Монолитный поликарбонат

Монолитный поликарбонат — это термопластичный полимерный материал, представляющий собой сплошные (не имеющие внутренних полостей) листы, изготовленные из гранул поликарбоната методом экструзии. Относится к классу конструкционных пластиков, сочетает высокую ударную прочность, светопрозрачность и относительно небольшой вес. Основными отличительными свойствами монолитного поликарбоната являются его способность выдерживать значительные механические нагрузки без разрушения и устойчивость к широкому диапазону температур.

История

Поликарбонат как химическое соединение был впервые синтезирован в 1898 году немецким химиком Альфредом Айнхорном, однако практическое применение материала началось лишь в середине XX века. В 1953 году компания Bayer (Германия) разработала технологию промышленного производства поликарбоната под торговой маркой Makrolon. В 1958 году компания General Electric (США) представила собственный аналог — Lexan.

Монолитные листы начали выпускаться в 1960-х годах, когда технология экструзии позволила получать крупноформатные изделия с высокой оптической прозрачностью. Первоначально материал применялся в авиационной и космической промышленности (в частности, для иллюминаторов космических кораблей и защитных шлемов). В СССР промышленное производство монолитного поликарбоната было освоено на Казанском заводе органического синтеза (ныне «Казаньоргсинтез») в 1970-х годах.

Физико-химические свойства

Монолитный поликарбонат характеризуется рядом ключевых параметров:

• Плотность: 1,19–1,22 г/см³.
• Светопропускание: до 88–92 % (для прозрачных марок), что сопоставимо с силикатным стеклом.
• Ударная вязкость по Шарпи (с надрезом): 20–40 кДж/м².
• Предел прочности при растяжении: 60–70 МПа.
• Модуль упругости: 2,2–2,4 ГПа.
• Температура эксплуатации: от –40 °C до +120 °C (кратковременно до +145 °C).
• Температура размягчения по Вика: 145–150 °C.
• Коэффициент линейного теплового расширения: 6,5×10⁻⁵ К⁻¹.
• Водопоглощение за 24 часа: менее 0,2 %.

Материал обладает высокой химической стойкостью к большинству минеральных масел, спиртам, разбавленным кислотам и щелочам. Однако он разрушается под действием концентрированных щелочей, ацетона, бензола, аммиака и некоторых других органических растворителей.

Технология производства

Производство монолитного поликарбоната осуществляется методом экструзии. Процесс включает следующие этапы:

1. Сушка гранулята. Поликарбонатные гранулы предварительно высушивают при температуре 120–130 °C в течение 3–4 часов для удаления влаги (содержание влаги не должно превышать 0,02 %).
2. Плавление. Высушенные гранулы подаются в экструдер, где нагреваются до 260–300 °C и пластифицируются.
3. Формование. Расплав продавливается через плоскощелевую головку (фильеру) на полированные каландры, которые формируют лист заданной толщины.
4. Калибровка и охлаждение. Лист проходит через калибровочные валки и систему охлаждения.
5. Защита от УФ-излучения. На поверхность листа методом соэкструзии наносится слой УФ-стабилизатора толщиной 30–50 мкм.
6. Резка и упаковка. Охлаждённый лист нарезается на форматы (стандартные размеры: 2,05×3,05 м, 2,05×6,05 м) и защищается полиэтиленовой плёнкой.

Классификация и виды

Монолитный поликарбонат классифицируется по нескольким признакам:

По структуре поверхности:

• Гладкий (прозрачный, матовый, цветной).
• Структурированный (рифлёный, с регулярным микрорельефом для рассеивания света).

По цвету:

• Прозрачный (бесцветный).
• Тонированный (бронзовый, синий, зелёный, красный, жёлтый).
• Непрозрачный (белый, чёрный, серый).

По назначению:

• Общего назначения — для остекления, ограждений, навесов.
• Ударопрочный — для защитных барьеров (пуленепробиваемое остекление, защита банкоматов).
• Антивандальный — с повышенной стойкостью к царапинам и ударам.
• Пожаробезопасный — с добавками антипиренов (класс горючести Г1–Г2).

По толщине:

Выпускается в диапазоне от 0,5 до 20 мм. Наиболее распространённые толщины: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 мм.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая ударная прочность — в 200–250 раз прочнее силикатного стекла и в 10 раз прочнее акрилового стекла (оргстекла) при одинаковой толщине.
• Лёгкость — в 2 раза легче силикатного стекла (лист толщиной 4 мм весит около 4,8 кг/м²).
• Гибкость — допускает холодное гнутьё (радиус изгиба — не менее 150–200 толщин листа).
• Термостойкость — сохраняет свойства при температурах от –40 до +120 °C.
• Светопропускание — до 92 % для прозрачных марок.
• Технологичность — легко режется, сверлится, фрезеруется, склеивается.

Недостатки:

• Низкая стойкость к царапинам — поверхность легко повреждается абразивными частицами.
• Чувствительность к УФ-излучению — без защитного слоя материал желтеет и мутнеет на солнце в течение 2–3 лет.
• Высокий коэффициент теплового расширения — требует компенсационных зазоров при монтаже (3–5 мм на погонный метр).
• Хрупкость при низких температурах — при –40 °C ударная вязкость снижается на 30–40 %.
• Горючесть — относится к группе горючих материалов (Г3–Г4 без антипиренов), при горении выделяет угарный газ и фенол.

Применение

Монолитный поликарбонат используется в различных отраслях промышленности и строительства:

Строительство и архитектура:

• Остекление фасадов зданий, атриумов, зимних садов.
• Светопрозрачные купола и своды.
• Козырьки, навесы, остановки общественного транспорта.
• Ограждения балконов, террас, лестничных маршей.
• Звукоизоляционные экраны вдоль автомобильных трасс.

Промышленность:

• Защитные экраны для станков и оборудования.
• Смотровые окна в технологических аппаратах.
• Корпуса приборов и электронных устройств.
• Детали светотехнических изделий (рассеиватели, плафоны).

Транспорт:

• Остекление железнодорожных вагонов, автобусов, троллейбусов.
• Кабины и фонари самолётов и вертолётов.
• Стекла катеров и яхт.

Безопасность:

• Пуленепробиваемые и ударостойкие стёкла для банков, музеев, инкассаторских автомобилей.
• Защитные маски и щитки для сварщиков.
• Полицейские щиты.

Сельское хозяйство:

• Теплицы и парники (в том числе промышленные).
• Ограждения для животных.

Монтаж и обработка

Монолитный поликарбонат обрабатывается стандартными инструментами для дерева и металла:

• Резка: ручной или стационарной циркулярной пилой с мелким зубом, лобзиком, ножом (для тонких листов).
• Сверление: сверлами по металлу или дереву с углом заточки 60–80°, на низких оборотах (до 500 об/мин) без перегрева.
• Гнутьё: в холодном состоянии при радиусе не менее 150 толщин листа; при необходимости малого радиуса — с предварительным нагревом до 120–140 °C.
• Склеивание: специальными клеями на основе метиленхлорида, полиуретановыми или силиконовыми герметиками.

При монтаже необходимо учитывать тепловое расширение материала: между листом и элементами каркаса оставляют зазоры 3–5 мм на каждый метр длины. Крепление производится саморезами с термошайбами (уплотнительными прокладками) или с помощью алюминиевых профилей.

Сравнение с другими светопрозрачными материалами

Интересные факты

• Монолитный поликарбонат использовался при изготовлении иллюминаторов космического корабля «Аполлон» (NASA) и орбитальной станции «Мир».
• В 2014 году из монолитного поликарбоната толщиной 12 мм были изготовлены прозрачные полы смотровой площадки на 86-м этаже небоскрёба «1 Всемирный торговый центр» (Нью-Йорк), выдерживающие нагрузку до 500 кг/м².
• В России крупнейшими производителями монолитного поликарбоната являются компании «Казаньоргсинтез» (марка «Кариз») и «Пластэк» (марка «SafPlast»).
• Материал способен выдерживать падение стального шара массой 1 кг с высоты 2 метра без разрушения (для листа толщиной 4 мм).

Источники

1. ГОСТ Р 56712-2015 «Поликарбонат. Листы экструзионные. Технические условия».
2. Шварц, О. В. «Полимерные материалы в строительстве: свойства и применение». — М.: Издательство АСВ, 2018.
3. Технический бюллетень компании Bayer MaterialScience «Makrolon: Properties and Processing». — Leverkusen, 2012.
4. Справочник «Пластические массы» под ред. В. А. Кабанова. — М.: Химия, 2008.
5. Данные производителей: «Казаньоргсинтез», «Пластэк», Covestro (ранее Bayer MaterialScience), Sabic.