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聚合物材料的历史追溯:第12部分

在超过60年的历史中,该行业已经了解了聚碳酸酯的优缺点,很难想象一个没有聚碳酸酯的世界会是什么样。

当聚碳酸酯首次被创造出来的时候,它似乎是一种完全向上的材料。透明,耐冲击,能够承受暴露在沸水温度下的短期影响,PC扩展了传统上与透明材料相关的性能范围。

但在20世纪90年代末,我在塑料工程师协会(Society of Plastics Engineers)的ANTEC上参加了一场关于失效分析的演讲,演讲者发表了一个令人惊讶的声明:基于他的公司参与的近5000个案例研究的荟萃分析,他们观察到,虽然按重量计算,PC占每年消耗塑料总量的1%,但他们的失败研究中约15%涉及PC制造的零件。

考虑到与塑料零件相关的尺寸和质量范围广泛,失效产品的重量可能不是最好的度量标准。然而,这一比率值得注意。作为一个已经进行了大约6000次故障分析研究的人,我可以证明PC是故障相关材料的次数过多。这些故障大多表现为脆性故障;对于一种具有如此高延展性的材料来说,这并不是人们所期望的。

虽然主持人的意图是批评PC,我翻译的使用频率和频率之间的差距失败与其说是反映了聚合物本身是一个例子的区别的令人印象深刻的短期性质的材料和一些漏洞才变得明显的时间和环境采取行动。

通过在小家电应用的真实世界中的经验发现的最初弱点之一是长期易受水解降解的影响。在短期内,聚碳酸酯的高玻璃化转变温度(154 C/309 F)意味着该材料在暴露于沸水时将保持其物理性能。PC对熔融状态下过多水分影响的敏感性,以及在加工前干燥树脂的需要,在早期就得到了很好的理解。

然而,当材料处于固体形态时,暴露于水的长期影响并没有被很好地描述。这种材料的韧性、外观和尺寸稳定性使其吸引了小家电行业,早期的应用之一是咖啡壶。这些在商店货架上看起来很棒,甚至在厨房里也有一段时间。但没过多久,由于反复暴露在热水中发生的降解,这些物品开始开裂。

尽管PC因其成型韧性而闻名,但当暴露在高温和潮湿的环境中一段时间后,PC就会变得脆弱。咖啡壶的开裂就是一个例子。

电子工业也在这种材料中发现了同样的局限性。虽然PC在电子领域的广泛应用中是完美的,但它在行业对各种组件进行标准测试时表现不佳。该测试需要在85摄氏度(185华氏度)和85%的相对湿度下暴露1000小时。单独地,暴露在这种温度或这种R.H.的持续时间对PC没有问题。

但它们结合在一起产生的水解降解,可以通过监测测试中聚合物的熔体流动速度来跟踪。研究表明,在高温和高湿条件下1000小时,从模压成型的零件到锻件的MFR大约增加了70%,通常在零件中出现裂纹。使用pc -硅氧烷共聚物可大大改善这一反应。

虽然PC在电子领域的广泛应用中是可行的,但当行业对各种组件进行标准测试时,它的表现并不好。

第二个早期发现引起了对PC延展性的关注,这是一种称为临界厚度的现象。这不是PC独有的特性。但由于其出色的抗冲击性,其性能比其他材料更为显著。

临界厚度是指当材料模制成厚壁试样时,其韧性显著下降。这是由于不同层以明显不同的速率从熔融冷却到固态时,零件内部产生的内应力引起的。该临界厚度在0.250英寸处测量。(6.25 mm),但在低分子量化合物中可能更低。在韧性最高且壁厚大于0.250英寸的应用中。如果需要,通常通过将较薄的薄板层压在一起以形成较厚的结构来获得所需的功能。

然而,已经表明,导致临界厚度现象的脆性行为可以通过慢慢冷却聚合物当实用。在注射成型中,高模具温度将大大提高厚结构的韧性。此外,研究表明临界厚度是一种与切口试样有很大关系的特性。经过缓慢冷却的设计良好的部件可以在不丧失延展性的情况下大幅增厚。

在实际应用中,可以通过缓慢冷却来改善引起临界厚度现象的脆性行为。

随着PC材料在现实世界中遇到化学物质,PC广泛应用的第三个障碍变得显而易见。通常,耐化学性是这些关注的焦点。但更大的问题是易受应力开裂的影响,这种开裂现象是由于应力和施加的化学剂的共同影响而发生的。在PC中产生这种反应的化合物种类繁多,包括酮、酯、醛、醚、卤代烃和芳烃。许多家用清洁剂会使PC产生应力开裂,许多食品中的油也会导致其固有延展性的损失。高温使问题恶化。反复的洗碗机循环是有充分证据证明的故障原因。

BPA问题

但也许PC的商业形象面临的最大挑战也是最具争议性的,即消费者接触双酚A的问题,双酚A是一种用于制造PC的单体。内分泌学家在使用PC试管保存他们的样本时获得了异常数据,这些研究表明双酚A (BPA)可能是内分泌干扰物。虽然这一发现是在20世纪90年代发现的,但BPA与雌激素的相似性早在20世纪30年代就已经为人所知。但是,对BPA的担忧花了一段时间才形成势头。

从那时起,关于BPA对健康的潜在影响产生了大量的信息。关于BPA的维基百科页面引用了超过260个来源,这可能是该网站上引用最完整的主题。PC聚合物中残留的BPA是不可避免的。在聚合物降解的条件下,如上述水解,额外的双酚a产生。

最初的问题涉及含有婴儿配方奶粉的奶瓶。在配方灭菌过程中,高温和湿气存在,这可能会产生BPA,可以渗透到配方中。在成人中,双酚a通过肝脏的解毒过程被清除,而在婴儿和幼儿中,这一途径尚未完全发育,双酚a会积聚。由于这种化学物质的结构,它可以模仿雌激素的作用,扰乱激素平衡,并可能导致不孕和青春期提前。就像健康和环境科学经常发生的情况一样,对一小部分人群接触BPA的担忧迅速扩展为对所有人接触BPA的歇斯底里反应。

暴露于双酚A的风险问题已经在全球范围内进行了研究,许多政府和科学组织也参与了研究。许多冗长的研究得出结论,在当前环境水平下暴露于双酚A仍然是可以接受的。但与此同时,也出现了一些重大举措,其中一些是由宣布其安全性的同一家化学公司发起的,旨在限制或消除其在各种产品中的存在。其他并非由双酚A制成的聚合物,如无定形PET和其他共聚酯,也从这种歇斯底里中受益,这些材料的供应商宣称,由它们制成的产品“不含双酚A”188金宝搏网页登录

在这一点上,双酚A的安全性问题很难在科学上得到解决。化学工业基本上坚持认为这种化合物是安全的,因为它从20世纪50年代就存在了。在讨论的另一方面,你能想到的几乎每一种可以想象的疾病都被归因于它在我们的环境中的存在。

许多长期的研究已经得出结论,在目前的环境水平下暴露于BPA仍然是可以接受的。

但PC甚至不是BPA最主要的来源。早在PC发明之前,双酚a就存在于环氧树脂中。这些树脂经常被用于包装食品和饮料的罐头。但即使在这里,BPA也被绑定在聚合物中,需要时间才能迁移到容器中的内容物中。一种更容易吸收的来源是热和无碳纸,用于制作收据和票据。研究表明,这种形式的BPA非常容易转移,与这些物品接触的纸币很容易吸收BPA,成为主要的二次来源。所以,不管无双酚a论点的优点如何,将PC从我们的世界中消除并不能阻止它的暴露。

通过所有这些挑战,PC的使用继续增长。在它60多年的历史中,我们已经了解了很多关于这种材料的优缺点,很难想象一个没有这种材料的世界会是什么样。提供无双酚a替代品的共聚酯缺乏聚碳酸酯的耐热性。高热的砜很难以水一样透明的形式产生,暴露在紫外线辐射下会迅速变暗,而且通常更敏感。

美国大学的高分子科学家萨比奇已开发出一种非晶态PET和聚醚酰亚胺的可混溶合金,其玻璃化转变温度与聚碳酸酯相同,但尚未商业化。也许有一天,人们会回到一个不存在聚碳酸酯的世界。但这在未来可能还有很长的路要走,需要在材料研究方面取得重大突破。

作者简介:Michael Sepe是一家独立的材料和加工顾问,总部位于亚利桑那州塞多纳,客户遍及北美、欧洲和亚洲。他在塑料行业拥有超过45年的经验,协助客户进行材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障排除和故障分析。联系人:(928)203-0408•mike@thematerialanalyst.com

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