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聚碳酸酯地改性及其应用
（2014-2015学年第一学期）
《表面材料改性》课程论文
题目：
聚碳酸酯的改性及其应用
姓名：
学院：
材料与纺织工程学院
专业：
高分子材料与工程
班级：
学号：
联系方式：
任课教师：
2014年12月28日
摘要
本文主要介绍了聚碳酸酯的四个改性方向，分别把它作为光学材料、医疗器械材料、阻燃材料、合金材料及其在这四个方面的应用。
关键词：
聚碳酸酯光学材料医疗器械材料阻燃材料合金材料
Abstract
ThisessaymainlyintroducePCfourmodifieddirections,includeopticalmaterial、medicalapparatusandinstruments、
Flame-resistantmaterial、alloymaterialanddifferentuseinlife.
Keyword:
PC,opticalmaterial,medicalapparatusandinstruments,Flame-resistantmaterial,alloymaterial
前言
聚碳酸酯（PC）是一种通用工程塑料,具有综合均衡的力学、电气及耐热性能,特别以优异的冲击强度和耐蠕变性著称,透光率高,力学性能好,特别是冲击韧性在工程塑料中最佳,它的玻璃化转变温度高,吸水率低,制品尺寸相当稳定,其体积电阻率和介电强度与聚酯薄膜相当,介电损耗角正切仅次于聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）,在10~130e下几乎不变。
由于PC的优良性能,现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料，其制品及其共混（或合金）材料在电子、电器、机械、汽车、纺织、轻工及建筑等行业获得了广泛的应用。
聚碳酸酯的改性及其应用
ThemodificationandapplicationofPC
高材121班凌云
Polymermaterialandengineering121classLingYun
引言
聚碳酸酯（PC）是一种无味、无臭、无毒、综合性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击、耐蠕变性能，较高的抗张强度，较高的耐热性和耐寒性．优良的介电性能．极好的形状和颜色稳定性以及透光性好，可见光的透过率可达90％左右，是五大工程塑料中唯一的透明产品，在汽车、电子电气、航空航天、计算机光盘、建筑、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域具有广泛的应用，开发利用前景十分广阔。
一、光学材料方面
1.1.光盘
聚碳酸酯是一种透明性良好的工程塑料,它对波长在400-750m的可见光有很高的透过率。
用作光盘基材应具的性能有信号面可通激光、表面上有传递信息的针孔和激光导向槽,因此要有优异的针孔和沟槽的重现性，聚碳酸酯片材不仅能满足这些基本要求而且对较宽的光潜都有良好透过率。
通常采用注射成型或注射压缩成型工艺来加工Pc光盘,使光盘片的厚度1.2mm左右。
作为光盘材料除了要求高透明性外,在记录和输出时使它产生噪声的双折射现象要小,为此若Pc和苯乙烯接枝生成的共聚物则有更好的效果。
1.2.镜片
PC用作光学材料，除了它有通用工程塑料中最高的透明性以外，还兼有良好的耐热、耐冲击及低吸水性、此PC镜片在眼镜镜片的树脂化中最早获得成功。
与玻璃镜片相比，Pc镜片有质轻和光折射率高的优点，使镜片薄化而且安全。
PC片材有质轻高强之优宜作眼镜镜片,但要进一步减薄镜片厚度则要开发高析光率PC,同时在PC分子链内要引人硅氧烷基团以提高它的耐擦伤性。
防紫外线的PC镜片中加有能吸收波长400nm以下紫外线的吸收剂。
1.3.液晶显示用导光板
由于液晶显示同导光板的透镜结构极其细微，再现其模具的凹凸纹路就需更高流动性的PC。
此外还应采用新的绝热模具技术以确保对设计的凹凸纹路有更好的临摹复制性液晶显示和信号机上用作光源的发光二极管是一种节能光源，需要一种透过光损失少，耐热性又高的光扩散材料，它由PC树脂中加入特种光扩散剂加工而成。
二、医疗器械方面
众所周知,医疗行业对产品应用具有苛刻的要求。
而聚碳酸酯具有耐高温和耐冲击性以及透明美观的外观，脂肪族聚碳酸酯则表现出良好的生物相容性、生物降解性和机械加工性能，而且可以通过功能化、共聚和共混等手段调节和改变聚碳酸酯的性能，以满足不同的需求。
因此，聚碳酸酯在生物医学领域广阔的应用前景,使其成为了多样化医疗应用领域的首选材料。
此外聚碳酸酯可采用超高温蒸汽、高能辐射或环氧乙烷消毒,也可采用激光镭射消毒,从而可完全避免其他材料普遍面临的褪色或变黄问题。
2.1.人工透析器和人工心肺容器
用做人工透析器和人工心肺容器的PC树脂既要透明又能耐消毒蒸汽的热量或y线的辐照，还应有良好的湿润性。
在y射线照射下不发黄且不降低它的透明性和机械性能。
由此开发出耐y射线的新型PC树脂，专门用于电子射线灭菌的透明医疗器具。
2.2.输血、输液、注射器
拜耳材料科技开发了以聚碳酸酯为基础材料的胰岛素注射器、吸入器和微型给药泵等新型医疗设备产品。
其中，胰岛素注射器采用新开发的生物相容性医疗级产品聚碳酸酯没有针头的新型注射器，在自生高压的作用下，在不到1秒的时间内，将药物通过皮肤压入体内，患者几乎没有痛感。
胰岛素注射器采用模克隆技术Rx2430制成。
具备了良好的伽马辐射灭菌耐受性：
经过伽马辐射灭菌之后，依然能够保持颜色稳定性和机械性能。
大批量灭菌也成为可能。
模克隆Rx2430树脂同时融合了良好的机械强度和高流动性。
不同于其他Rx医疗级材料，Rx2430树脂的优势在于易流动，能充分满足薄壁应用的需求。
此外，采用该材料制成的产品还具有玻璃般的透明度，在医疗过程中可实现可目视监控。
2.3.控制释放载体
聚合物包覆药物或基因，能控制药物或基因在生物体内的释放速率，起到缓释的作用，不仅可以减少药物或基因的剂量，也能降低毒副作用。
而且脂肪族聚碳酸酯在生物体内完成使命后，可生物降解并排出体内，因此在医学上得到广泛的应用。
Wang,C.F.;Lin,Y.X.;Jiang,T.;He,F.;Zhuo,R.X等将聚乙烯亚胺（PEI）接枝到聚碳酸酯主链上，这类生物可降解聚阳离子可以作为非病毒基因载体。
接枝的PEI可以和pDNA形成稳定的复合物，主链聚碳酸酯降解后释放出DNA以达到基因治疗的效果。
Chen,W.;Meng,F.H.;Cheng,R.;Zhong,Z.Y.等合成的聚乙二醇和聚碳酸酯的两嵌段共聚物具有酸敏感性，能有效地包载阿霉素和紫杉醇。
在酸性条件下（pH≤5.0），酸敏感基团会脱落使得疏水的聚碳酸酯变得亲水，并释放出药物。
而在中性条件下，共聚物相对比较稳定。
这对于需要在肿瘤组织（pH~5.0）定点释放药物具有重要的应用价值。
Kim,S.H.;Tan,J.P.K.;Fukushima,K.;Nederberg,F.;Yang,Y.Y.;Waymouth,R.M.;Hedrick,J.L等合成了一种温敏性嵌段聚碳酸酯，该聚碳酸酯形成的胶束能有效地包载紫杉醇。
和室温条件下相比，体温条件下药物从胶束中释放更快。
虽然聚碳酸酯是无毒的，但包载紫杉醇的胶束在体温条件下比室温下能更有效地杀死人肝癌细胞（HepG2）。
该聚碳酸酯形成的载药胶束适合原位注射，能定点释放抗癌药物到肿瘤组织。
2.4.骨固定材料
金属合金作为骨固定材料，最大的优点是强度大。
但是金属合金与骨的刚性不匹配，会导致骨皮质吸收弱化、愈合延迟，腐蚀产生的金属离子会引发炎症反应，取出金属合金的二次手术增加患者的痛苦。
虽然聚乳酸类材料是临床应用最广的生物可降解骨固定材料。
然而，在聚乳酸降解过程中会释放出大量的酸性物质，导致部分患者出现炎症和肿胀并发症。
于是人们期望找到一种降解时不会大量释放酸性物质的生物可降解高分子材料。
James,K.;Kohn,J研究了一种以酪氨酸为原料的聚碳酸酯。
发现该碳酸酯具有良好的生物相容性和物理化学性能。
用它做骨固定材料比聚乳酸具有更好的机械性能和生物相容性，在体内降解6个月后其弯曲模量还有1.4MPa。
三、阻燃材料方面
PC具有自熄性,燃烧时会放出CO2,从表1中可以看出其阻燃性能优于一般塑料。
但是在某些阻燃要求高的场合则需要对其进一步阻燃改性。
目前在PC的阻燃改性中,国内外最常采用的技术是添加卤系、磷系阻燃剂,但这会严重损害PC材料的冲击强度和电性能等物理力学性能,同时还会造成环境污染。
随着环保和安全法规的日趋严格,无卤、无磷阻燃技术的研究与开发十分迫切。
因此研究开发具有优良综合性能的环保型阻燃PC一直是国内外非常重视的课题。
3.1.卤系阻燃聚碳酸酯‘
PC具有自熄性,其阻燃性能优于一般塑料,但仍不能满足对阻燃性能要求较高或很高的场合,从而在一定程度上限制了它的应用。
目前,添加卤系阻燃剂是PC阻燃改性中最常采用的技术。
但欧盟于2002年制定和颁布的RoHS指令（《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质的指令》）规定:
从2006年7月1日起,投放于欧盟市场的电子电气设备不能包含镉、铅、汞、六价铬、多溴联苯及多溴联苯醚6类物质。
RoHS指令的颁布与实施对卤系聚碳酸酯产业产生了巨大的冲击。
申欣、李伟、王凤英、刘绍栩、刘建军等按图1所示工艺流程制备卤系阻燃PC材料的标准试样,其中材料的质量配比为PC100份、PE-g-MAH3份、抗氧剂0.5份、EBS0.5份、增韧剂3份。
结果如图二所示：
由图2可以看出,随着四溴双酚A用量的增加,材料的氧指数不断增大,但当氧指数由27%增加到37%后,再增加四溴双酚A的用量,材料的氧指数基本保持不变。
实际使用时,四溴双酚A的质量分数为5%时,PC材料的阻燃性（氧指数为32%）就可以满足使用要求。
3.2.含硅阻燃聚碳酸酯
传统的PC阻燃处理中多是添加卤系阻燃剂,但卤系阻燃剂在热裂解和燃烧时生成较多的烟和腐蚀性气体,污染环境。
含硅化合物以其高效阻燃、低烟无毒、无污染、对塑料的加工性能和物理性能影响甚小等优点而成为研究焦点。
丁丽萍、宋荣君、李斌等用经济、简单的方法改性含氢硅油合成PC阻燃剂,添加量较小就可单独用于阻燃PC,并有较好的阻燃效果。
在装有搅拌器、回流冷凝器的三口烧瓶中依次加入质量份数为3138份的苯酚、20份的含氢硅油（活性氢含量0.18%）,辛酸亚锡011份,甲苯72份,置于65e恒温油浴中反应3h后升温到85e继续反应3h。
取出旋转蒸发除去溶剂及小分子化合物,乙醚洗涤产物后烘干得白色固体。
将PC在120e鼓风干燥箱中烘干,阻燃剂用粉碎机粉碎后与PC混合均匀,按设计比例在230e转矩流变仪中共混,根据实验要求将混合物在平板硫化机中压片制成所需要的样品备用。
实验结果发现随阻燃剂含量的增加,阻燃PC的氧指数和UL-94级别均提高,当阻燃剂质量分数5%时氧指数由纯PC的26.5%提高到32.5%,UL-94阻燃级别由V-2级提高到V-0级，具有较好的阻燃效果。
试验中发现硅的添加除在PC燃烧时起到阻燃作用外,还能避免像卤系、磷系阻燃剂燃烧时那样发烟量大、且释放或分解出有毒物质对环境造成危害的问题。
3.3.含硫阻燃聚碳酸酯
近年来发现，某些多官能团的膦酸酯（如低分子量酚甲醛树脂与二氯膦酰氯反应生成的多环膦酸酯）可与PC交联形成热固性的含磷阻燃PC，后者的Tg可提高至200℃以上，成炭率增至45%，阻燃性明显改善（当多环膦酸酯用量为5%时）。
作为PC的含硫阻燃剂，研究比较充分的是下述三种磺酸盐
实验发现：
1.硫能促进PC的异构化，并释放出CO2和H2O，它们可稀释燃烧产物。
更重要的是，这种异构化能加速PC的交联和成炭，而这是有助于阻燃的。
2.含硫的PC燃烧时，其燃烧表面的下层材料在较长时间内仍能维持较低温度；而在同样条件下，不含硫的PC则在短时间内即有较高的温升。
这可能是阻燃PC在燃烧时表面形成了隔热炭层之故。
显然，这种炭层能有效提高材料的阻燃性。
结论：
含硫化合物（磺酸盐、磺酰胺盐或二者的复配物，或其与聚硅氧烷的复配物）对PC的阻燃效率极高，通常只需1%以下的添加量，即可制得氧指数达35%~40%、UL94V—0级的阻燃PC。
四、合金材料方面
目前全球聚碳酸醋应用已向高功能化、专用化方向发展,即聚碳酸醋树脂的发展方向为:
合金化、高功能化、专用化、系列化。
据有关专家预测,未来国内聚碳酸醋需求增长最快的领域将是聚碳酸醋共混合金类复合材料,其中汽车工业将是主要拉动力。
聚碳酸酯成为国内工程塑料消费增长最快的品种,得益于PC/ABS合金的高速增长。
尽管PC具有许多优异性能,然而由于PC分子链的高刚性和大的空间阻位使其具有较高的熔体粘度,因此加工困难,易开裂,耐溶剂性和耐磨损性较差,因此对PC改性研究成为PC应用研究最重要的课题,目前聚合物合金化成为PC改性重要途径。
4.1.PC/ABS合金
聚碳酸酯与ABS共混物,一方面可以提高ABS的耐热性、抗冲击和拉伸强度,另一方面可以降低聚碳酸酯成本和熔体粘度,改善加工性能,减少制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性。
聚碳酸酯/ABS合金新品种有阻燃、玻纤增强、电镀、耐紫外线等。
主要用于汽车工业、计算机、复印机和电子电气部件等。
我国近年来也开始一定研究和生产,如上海杰事杰公司的PC/ABS合金材料已应用于汽车装饰件、灯壳和耐热电器壳体。
中科院长春应用化学所开发的高耐热、高耐热高抗冲、高耐热阻燃三个品级的PC/ABS合金材料已被国内数家汽车制造公司使用,用做前装饰板、仪表板及物品箱盖专用料等。
4.2.PC/PBT合金
PBT具有优异的力学性能、耐化学腐蚀及易成型等特点,将PBT与聚碳酸酯共混,可以提高聚碳酸酯流动性、改善加工性和耐化学药品性。
用与聚碳酸酯折光率相近的玻璃纤维增强聚碳酸酯/PBT,不但
体系综合性能优良,而且具有很好的透明性,可以替代玻璃材料。
由于PBT是结晶聚合物,与PC共混时易发生相分离,界面粘结不好,因而其冲击韧性不理想,通常加人一定量弹性体以提高共混物的冲击强
度。
目前国外聚碳酸酯/PBT合金产品主要用于汽车保险杠、包装薄膜材料、汽车底座和座位等。
国内研究则刚刚起步。
4.3.PC/PS合金
由于大分子结构的差异,PC与PS不会有很好的相容性。
所以加入增容剂有助于提高俩者的相容性，这种材料适合于用来制作光盘。
相容剂的种类大多是苯乙烯的接枝聚合物，
LeeS,ParkO等将接枝聚合物PC-g-PS作为相容剂加入到PC/PS体系中,改善了PC、PS两相的相容性;提高共混体系的冲击强度,同时提高了共混体系的拉伸强度和弯曲强度;并且表面硬度和耐溶剂开裂能力较纯PC有了很大的提高。
PS加入到PC中可以使共混体系的粘流活化能降低,改善PC加工时对温度的依赖性。
由于PS价格大大低于PC,PC/PS共混能起到改性和降低成本兼得的效果。
4.4.PC/PET合金
PET具有较好的力学性能和耐化学药品性,PC/PET既有PC的刚性和耐热性,又有PET的耐溶剂性,且PET的加人也能改善PC的加工流动性。
MolinuevoCH,MendezGA,MullerAJ1等采用双螺杆挤出机以不同的螺杆转速分别制备出PET粗/细分散的共混物;并比较了两种PC/PET共混物的成核作用及结晶过程。
结果表明,PET分散微粒越小,对PET结晶抑制作用越明显。
潜在的应用领域是PC光盘废料和PET废料的回收与利用。
信息产业的高速发展必然消耗更多的PC;随之而来的PC光盘废料处理是一个不可回避的问题;目前PET在包装行业的广泛使用迫使人们考虑它的回收利用。
PC/PET共混物具有单组分不具备的优异性能,在很多场合可使用这种再生料,对于节约能源、有效利用石油资源、保护环境具有十分重要的现实意义。
5.总结
综上所述，PC的改性在多种领域有着其丰富的应用，在光学材料方面通过PC的改性可作为光盘、镜片、液晶显示用导光板等，然而其在PC透光率方面仍需做出较多的努力和改善；在医疗器械方面通过PC的改性可作为人工透析器和人工心肺容器、输血、输液、注射器、控制释放载体、骨固定材料等，可见PC在医疗方面的应用多种多样，PC作为一类生物医用高分子材料对其要求是相当苛刻的，如材料的降解速率及机理、血液相容性和组织相容性、毒性、机械性能、热性能、加工性等诸多问题都必须考虑。
因此，对于医用聚碳酸酯的研究任重而道远；在阻燃材料方面有卤系、含硅型、含硫型聚碳酸酯，在可持续发展的今天，对阻燃材料的环保要求也越来越高，所以开发一种具有优异阻燃性能且环保的PC是一件刻不容缓的事情；在合金方面有PC/ABS合金、PC/PBT合金、PC/PS合金、PC/PET合金等多种合金，由于其优秀的性能，在汽车制造、电子电气、光学存储（光盘基材）、建筑建材、航空航天、办公设备、包装、运动器材、医疗保健等领域有着广泛的应用，但其在合金化、高功能化、专用化、系列化仍需多加探索。
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