Plastiques techniques : Polycarbonate (PC) – Propriétés, applications et développement (1)

Définition et structure du polycarbonate

Le polycarbonate est un terme générique désignant une classe de polymères de haut poids moléculaire contenant des groupes carbonate dans leurs chaînes moléculaires. Selon la structure des groupes esters, on peut les classer en différents types, tels que les polycarbonates aliphatiques, les polycarbonates alicycliques et les polycarbonates aromatiques. Parmi eux, les polycarbonates aliphatiques et aliphatiques-aromatiques ont des applications limitées dans le domaine des plastiques techniques en raison de leurs faibles propriétés mécaniques.

Actuellement, le principal type de polycarbonate produit industriellement est le polycarbonate aromatique, notamment le polycarbonate aromatique de type bisphénol A. Sa formule chimique est le produit de polycondensation du bisphénol A avec du phosgène ou du carbonate de diphényle. Cette structure moléculaire unique confère au polycarbonate d'excellentes propriétés qui le distinguent de nombreux autres matériaux.

Propriétés du polycarbonate

(I) Propriétés optiques

Le polycarbonate offre une transparence exceptionnelle, avec une transmission lumineuse de plus de 90 %, proche de celle du verre inorganique, ce qui lui confère une excellente performance optique. Qu'il soit utilisé dans la fabrication de composants optiques de précision tels que des disques optiques, des lentilles et des verres optiques, ou dans des produits optiques du quotidien comme de grands abat-jour, des verres de protection et des vitres, le polycarbonate offre une expérience visuelle claire grâce à sa grande transparence. De plus, sa grande adaptabilité à la teinture permet aux produits de présenter une grande variété de couleurs, répondant ainsi aux exigences esthétiques de différents scénarios.

(II) Propriétés mécaniques

Le polycarbonate présente une excellente résistance aux chocs, avec une résistance au choc Izod entaillé atteignant 600-900 J/m, ce qui le place parmi les meilleurs plastiques techniques. Sa rigidité et sa robustesse lui permettent de résister à des impacts externes importants sans se rompre facilement. Ces performances mécaniques supérieures constituent une base solide pour son application dans de nombreux domaines exigeant une résistance et une résistance aux chocs élevées.

De plus, la résistance à la traction et à la flexion du polycarbonate est comparable à celle du nylon et du polyoxyméthylène, se démarquant ainsi parmi les thermoplastiques et approchant celle des résines phénoliques renforcées de fibres de verre ou des polyesters insaturés. De plus, les pièces moulées peuvent répondre à des exigences de tolérance de haute précision et conserver une stabilité dimensionnelle dans de nombreuses conditions environnementales, avec un taux de retrait au moulage constant de 0,5 à 0,7 %. Il présente également une excellente résistance au fluage.

(III) Propriétés thermiques

Le polycarbonate présente une température de transition vitreuse d'environ 147 °C et une température de déformation à chaud de 135 °C, ce qui lui permet d'être utilisé de manière stable pendant de longues périodes, dans une plage de températures allant de -45 °C à 120 °C. Cette excellente stabilité thermique lui permet de s'adapter à des environnements de travail complexes et variés ; que ce soit dans les régions polaires froides ou les climats tropicaux chauds, les produits en polycarbonate peuvent fonctionner normalement.

De plus, le polycarbonate fond à 220-230 °C et présente une température de décomposition thermique supérieure à 310 °C. C'est une résine auto-extinguible, ce qui renforce sa sécurité d'utilisation dans des environnements à haute température.

(IV) Stabilité chimique

Le polycarbonate présente une bonne résistance aux acides faibles, aux bases faibles et aux huiles neutres, et peut maintenir des performances stables dans des environnements contenant ces substances chimiques. Cependant, il est relativement sensible aux bases fortes et sujet à la corrosion par celles-ci, et sa résistance aux UV est relativement faible.

Par conséquent, dans les applications pratiques, des traitements de protection ou de modification appropriés doivent être appliqués au polycarbonate en fonction de l'environnement de service spécifique pour prolonger sa durée de vie.

Procédés de production du polycarbonate

(I) Méthode au phosgène (polycondensation interfaciale)

La méthode au phosgène est actuellement l'un des procédés les plus répandus pour la production de polycarbonate. Dans ce procédé, le bisphénol A réagit avec le phosgène en solution alcaline pour former du PC de haut poids moléculaire. L'avantage de cette méthode est qu'elle permet d'obtenir des polycarbonates d'une grande pureté et d'une excellente qualité.

Cependant, le phosgène est un gaz hautement toxique qui nécessite des mesures de sécurité strictes lors de sa production afin de garantir la sécurité des opérateurs et de l'environnement. De plus, il impose des exigences extrêmement strictes en matière d'étanchéité et de résistance à la corrosion des équipements de production, ce qui augmente les coûts de production et les défis techniques.

(II) Méthode de transestérification (polycondensation à l'état fondu)

La transestérification est un autre procédé de production important du polycarbonate. Elle utilise du carbonate de diphényle et du bisphénol A comme matières premières pour réaliser des réactions de polycondensation à haute température et sous vide.

Cette méthode présente un déroulement relativement simple et ne nécessite pas l'utilisation de phosgène hautement toxique, ce qui réduit dans une certaine mesure les risques de sécurité lors du processus de production. Cependant, la méthode de transestérification présente également des inconvénients. Par exemple, la masse moléculaire du polycarbonate produit est relativement faible et ses performances peuvent être inférieures à celles du polycarbonate produit par la méthode au phosgène sur certains aspects. Par conséquent, cette méthode est plus adaptée à la production de produits à faible viscosité ne nécessitant pas de masse moléculaire élevée.

État actuel de l'industrie du polycarbonate

(I) Capacité de production et rendement mondiaux

La capacité de production mondiale de polycarbonate (PC) continue de croître, même si le rythme de croissance ralentit progressivement. En 2024, la capacité de production mondiale de PC a augmenté de 4,7 % en glissement annuel, avec une production en hausse de 4,0 % en glissement annuel, et le taux d'exploitation moyen des installations de production s'est établi à 63,5 %.

La concentration régionale de la production mondiale de PC se déplace vers l'Asie du Nord-Est, principalement concentrée dans des régions comme l'Asie du Nord-Est, l'Europe occidentale et l'Amérique du Nord. En 2024, l'Asie du Nord-Est représentait 66,3 % de la capacité de production mondiale de PC, se classant au premier rang ; l'Europe occidentale représentait 12,9 % ; et l'Amérique du Nord 10,3 %.

La concurrence dans le secteur est très concentrée. En 2024, on comptait plus de 30 grands fabricants mondiaux de PC, et la capacité de production des 10 premiers représentait 71,8 % de la capacité de production mondiale totale. Parmi eux, Covestro est le premier producteur mondial de PC.

(II) Situation du commerce international

En 2023, la valeur totale du commerce international de polycarbonate (PC) s'est élevée à 8,93 milliards USD, soit une baisse de 23,5 % en glissement annuel, avec un volume total d'échanges de 3,232 millions de tonnes, en baisse de 15,6 % par rapport à l'année précédente. En termes de prix, le prix moyen mondial à l'exportation du PC s'est établi à 2 761,6 USD la tonne, soit une baisse de 9,4 % en glissement annuel.

La Chine, l'Inde et le Mexique sont les principaux pays importateurs de PC au monde, leurs importations totales représentant environ 43,9 % du total des importations mondiales. La Corée du Sud, la Thaïlande et la Chine sont les principaux pays exportateurs, dont les exportations totales représentent environ 44,4 % du total des exportations mondiales.

(III) Situation du marché chinois

La croissance de la capacité de production de PC en Chine a ralenti. Ces dernières années, la capacité de production chinoise a connu une expansion rapide, et le phénomène évident de pénurie d'approvisionnement dans le secteur s'est considérablement amélioré. Ces deux dernières années, le secteur a commencé à revenir à la rationalité, avec un rythme d'expansion des capacités nettement ralenti, passant progressivement de l'expansion rapide précédente à l'optimisation des stocks existants et à l'amélioration de l'efficacité.

En 2024, la capacité de production de PC de la Chine a augmenté de 13,1 % en glissement annuel, et sa production a augmenté de 22,6 % en glissement annuel. Les importations chinoises de PC ont continué de diminuer tandis que les exportations ont continué d'augmenter. En 2024, les importations chinoises de PC ont chuté de 14,8 % en glissement annuel, et les exportations ont augmenté de 34,6 % en glissement annuel.

Les importations chinoises de PC proviennent principalement du commerce général et de la transformation de matériaux importés, représentant respectivement 69,6 % et 18,9 % du total des importations. Les PC importés en Chine proviennent principalement de pays et de régions tels que la Corée du Sud, la Thaïlande et la province chinoise de Taiwan, représentant environ 60,3 % du total des importations.

La consommation apparente de PC en Chine a augmenté de 8,9 % sur un an, et le taux d'autosuffisance a progressé de 9,9 points de pourcentage. Avec l'achèvement et la mise en service de plusieurs nouvelles installations et l'agrandissement de celles-ci, la capacité de production de PC en Chine va encore augmenter, et le volume de l'offre va également croître rapidement. Bien que les produits issus des nouvelles installations ne soient pas encore suffisants pour remplacer rapidement et efficacement les matériaux importés, le taux d'autosuffisance a considérablement augmenté et la dépendance aux matières premières étrangères a sensiblement diminué.