PC içi boş levha ekstrüzyon hattı

Polikarbonat (PC) için polimerizasyon yöntemlerinin araştırılması ve pazar analizi

PC içi boşsac ekstrüzyon hattıPolikarbonat (PC), moleküler zincirinde karbonat grupları içeren bir polimerdir; moleküler yapı formülü şekilde gösterilmiştir.

PC, iyi optik özelliklere, ısı direncine, darbe direncine, zayıf asitlere, alkalilere ve nötr yağlara karşı dirence sahip, neredeyse renksiz, camsı, amorf bir polimerdir. Yüksek bağıl moleküler kütleye sahip PC, yüksek tokluğa sahiptir, ancak hidrolize karşı direnci zayıftır, kırılmaya karşı hassastır, çizilmeye karşı direnci düşüktür, bazı organik çözücülere karşı duyarlıdır, uzun süreli ultraviyole ışığa maruz kaldığında sararır ve yüksek basınçlı buhara tekrar tekrar maruz kalan ürünlerde kullanılamaz.

PC, ester grubunun yapısına göre alifatik, aromatik, alifatik-aromatik ve diğer tiplere ayrılabilir; bunlardan alifatik ve alifatik-aromatik PC'lerin mekanik özellikleri daha düşüktür ve bu da mühendislik plastiklerindeki uygulamalarını sınırlandırır; bugüne kadar sadece aromatik PC endüstriyel olarak üretilmiştir. Yapısal özelliklerinden dolayı PC, mükemmel genel performansı ile en hızlı büyüyen genel mühendislik plastiklerinden biri haline gelmiş ve elektronik ve elektrikli ev aletleri, levha kaplar, otomotiv endüstrisi, tıbbi cihazlar ve koruyucu ekipman alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır ve havacılık ve uzay, optik bileşenler ve optoelektronik bilgi gibi yeni alanlara hızla yayılmaktadır.

PC üretim süreci

Şu anda PC için üç üretim süreci mevcuttur: fotogaz arayüzlü polikondenzasyon (fotogaz yöntemi olarak da bilinir), erimiş ester değişimi polikondenzasyonu ve fotogazsız erimiş ester değişimi polikondenzasyonu.

1. Fotogaz arayüzey polikondensasyonu

İlk olarak, kok kömürü veya düşük karbonlu alkanların kısmi oksidasyonu ve saflaştırılmasıyla CO elde edilirken, sulu NaCl elektroliz edilerek Cl2 ve NaOH elde edilir. Elde edilen CO, Cl2 ile reaksiyona sokularak ham madde fosgen üretilir; bu fosgen, CH2Cl2 çözeltisinde BPA ile arayüzey yoğunlaşmasına uğrayarak PC üretir.

Ek olarak, elektrolizle üretilen NaOH, reaksiyon sürecinde katalizör görevi görür. Elde edilen PC çözeltisi önce bol miktarda su ile yıkanarak saflaştırılır, ardından heksan veya toluen eklenerek ve CH2Cl2 gibi çözücüleri uzaklaştırmak için damıtılarak PC peletleri elde edilir. Kurutulmuş PC, eriyik granülatör kullanılarak granüle edilir. Reaksiyon atmosferik basınçta gerçekleştirilir ve polikondenzasyon reaksiyonundan sonra ayrılan malzemeler, santrifüjden elde edilen ana çözelti, diklorometan ve hidroklorik asit geri dönüştürülür.

Süreç olgunlaşmış, ürün kalitesi yüksek, hammadde saflığı için özel bir gereksinim yok, reaksiyon ekipmanı nispeten basit ve düşük sıcaklık ve düşük basınç koşullarında gerçekleştirilebiliyor; ancak hazırlama sürecinde kalan klorür iyonları ürün kalitesini etkileyecektir. Ayrıca, hammadde oldukça zehirli fosgen olup nispeten tehlikelidir ve üretilen atık gaz ve atık su miktarı da fazladır.

GE (General Electric) Plastics, Bayer ve Mitsubishi Chemical, çözücüler ve çöktürücüler yardımıyla çözünebilir safsızlıkları gidermek ve arıtma etkisini iyileştirmek için işlem sonrası süreçte buharlaştırma ve çöktürmeyi birleştirir.

2. Erime Ester Değişimi Polikondenzasyonu
Erimiş Ester Değişimi Polikondenzasyonu, hammadde olarak fenol esas alınarak gerçekleştirilir; DPC önce arayüzey fotogazlaştırma reaksiyonu ile hazırlanır, daha sonra katalizörler (lityum halojenür, lityum hidroksit, lityum alüminyum halojenür ve bor hidroksit vb.) ve katkı maddeleri varlığında, bisfenol A ile ester değişim reaksiyonu ile oligomer elde edilir ve PC ürünlerini elde etmek için daha fazla polikondenzasyon yapılır; reaksiyon süreci denklem (3)'te gösterilmiştir.

Bu işlem, fotogaz arayüzey polikondensasyonuna göre daha ucuzdur, nispeten basittir ve daha az atık su ve gaz üretir. Bununla birlikte, işlem hala ham madde DPC'nin hazırlanmasında oldukça toksik olan fosgenin kullanılmasını gerektirir ve ortaya çıkan Cl içeren safsızlıklar, nötrleştirme reaksiyonları yoluyla alkali katalizörü etkisiz hale getirebilir, PC'nin performansını düşürürken malzemenin sararmasına da neden olabilir.

3. Fosgen içermeyen eriyik ester değişimi polikondensasyon yöntemi
1978'de GE Plastics, denklem (4)'te gösterildiği gibi, DPC üretmek için katalizör olarak Pd kullanarak fenolün CO ve O2 ile oksidatif karbonilasyonuna ilişkin bir patenti ilk kez açıkladı; bu daha sonra erimiş halde BPA ile değiştirilerek PC oluşturuldu.

Metanolün CO ve O2 ile oksidatif karbonilasyon yoluyla dimetil karbonat (DMC) oluşturma süreci ilk olarak 1980 yılında Romano ve arkadaşları tarafından açıklanmıştır. DMC daha sonra fenol ile ester değişimi reaksiyonuna girerek toluen karbonat (MPC) oluşturur, MPC orantısızlaşarak DPC oluşturur ve DPC, erimiş halde bisfenol A ile ester değişimi polikondensasyon reaksiyonuna girerek formül (5)'te gösterildiği gibi PC ürünleri üretir.

1993 yılında GE Plastics, CO'yu hammadde olarak kullanan ve yıllık 25,000 ton kapasiteli çift eksenli bir reaktörle fosgen içermeyen bir işlem kullanarak PC'nin endüstriyel üretiminde öncü oldu.

CO2, toksik olmayan, yanıcı olmayan, biyolojik olarak yenilenebilir bir hammaddedir ve aktivitesi CO'ya kıyasla daha düşüktür, ancak PC üretmek için kopolimer monomeri olarak da kullanılabilir. Çin'deki Ningbo Zhejiang Iron Dafeng Chemical Co., Ltd., CO2 ve propilen oksit hammaddelerini kullanarak fosgen içermeyen bir PC üretim süreci geliştirmiştir ve mevcut yıllık üretim kapasitesi 100,000 tondur. Japonya'daki Asahi Kasei de Şekil 2'de gösterildiği gibi CO2 kullanarak fosgen içermeyen bir yöntemle PC üretimi için bir süreç geliştirmiştir.
Bu işlem, aşındırıcı ham maddeler kullanılmadan, susuz bir ortamda (soğutma suyu hariç) gerçekleştirilir. Yan ürünler olan metanol ve fenol geri dönüştürülebilir ve reaksiyon süreci, herhangi bir atık veya deşarj suyu üretmeden yüksek kaliteli PC ve yüksek saflıkta MEG olmak üzere 2 ürün elde edilmesini sağlar.
Bu süreçte zehirli maddeler kullanılmaz, yüksek atom kullanım oranına sahiptir ve temelde çevre dostudur. Üretim sürecinde fazla ham maddeler ve yan ürünler geri dönüştürülebilir, bu da üretim maliyetlerini etkin bir şekilde kontrol etmeyi sağlar.

PC pazarı ve gelişim beklentileri

Son yıllarda, ekonominin hızlı gelişmesi ve yeni uygulamaların yaygınlaşmasıyla birlikte, PC (polimer plastik), en hızlı büyüyen mühendislik plastiklerinden biri haline geldi. Başlıca üreticiler Amerika Birleşik Devletleri, Batı Avrupa ve Japonya'da yoğunlaşmış olup, Bayer, GE Plastics, Dow Chemical ve Teijin dünya PC üretimini ve pazarını kontrol etmektedir.

2020 yılında Asya-Pasifik bölgesi küresel PC talebinin yaklaşık %72.6'sını oluşturacak ve Çin dünyanın en büyük PC üreticisi ve tüketicisi haline gelecektir. Ulusal politikaların güçlü desteği, ortak girişimler şeklinde PC teknolojisinin getirilmesi ve yerli olarak geliştirilen üretim teknolojisinin sürekli olgunlaşmasıyla birlikte, büyük PC üretim projelerine yatırım yapılmış, yerli PC üretim kapasitesi önemli ölçüde artırılmış ve bu sektör yeni gelişim fırsatlarına kavuşmuştur.

Bilgisayar üretim sürecindeki teknik engeller nispeten yüksek ve Çin bu alana geç başladı. 2015 öncesinde, tüm yerli bilgisayar üretim tesisleri ortak girişimler veya teknoloji transferi yoluyla kurulmuştu ve üretim kapasitesi büyük ölçüde yoğunlaşmıştı. O zamandan beri, Wanhua Chemical ve Sichuan Zhonglan Guohua New Material gibi işletmeler, bağımsız fikri mülkiyet haklarına sahip çeşitli bilgisayar sentez teknolojileri geliştirerek Çin'in bilgisayar endüstrisinin gelişmesini ve büyümesini sağladı.

Şu anda dünyanın yeni üretim kapasitesi ağırlıklı olarak Çin'de yoğunlaşmış durumda. 2019 yılında Çin'in PC üretim kapasitesi 1.66 milyon ton olup, bir önceki yıla göre %31.74 artış göstermiş ve kapasite kullanım oranı %58 olmuştur. 2020 yılında Çin'in PC üretim kapasitesi 2.44 milyon ton/yıl'a, üretim ise 1.185 milyon tona yükselmiştir.

PC, ulusal yüksek teknoloji endüstrisi, kilit stratejik gelişmekte olan endüstriler ve “Çin Malı 2025”te tanımlanan on kilit alan arasında yer almaktadır. Ulusal politikalar ve yerli üretim kapasitesine yapılan büyük yatırımlarla desteklenen gelecekteki yerli PC pazarı, arzın talebi aşacağı bir durum sergileyecektir; muhafazakar bir tahmine göre, 2023 yılına kadar Çin'de 2.41 milyon ton/yıl PC üretim kapasitesi devreye girecek ve bu zamana kadar Çin'in toplam PC üretim kapasitesi 3.6 milyon ton/yıla yaklaşacaktır.

Hızla büyüyen PC üretim kapasitesine kıyasla, alt sektör talebi aynı anda karşılanamamıştır. Genel olarak, PC tüketimindeki büyüme yavaşlamış ve sektör düşük bir gelişme dönemine girmiştir. Sıradan PC'ler darbe ve kimyasal direnç açısından zayıftır ve birçok alanda kullanılamazken, yüksek kaliteli ürünlerin üretimindeki teknik engeller yüksektir. Yerli işletmeler, üretimlerini hızla genişletirken, şiddetli pazar rekabetinde büyümek ve gelişmek için ürünlerinin kalitesini güçlendirmeli ve düşük kaliteli ürünlerin fazlalığı ve yüksek kaliteli ürünlerin eksikliği ikilemini değiştirmelidir.

PC'nin üç ana üretim sürecinden fosgen içermeyen yöntem, çevreye zarar vermemesi, yan ürün oluşturmaması, düşük yatırım maliyeti, yüksek verimlilik ve yüksek kaliteli ürünler sunması nedeniyle PC'nin gelecekteki gelişim yönü olacaktır. Şu anda, yüksek saflıkta DPC'nin üretim maliyeti, verimli katalizörler geliştirilerek düşürülebilir ve ayrıca, yüksek erime viskozitesine sahip PC prepolimerlerinin üretimine uygun hale getirmek için yüksek verimli reaktörler tasarlanabilir.

Çin'de PC üretim kapasitesi ve tüketimi artıyor olsa da, ürünler genellikle ambalaj, film ve levha gibi alanlarda kullanılan, dar uygulama alanlarına ve düşük kar marjlarına sahip temel malzemelerden üretiliyor. Otomotiv, ev aletleri, elektronik ürünler ve diğer alanlarda kullanılan üst düzey ürünler ise hala ortak girişimlere veya yabancı işletmelere bağımlı durumda. Üretim kapasitesinin daha da artmasıyla arz ve talep dengesi giderek artarken, PC sektöründeki rekabet yoğunlaşıyor ve şirketler büyük zorluklarla karşı karşıya kalıyor. Çevreye zararlı teknolojilerin ortadan kaldırılması, PC hammaddelerinin üretim maliyetinin düşürülmesi, ürün performansının düzenlenmesi ve iyileştirilmesi, yüksek performanslı ürünlerin geliştirilmesi, cihazların enerji tüketiminin azaltılması, cihazların rekabet gücünün artırılması ve yerli teknoloji şirketlerinin bağımsız araştırma ve geliştirme gücünün artırılması, PC sektörünün gelecekteki gelişim yönünü oluşturmaktadır.