Linha de extrusão de chapas alveolares de PC

Pesquisa e análise de mercado de métodos de polimerização para policarbonato (PC).

PC ocolinha de extrusão de chapaO policarbonato (PC) é um polímero que contém grupos carbonato na cadeia molecular, cuja fórmula estrutural molecular é mostrada na figura.

O PC é um polímero amorfo, vítreo e quase incolor, com boas propriedades ópticas, resistência ao calor, resistência ao impacto, resistência a ácidos e álcalis fracos e óleos neutros. O PC de alta massa molecular relativa possui alta tenacidade, mas é pouco resistente à hidrólise, sensível a lascas, pouco resistente a riscos, suscetível a certos solventes orgânicos, amarela com a exposição prolongada à luz ultravioleta e não pode ser usado em produtos submetidos repetidamente a vapor de alta pressão.

O policarbonato (PC) pode ser dividido em alifático, aromático, alifático-aromático e outros tipos, de acordo com a estrutura do grupo éster. Dentre eles, os PCs alifáticos e alifático-aromáticos apresentam propriedades mecânicas inferiores, o que limita sua aplicação em plásticos de engenharia; até o momento, apenas o PC aromático tem sido produzido industrialmente. Devido às suas peculiaridades estruturais, o PC tornou-se um dos plásticos de engenharia de uso geral de crescimento mais rápido, com excelente desempenho geral, sendo amplamente utilizado nas áreas de eletrônica e eletrodomésticos, embalagens, indústria automotiva, dispositivos médicos e equipamentos de proteção, e expandindo-se rapidamente para novos campos, como aeroespacial e aviação, componentes ópticos e informação optoeletrônica.

Processo de produção de PCs

Atualmente, existem três processos de produção de PC, a saber, policondensação na interface fotogás (também conhecida como método fotogás), policondensação por troca de éster fundido e policondensação por troca de éster fundido sem fotogás.

1. Policondensação interfacial fotogás

Primeiramente, o CO é obtido por oxidação parcial e purificação de carvão coqueificável ou alcanos de baixo carbono, enquanto o NaCl aquoso é eletrolisado para obter Cl2 e NaOH. O CO resultante reage com Cl2 para produzir a matéria-prima fosgênio, que sofre condensação interfacial com BPA em solução de CH2Cl2 para produzir PC.

Além disso, o NaOH produzido pela eletrólise atua como catalisador no processo de reação. A solução de PC obtida é inicialmente purificada por lavagem com grandes quantidades de água, seguida da adição de hexano ou tolueno e destilação para remoção de solventes como o CH₂Cl₂, obtendo-se assim os grânulos de PC. O PC seco é granulado utilizando um granulador por fusão. A reação é conduzida à pressão atmosférica e os materiais separados após a reação de policondensação, o licor-mãe obtido por centrifugação, o diclorometano e o ácido clorídrico são reciclados.

O processo é maduro, a qualidade do produto é alta, não há requisitos especiais quanto à pureza da matéria-prima, o equipamento de reação é relativamente simples e pode operar em condições de baixa temperatura e baixa pressão, mas os íons cloreto residuais no processo de preparação impactam a qualidade do produto. Além disso, a matéria-prima é o fosgênio, altamente tóxico e relativamente perigoso, e gera grande quantidade de gases e águas residuais.

A GE (General Electric) Plastics, a Bayer e a Mitsubishi Chemical combinam evaporação e precipitação no processo de pós-tratamento para remover impurezas solúveis com a ajuda de solventes e precipitantes, melhorando assim o efeito de purificação.

2. Policondensação por troca de éster fundido
A policondensação por troca de éster fundido é baseada no fenol como matéria-prima, o DPC é primeiro preparado por reação de fotogaseificação interfacial, então na presença de catalisadores (como haleto de lítio, hidróxido de lítio, haleto de lítio e alumínio e hidróxido de boro, etc.) e aditivos, o oligômero é obtido por reação de troca de éster com bisfenol A e posterior policondensação para obter produtos PC, o processo de reação é mostrado na equação (3).

O processo é menos dispendioso do que a policondensação interfacial com gás fotovoltaico, sendo relativamente simples e produzindo menos efluentes líquidos e gasosos. No entanto, ainda requer o uso do fosgênio, uma substância altamente tóxica, na preparação da matéria-prima DPC, e as impurezas contendo cloro resultantes podem desativar o catalisador alcalino por meio de reações de neutralização, reduzindo o desempenho do PC e causando o amarelamento do material.

3. Método de policondensação por troca de éster fundido sem fosgênio
Em 1978, a GE Plastics divulgou pela primeira vez uma patente para a carbonilação oxidativa do fenol com CO e O2 usando Pd como catalisador para produzir DPC, que foi então trocado com BPA no estado fundido para formar PC, conforme mostrado na equação (4).

O processo de carbonilação oxidativa do metanol com CO e O2 para formar carbonato de dimetila (DMC) foi divulgado pela primeira vez por Romano et al. em 1980. O DMC então sofreu uma reação de troca de éster com fenol para formar carbonato de tolueno (MPC), o MPC desproporcionou-se para formar DPC, e o DPC sofreu uma reação de policondensação de troca de éster com bisfenol A no estado fundido para produzir produtos PC, conforme mostrado na fórmula (5).

Em 1993, a GE Plastics assumiu a liderança na produção industrial de PC por meio de um processo sem fosgênio, utilizando um reator biaxial com capacidade de 25,000 t/a, tendo o CO₂ como matéria-prima.

O CO2 é uma matéria-prima não tóxica, não inflamável e biorrenovável, e sua atividade é menor em comparação com o CO, mas também pode ser usado como monômero de copolímero para produzir PC. A Ningbo Zhejiang Iron Dafeng Chemical Co., Ltd., na China, desenvolveu de forma independente um processo de produção de PC sem fosgênio, utilizando CO2 e óxido de propileno como matérias-primas, e a capacidade de produção anual atual é de 100,000 toneladas. A Asahi Kasei, no Japão, também desenvolveu um processo para a produção de PC sem fosgênio utilizando CO2, conforme mostrado na Figura 2.
O processo é realizado em ambiente anidro (exceto água de resfriamento) sem o uso de matérias-primas corrosivas. Os subprodutos metanol e fenol podem ser reciclados e o processo de reação produz dois produtos: PC de alta qualidade e MEG de alta pureza, sem geração de resíduos ou efluentes.
O processo não utiliza substâncias tóxicas, possui alta taxa de aproveitamento atômico e é praticamente livre de poluição. O excesso de matérias-primas e subprodutos pode ser reciclado durante o processo de produção, o que controla efetivamente os custos de produção.

Mercado de PCs e perspectivas de desenvolvimento

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da economia e a expansão de novas aplicações, o PC tornou-se um dos plásticos de engenharia de crescimento mais rápido, com os principais produtores concentrados nos Estados Unidos, Europa Ocidental e Japão, onde Bayer, GE Plastics, Dow Chemical e Teijin controlam a produção e o mercado mundial de PC.

Em 2020, a região Ásia-Pacífico representou cerca de 72.6% da demanda global por PCs, e a China se tornou o maior produtor e consumidor mundial de PCs. Com o forte apoio de políticas nacionais, a introdução de tecnologia de PCs por meio de joint ventures e o amadurecimento contínuo da tecnologia de produção nacional, grandes projetos de produção de PCs foram investidos, aumentando significativamente a capacidade produtiva do país e abrindo novas oportunidades de desenvolvimento para o setor.

As barreiras técnicas ao processo de produção de PCs são relativamente altas, e a China começou tarde. Antes de 2015, todas as fábricas de produção de PCs no país eram construídas por meio de joint ventures ou introdução de tecnologia, e a capacidade de produção era altamente concentrada. Desde então, empresas como a Wanhua Chemical e a Sichuan Zhonglan Guohua New Material desenvolveram diversas tecnologias de síntese de PCs com direitos de propriedade intelectual independentes, o que permitiu que a indústria de PCs da China se desenvolvesse e crescesse.

Atualmente, a maior parte da nova capacidade de produção mundial está concentrada na China. Em 2019, a capacidade de produção de PCs na China foi de 1.66 milhão de toneladas, um aumento de 31.74% em relação ao ano anterior, com uma taxa de utilização da capacidade de 58%. Em 2020, a capacidade de produção de PCs na China aumentou para 2.44 milhões de toneladas por ano e a produção para 1.185 milhão de toneladas.

O setor de PCs foi incluído na indústria nacional de alta tecnologia, nas principais indústrias estratégicas emergentes e nas dez áreas-chave descritas no programa “Made in China 2025”. Impulsionado por políticas nacionais e pelo investimento maciço em capacidade de produção doméstica, o futuro mercado interno de PCs deverá apresentar uma situação em que a oferta excederá a demanda, com uma estimativa conservadora de 2.41 milhões de toneladas por ano de capacidade de produção de PCs a serem liberadas na China até 2023, quando a capacidade total de produção de PCs da China estará próxima de 3.6 milhões de toneladas por ano.

Em comparação com o rápido crescimento da capacidade de produção de PCs, a demanda a jusante não acompanhou esse ritmo. De modo geral, o crescimento do consumo de PCs é lento e o setor entrou em um período de baixo desenvolvimento. O PC comum apresenta baixa resistência a impactos e a produtos químicos, o que o torna inadequado para muitas aplicações, enquanto as barreiras técnicas para a produção de produtos de alta qualidade são elevadas. Ao mesmo tempo em que expande a produção em ritmo acelerado, as empresas nacionais devem fortalecer a qualidade de seus produtos e superar o dilema do excesso de produtos de baixa qualidade e da escassez de produtos de alta qualidade, a fim de crescer e se desenvolver em um mercado altamente competitivo.

Dentre os três principais processos de produção de PC, o método sem fosgênio é não poluente para o meio ambiente, não gera subprodutos, requer baixo investimento, apresenta boa eficiência e resulta em produtos de alta qualidade, o que certamente será a direção futura do desenvolvimento do PC. Atualmente, o custo de produção de DPC de alta pureza pode ser reduzido pelo desenvolvimento de catalisadores eficientes e, além disso, reatores de alta eficiência podem ser projetados para torná-los adequados à produção de pré-polímeros de PC com alta viscosidade de fusão.

Embora a capacidade de produção e o consumo de PCs na China estejam aumentando, os produtos são geralmente materiais básicos, utilizados principalmente em embalagens, filmes e chapas, etc., com aplicações restritas e baixa margem de lucro. Os produtos de ponta utilizados em setores automotivo, de eletrodomésticos, eletrônicos e outros ainda dependem de joint ventures ou empresas estrangeiras. Com a liberação de maior capacidade produtiva, a oferta e a demanda estão gradualmente se aproximando do equilíbrio, a competição na indústria de PCs está se intensificando e as empresas enfrentam grandes desafios. Eliminar tecnologias prejudiciais ao meio ambiente, reduzir o custo de produção das matérias-primas para PCs, regular e aprimorar o desempenho dos produtos, desenvolver produtos de alto desempenho, reduzir o consumo de energia dos dispositivos, aumentar a competitividade dos dispositivos e fortalecer a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico independente no país são as direções futuras para o desenvolvimento da indústria de PCs.