聚碳酸酯的制备及应用

发布日期:2019/11/2 13:16:10

背景及应用^[1]

聚碳酸酯是一类高分子量的化合物，常用来作为热塑性材料，因此被广泛的应用于发展经济建设的各个领域。根据分子组成结构的不同，聚碳酸酯类化合物可以分成脂肪族、脂环族、芳香族几类。不过目前聚碳酸酯化合物的应用受到了加工性能以及生产成本等方面因素的制约，因此目前进行工业化生产以及应用的聚碳酸酯化合物的种类只有双酚 A 型芳香族聚碳酸酯。该类聚碳酸酯化合物也是目前产量、应用范围最广的一种化合物。在本篇文章中所提到的聚碳酸酯都是指的双酚 A型聚碳酸酯化合物。

聚碳酸酯作为一种热塑性的工程塑料用品，具有较强的抗冲击能力，并且它的稳定性好，且具有耐热性能好、吸水率低、无毒、介电性能优良的特点，在多个行业领域，比如电子电器、交通运输、机械、仪表、光学材料、资料器械、航空航天，甚至国防军工等各个领域都被广泛应用。且聚碳酸酯的应用量在近些年来增长十分迅速。

制备^[1]

对于聚碳酸酯的合成工艺，根据合成过程中是否用光气做原料可以将其合成工艺分为两大类，一类是光气法即使用光气作为生产原料；另一种是非光气法，在此类生产工艺中，不会应用光气作为原料。

1 光气法

1.1 溶液光气法

该生产工艺是将光气和双酚 A 作为生产原料，反应过程是在碱性水溶液和二氯甲烷（或者二氯乙烷）溶液之中进行。原料在溶液中完成缩聚反应，得到聚碳酸酯胶液，将其洗涤、沉淀、干燥，然后通过造粒工艺制成聚碳酸酯产品。不过该工艺的显著缺点就是成本较高，并且对于环境带来的危害较大，因此不符合可持续发展战略，目前该工艺已经被淘汰。

1.2 界面缩聚法

根据合成工艺的不同，界面缩聚法又分为二步界面缩聚和一步界面缩聚。

1.2.1二步界面缩聚法。应用该方法合成聚碳酸酯所使用的原料包括双酚 A 钠盐和光气，该工艺在合成过程中的化学反应式见（1）。该方法的反应过程分成两步，一不是光气化阶段，而另一步是缩聚阶段，两步工艺先后进行。

1.2.2一步界面缩聚法。一步界面缩聚法是在二步界面缩聚法的基础之上演变而来的，在反应过程中，由于催化剂的加入，使得氯甲酸酯基团和双酚 A 钠盐的反应速度明显加快，而使得在双酚 A 钠盐光气化反应进行的同时，后续的缩聚反应也在进行，两个反应几乎同时进行。通过一步界面缩聚法生产的聚碳酸酯，反应速度快，有效减少了原料的损耗。该生产工艺成熟、且便于操控，是目前比较成熟的聚碳酸酯的合成方法。

1.3 酯交换法

酯交换法的生产工艺可以分成两个部分：一个是酯交换反应，一个是缩聚反应。首先以苯酚作为原料，然后经界面光气化反应制得碳酸二苯酯，而后在催化剂的作用下，碳酸二苯酯和双酚 A 进行酯交换反应，得到的低聚物在第二步 -缩聚反应中生成聚碳酸酯。在酯交换法生产工艺中，酯交换阶段和缩聚阶段都是可逆平衡反应，因为为了让产物的产出率增加，要及时的从反应体系中将生成的碳酸二苯酯或者低相对分子产物移出反应体系。在利用酯交换法生产聚碳酸酯的生产初期阶段，由于该工艺成产出的产品光学性能差、且催化剂容易造成污染问题，并且大规模的工业化生产不易实现，所以初期该工艺并没有得到广泛的应用。从 20 世纪 80 年代开始，欧美以及日本等国家开始大量申请有关该工艺研究的专利，对酯交换法进行的改进，主要集中于反应过程中催化剂的选择和配置上面。近些年，该工艺得到了极大的改进，生产效率也不断提高。

2 非光气法

通过非光气酯交换法生产聚碳酸酯，同传统的酯交换法在树脂的聚合阶段是一样的，都是将双酚 A 和碳酸二苯酯经过酯交换法和缩聚反应生产聚碳酸酯，不同之处在于碳酸二苯酯的生产过程，传统的酯交换法是使用光气作为原料来制得碳酸二苯酯，而非光气法则使用碳酸二甲酯经过酯交换反应制成碳酸二苯酯。应用非光气酯交换法生产过程中，不管是从原料单体一直到产品制成，整个过程都不会使用光气，因此该工艺能够保证绿色安全无污染。该工艺不使用光气作为原料，不仅是对环境的保护，更是对操作人员身体健康的一种保护。不过该工艺也存在一定的问题，那就是碳酸二甲酯和苯酚酯交换得到碳酸二苯酯的反应中，反应收率较低，在此方面还需要进一步的研究。