solide Grundlage für seine Anwendung in zahlreichen Bereichen mit hohen Anforderungen an Festigkeit und Schlagzähigkeit.

Darüber hinaus ist die Zug- und Biegefestigkeit von Polycarbonat mit der von Nylon und Polyoxymethylen vergleichbar. Damit hebt es sich von anderen thermoplastischen Kunststoffen ab und erreicht nahezu das Niveau von glasfaserverstärkten Phenolharzen oder ungesättigten Polyestern. Darüber hinaus erfüllen die Formteile hochpräzise Toleranzanforderungen und bleiben über einen weiten Bereich von Umgebungsänderungen formstabil, bei einer konstanten Formschrumpfungsrate von 0,5–0,7 %. Darüber hinaus verfügt es über eine hervorragende Kriechfestigkeit.

(III) Thermische Eigenschaften

Polycarbonat hat eine Glasübergangstemperatur von ca. 147 °C und eine Wärmeformbeständigkeit von 135 °C, wodurch es über lange Zeiträume im Temperaturbereich von -45 °C bis 120 °C stabil eingesetzt werden kann. Diese hervorragende thermische Stabilität ermöglicht die Anpassung an verschiedene komplexe Arbeitsumgebungen; ob in kalten Polarregionen oder heißen Tropenklimazonen – Produkte aus Polycarbonat funktionieren einwandfrei.

Darüber hinaus schmilzt Polycarbonat bei 220–230 °C und hat eine thermische Zersetzungstemperatur von über 310 °C. Es ist ein selbstverlöschendes Harz, was seine Sicherheit beim Einsatz in Hochtemperaturumgebungen bis zu einem gewissen Grad erhöht.

(IV) Chemische Stabilität

Polycarbonat weist eine gute Beständigkeit gegen schwache Säuren, schwache Basen und neutrale Öle auf und behält in Umgebungen mit diesen chemischen Substanzen seine stabile Leistung. Es reagiert jedoch relativ empfindlich auf starke Basen und neigt zu Korrosion. Zudem ist die UV-Beständigkeit relativ gering.

Daher sollten in der Praxis je nach Einsatzumgebung geeignete Schutz- oder Modifikationsbehandlungen auf Polycarbonat angewendet werden, um dessen Lebensdauer zu verlängern.

Herstellungsverfahren von Polycarbonat

(I) Phosgen-Verfahren (Grenzflächenpolykondensation)

Das Phosgenverfahren ist derzeit eines der gängigsten Verfahren zur Herstellung von Polycarbonat. Dabei reagiert Bisphenol A in einer alkalischen Lösung mit Phosgen zu hochmolekularem PC. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Herstellung von Polycarbonatprodukten mit hoher Reinheit und hervorragender Qualität.

Phosgen ist jedoch ein hochgiftiges Gas, das während der Produktion strenge Sicherheitsmaßnahmen erfordert, um die Sicherheit der Bediener und der Umwelt zu gewährleisten. Darüber hinaus stellt es extrem hohe Anforderungen an die Dichtheit und Korrosionsbeständigkeit der Produktionsanlagen, was die Produktionskosten erhöht und die technischen Herausforderungen erhöht.

(II) Umesterungsverfahren (Schmelzpolykondensation)

Ein weiteres wichtiges Herstellungsverfahren für Polycarbonat ist die Umesterungsmethode. Dabei werden Diphenylcarbonat und Bisphenol A als Rohstoffe verwendet, um Polykondensationsreaktionen unter Hochtemperatur- und Vakuumbedingungen durchzuführen.

Dieses Verfahren zeichnet sich durch einen relativ einfachen Prozessablauf aus und benötigt kein hochgiftiges Phosgen, was die Sicherheitsrisiken im Produktionsprozess bis zu einem gewissen Grad reduziert. Allerdings hat das Umesterungsverfahren auch einige Nachteile. Beispielsweise ist das Molekulargewicht des hergestellten Polycarbonats relativ niedrig, und die Produktleistung kann in einigen Aspekten schlechter sein als die des mit dem Phosgenverfahren hergestellten Polycarbonats. Daher eignet sich dieses Verfahren besser für die Herstellung niedrigviskoser Produkte, die keine hohen Anforderungen an das Molekulargewicht stellen.

Aktueller Status der Polycarbonatindustrie

(I) Globale Produktionskapazität und -leistung

Die weltweite Produktionskapazität für Polycarbonat (PC) wächst weiter, auch wenn sich das Wachstum allmählich verlangsamt. Im Jahr 2024 stieg die weltweite PC-Produktionskapazität im Vergleich zum Vorjahr um 4,7 %, die Produktion um 4,0 %. Die durchschnittliche Auslastung der Produktionsanlagen lag bei 63,5 %.

Die regionale Konzentration der weltweiten PC-Produktion verlagert sich nach Nordostasien, wobei sich die Produktion vor allem auf Regionen wie Nordostasien, Westeuropa und Nordamerika konzentriert. Im Jahr 2024 lag Nordostasien mit 66,3 % der weltweiten PC-Produktionskapazität an erster Stelle; Westeuropa entfiel auf 12,9 % und Nordamerika auf 10,3 %.

Der Wettbewerb in der Branche ist stark konzentriert. Im Jahr 2024 gab es weltweit über 30 große PC-Hersteller, und die Produktionskapazität der Top-10-Hersteller betrug 71,8 % der weltweiten Gesamtproduktionskapazität. Covestro ist der weltweit größte PC-Produzent.

(II) Internationale Handelslage

Im Jahr 2023 belief sich der Gesamtwert des internationalen Handels mit Polycarbonat (PC) auf 8,93 Milliarden US-Dollar, ein Rückgang von 23,5 % gegenüber dem Vorjahr. Das Gesamthandelsvolumen belief sich auf 3,232 Millionen Tonnen, was einem Rückgang von 15,6 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Preislich lag der weltweite durchschnittliche Exportpreis für PC bei 2.761,6 US-Dollar pro Tonne, was einem Rückgang von 9,4 % gegenüber dem Vorjahr entspricht.

China, Indien und Mexiko sind die weltweit größten PC-Importländer. Ihre Gesamtimporte machen etwa 43,9 % der weltweiten Gesamtimporte aus. Südkorea, Thailand und China sind die wichtigsten Exportländer. Ihre Gesamtexporte machen etwa 44,4 % der weltweiten Gesamtexporte aus.

(III) Situation des chinesischen Marktes

Das Wachstum der chinesischen PC-Produktionskapazität hat sich verlangsamt. In den letzten Jahren wuchs die PC-Produktionskapazität Chinas rasant, und das offensichtliche Phänomen der Versorgungsknappheit in der Branche konnte deutlich gemildert werden. In den letzten zwei Jahren kehrte die Branche zur Vernunft zurück. Das Tempo des Kapazitätsausbaus verlangsamte sich deutlich und ging allmählich von der zuvor rasanten Expansion zu einer Optimierung der vorhandenen Lagerbestände und einer Verbesserung der Effizienz über.

Im Jahr 2024 stieg Chinas PC-Produktionskapazität im Vergleich zum Vorjahr um 13,1 %, die Produktion um 22,6 %. Chinas PC-Importe gingen weiter zurück, während die Exporte weiter stiegen. Im Jahr 2024 sanken Chinas PC-Importe im Vergleich zum Vorjahr um 14,8 %, während die Exporte um 34,6 % stiegen.

Chinas PC-Importe erfolgen hauptsächlich über den allgemeinen Handel und die Verarbeitung importierter Materialien und machen 69,6 % bzw. 18,9 % der Gesamtimporte aus. Chinas importierte PCs kommen hauptsächlich aus Ländern und Regionen wie Südkorea, Thailand und der chinesischen Provinz Taiwan und machen etwa 60,3 % der Gesamtimporte aus.

Chinas sichtbarer PC-Verbrauch stieg im Vergleich zum Vorjahr um 8,9 %, und die Autarkiequote erhöhte sich um 9,9 Prozentpunkte. Mit der Fertigstellung und Inbetriebnahme mehrerer neuer und erweiterter Anlagen wird Chinas PC-Produktionskapazität weiter steigen, und auch das Liefervolumen wird schnell wachsen. Obwohl die Produkte aus den neuen Anlagen noch nicht ausreichen, um importierte Materialien schnell und effektiv zu ersetzen, hat sich die Autarkiequote deutlich erhöht und die Abhängigkeit von ausländischen Rohstoffen spürbar verringert.