خط إنتاج صفائح مجوفة من البولي كربونات

بحث وتحليل سوقي لطرق بلمرة البولي كربونات (PC)

فراغ الكمبيوترخط بثق الصفيحةالبولي كربونات (PC) هو بوليمر يحتوي على مجموعات الكربونات في السلسلة الجزيئية، وتظهر الصيغة التركيبية الجزيئية في الشكل.

البولي كربونات (PC) بوليمر زجاجي غير متبلور عديم اللون تقريبًا، يتميز بخصائص بصرية جيدة، ومقاومة للحرارة والصدمات، ومقاومة للأحماض والقلويات الضعيفة والزيوت المحايدة. يتميز البولي كربونات ذو الكتلة الجزيئية النسبية العالية بمتانة عالية، ولكنه ضعيف المقاومة للتحلل المائي، وحساس للتشقق، وضعيف المقاومة للخدش، ويتأثر ببعض المذيبات العضوية، ويصفر عند تعرضه لفترات طويلة للأشعة فوق البنفسجية، ولا يمكن استخدامه في المنتجات التي تتعرض بشكل متكرر لبخار عالي الضغط.

يمكن تقسيم البولي كربونات إلى أنواع أليفاتية، وعطرية، وأليفاتية-عطرية، وغيرها، وذلك وفقًا لبنية مجموعة الإستر. ومن بين هذه الأنواع، يتميز البولي كربونات الأليفاتية والأليفاتية-العطرية بخصائص ميكانيكية أقل، مما يحد من استخدامها في اللدائن الهندسية؛ ولم يُنتج صناعيًا حتى الآن سوى البولي كربونات العطرية. وبفضل خصائصه البنيوية المميزة، أصبح البولي كربونات أحد أسرع أنواع اللدائن الهندسية العامة نموًا، إذ يتمتع بأداء شامل ممتاز، ويُستخدم على نطاق واسع في مجالات الإلكترونيات والأجهزة الكهربائية، والحاويات الورقية، وصناعة السيارات، والأجهزة الطبية، ومعدات الحماية، ويتوسع استخدامه بسرعة ليشمل مجالات جديدة مثل الفضاء والطيران، والمكونات البصرية، والمعلومات الكهروضوئية.

عملية إنتاج أجهزة الكمبيوتر

يوجد حاليًا ثلاث عمليات إنتاج لـ PC، وهي: التكثيف الضوئي عبر واجهة الغاز (المعروف أيضًا باسم طريقة الغاز الضوئي)، والتكثيف الضوئي عبر تبادل الإستر المنصهر، والتكثيف الضوئي عبر تبادل الإستر المنصهر بدون غاز ضوئي.

1. التكثيف المتعدد بين الأسطح البينية للغاز الضوئي

أولاً، يتم الحصول على أول أكسيد الكربون عن طريق الأكسدة الجزئية وتنقية فحم الكوك أو الألكانات منخفضة الكربون، بينما يتم تحليل محلول كلوريد الصوديوم المائي كهربائياً للحصول على الكلور وهيدروكسيد الصوديوم. يتفاعل أول أكسيد الكربون الناتج مع الكلور لإنتاج مادة الفوسجين الخام، والتي تخضع لتكثيف سطحي مع ثنائي الفينول أ في محلول ثنائي كلورو الميثان لإنتاج كربونات البروبيلين.

بالإضافة إلى ذلك، يعمل هيدروكسيد الصوديوم الناتج عن التحليل الكهربائي كعامل مساعد في عملية التفاعل. يُنقى محلول البولي كربونات الناتج أولاً بغسله بكميات كبيرة من الماء، ثم يُضاف إليه الهكسان أو التولوين ويُقطر لإزالة المذيبات مثل ثنائي كلورو الميثان، وذلك للحصول على حبيبات البولي كربونات. يُحَبَّب البولي كربونات المجفف باستخدام مُحَبِّب صهر. يُجرى التفاعل عند الضغط الجوي، وتُعاد تدوير المواد المفصولة بعد تفاعل التكثيف، والمحلول الأم الناتج عن الطرد المركزي، وثنائي كلورو الميثان، وحمض الهيدروكلوريك.

العملية ناضجة، وجودة المنتج عالية، ولا توجد متطلبات خاصة لنقاء المواد الخام، ومعدات التفاعل بسيطة نسبيًا ويمكن إجراؤها في ظروف درجات حرارة وضغوط منخفضة، إلا أن أيونات الكلوريد المتبقية في عملية التحضير ستؤثر على جودة المنتج. إضافةً إلى ذلك، فإن المادة الخام هي الفوسجين شديد السمية، وهو مادة خطرة نسبيًا، في حين أن كمية الغازات والمياه العادمة المتولدة كبيرة.

تجمع شركات جنرال إلكتريك للبلاستيك، وباير، وميتسوبيشي كيميكال بين التبخير والترسيب في عملية المعالجة اللاحقة لإزالة الشوائب القابلة للذوبان بمساعدة المذيبات والمرسبات وتحسين تأثير التنقية.

2. بلمرة التكثيف بتبادل إسترات الذوبان
تعتمد عملية التكثيف بالتبادل الإستري المنصهر على الفينول كمادة خام، ويتم تحضير DPC أولاً عن طريق تفاعل التغويز الضوئي البيني، ثم في وجود المحفزات (مثل هاليد الليثيوم، وهيدروكسيد الليثيوم، وهاليد ألومنيوم الليثيوم، وهيدروكسيد البورون، وما إلى ذلك) والمواد المضافة، ثم يتم الحصول على الأوليغومر عن طريق تفاعل التبادل الإستري مع ثنائي الفينول أ، ثم التكثيف المتعدد للحصول على منتجات PC، وتظهر عملية التفاعل في المعادلة (3).

تُعدّ هذه العملية أقل تكلفة من عملية التكثيف البيني للغاز الضوئي، وهي بسيطة نسبيًا وتُنتج كميات أقل من مياه الصرف والغاز. مع ذلك، لا تزال العملية تتطلب استخدام الفوسجين شديد السمية في تحضير المادة الخام DPC، ويمكن للشوائب المحتوية على الكلور الناتجة أن تُعطّل المحفز القلوي من خلال تفاعلات التعادل، مما يُقلل من أداء PC ويُسبب اصفرار المادة.

3. طريقة التكثيف بالتبادل الإستري المنصهر بدون فوسجين
في عام 1978، كشفت شركة GE Plastics لأول مرة عن براءة اختراع للكربنة التأكسدية للفينول باستخدام CO و O2 باستخدام Pd كمحفز لإنتاج DPC، والذي تم استبداله بعد ذلك بـ BPA في الحالة المنصهرة لتشكيل PC، كما هو موضح في المعادلة (4).

تم الكشف عن عملية الكربنة التأكسدية للميثانول باستخدام CO و O2 لتكوين كربونات ثنائي الميثيل (DMC) لأول مرة بواسطة رومانو وآخرون في عام 1980. ثم خضع DMC لتفاعل تبادل إستر مع الفينول لتكوين كربونات التولوين (MPC)، وتفكك MPC لتكوين DPC، وخضع DPC لتفاعل تكثيف متعدد لتبادل الإستر مع ثنائي الفينول A في الحالة المنصهرة لإنتاج منتجات PC، كما هو موضح في الصيغة (5).

في عام 1993، أخذت شركة GE Plastics زمام المبادرة في الإنتاج الصناعي للبولي كربونات من خلال عملية غير فوسجين باستخدام مفاعل ثنائي المحور بسعة 25,000 طن/سنة باستخدام ثاني أكسيد الكربون كمادة خام.

ثاني أكسيد الكربون مادة خام غير سامة وغير قابلة للاشتعال ومتجددة بيولوجيًا، ونشاطه أقل مقارنةً بأول أكسيد الكربون، ولكنه يُستخدم أيضًا كمونومر في البوليمر المشترك لإنتاج البولي كربونات. طورت شركة نينغبو تشجيانغ للحديد دافنغ الكيميائية المحدودة في الصين عملية إنتاج البولي كربونات بطريقة خالية من الفوسجين باستخدام ثاني أكسيد الكربون وأكسيد البروبيلين كمواد خام، وتبلغ طاقتها الإنتاجية السنوية الحالية 100,000 طن. كما طورت شركة أساهي كاساي في اليابان عملية لإنتاج البولي كربونات بطريقة خالية من الفوسجين باستخدام ثاني أكسيد الكربون، كما هو موضح في الشكل 2.
تُجرى هذه العملية في بيئة خالية من الماء (باستثناء ماء التبريد) دون استخدام أي مواد خام أكالة. ويمكن إعادة تدوير المنتجات الثانوية، الميثانول والفينول، وتنتج عملية التفاعل منتجين: بولي كربونات عالي الجودة وأحادي إيثيلين جليكول عالي النقاء، دون أي نفايات أو انبعاثات سائلة.
لا تستخدم هذه العملية مواد سامة، وتتميز بمعدل استخدام ذري عالٍ، وهي خالية من التلوث بشكل أساسي. ويمكن إعادة تدوير المواد الخام الزائدة والمنتجات الثانوية أثناء عملية الإنتاج، مما يساهم في التحكم الفعال في تكاليف الإنتاج.

سوق أجهزة الكمبيوتر الشخصية وآفاق تطويرها

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع للاقتصاد وتوسع التطبيقات الجديدة، أصبح البولي كربونات أحد أسرع أنواع البلاستيك الهندسي نموًا، حيث يتركز المنتجون الرئيسيون في الولايات المتحدة وأوروبا الغربية واليابان، حيث تسيطر شركات باير وجي إي بلاستيكس وداو كيميكال وتيجين على إنتاج البولي كربونات وسوقه في العالم.

في عام 2020، استحوذت منطقة آسيا والمحيط الهادئ على نحو 72.6% من الطلب العالمي على أجهزة الكمبيوتر، وأصبحت الصين أكبر منتج ومستهلك لأجهزة الكمبيوتر في العالم. وبفضل الدعم القوي من السياسات الوطنية، واعتماد تكنولوجيا أجهزة الكمبيوتر من خلال المشاريع المشتركة، والتطور المستمر لتكنولوجيا الإنتاج المحلية، تم استثمار مبالغ طائلة في مشاريع إنتاج أجهزة الكمبيوتر، مما زاد بشكل كبير من الطاقة الإنتاجية المحلية، وفتح آفاقاً جديدة للنمو في هذا القطاع.

تُعدّ العوائق التقنية أمام عملية إنتاج أجهزة الكمبيوتر الشخصية مرتفعة نسبيًا، وقد بدأت الصين متأخرة في هذا المجال. فقبل عام 2015، كانت جميع مصانع إنتاج أجهزة الكمبيوتر الشخصية المحلية تُبنى من خلال مشاريع مشتركة أو عن طريق استيراد التكنولوجيا، وكانت القدرة الإنتاجية مُركّزة بشكل كبير. ومنذ ذلك الحين، طوّرت شركات مثل وان هوا كيميكال وسيتشوان تشونغ لان قوهوا للمواد الجديدة تقنيات تصنيع متنوعة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية مع حقوق ملكية فكرية مستقلة، مما مكّن صناعة أجهزة الكمبيوتر الشخصية في الصين من التطور والنمو.

تتركز حاليًا معظم طاقة الإنتاج الجديدة في العالم في الصين. ففي عام 2019، بلغت طاقة إنتاج الصين من مادة البولي كربونات 1.66 مليون طن، بزيادة قدرها 31.74% على أساس سنوي، مع معدل استغلال للطاقة الإنتاجية بلغ 58%. وفي عام 2020، ارتفعت طاقة إنتاج الصين من مادة البولي كربونات إلى 2.44 مليون طن سنويًا، وارتفع الإنتاج إلى 1.185 مليون طن.

أُدرجت صناعة الحواسيب الشخصية ضمن الصناعات الوطنية عالية التقنية، والصناعات الاستراتيجية الناشئة الرئيسية، والمجالات العشرة الرئيسية المذكورة في مبادرة "صنع في الصين 2025". وبفضل السياسات الوطنية والاستثمارات الضخمة في الطاقة الإنتاجية المحلية، من المتوقع أن يشهد سوق الحواسيب الشخصية المحلي في المستقبل وضعًا يتجاوز فيه العرض الطلب، مع تقدير متحفظ لإمكانية إطلاق طاقة إنتاجية تبلغ 2.41 مليون طن سنويًا في الصين بحلول عام 2023، ليقترب إجمالي الطاقة الإنتاجية للحواسيب الشخصية في الصين حينها من 3.6 مليون طن سنويًا.

بالمقارنة مع النمو السريع في طاقة إنتاج الحواسيب الشخصية، لم يتم تلبية الطلب النهائي في الوقت نفسه. وبشكل عام، يشهد استهلاك الحواسيب الشخصية تباطؤًا، ودخلت الصناعة مرحلة من الركود. تتميز الحواسيب الشخصية العادية بضعف مقاومتها للصدمات والمواد الكيميائية، مما يحد من استخدامها في العديد من المجالات، في حين أن التحديات التقنية لإنتاج منتجات عالية الجودة مرتفعة. لذا، في ظل التوسع السريع للإنتاج، يتعين على الشركات المحلية تعزيز جودة منتجاتها ومعالجة معضلة فائض المنتجات منخفضة الجودة ونقص المنتجات عالية الجودة، وذلك لضمان النمو والتطور في ظل المنافسة الشديدة في السوق.

من بين عمليات الإنتاج الرئيسية الثلاث للبولي كربونات، تُعدّ طريقة الإنتاج الخالية من الفوسجين غير ملوثة للبيئة، ولا تُنتج أي منتجات ثانوية، وتتميز بانخفاض تكلفتها، وكفاءتها العالية، وجودة منتجاتها النهائية، مما يجعلها بلا شكّ اتجاه التطوير المستقبلي للبولي كربونات. ويمكن حاليًا خفض تكلفة إنتاج البولي كربونات ثنائي الفوسفات عالي النقاء من خلال تطوير محفزات فعّالة، بالإضافة إلى إمكانية تصميم مفاعلات عالية الكفاءة لتكون مناسبة لإنتاج البوليمرات الأولية للبولي كربونات ذات لزوجة انصهار عالية.

على الرغم من تزايد الطاقة الإنتاجية واستهلاك الحواسيب الشخصية في الصين، إلا أن المنتجات المستخدمة حاليًا تقتصر عمومًا على المواد الخام، وتُستخدم بشكل رئيسي في التغليف والأغشية والصفائح، وغيرها، ما يحد من استخداماتها ويخفض أرباحها. أما المنتجات المتطورة المستخدمة في قطاعات السيارات والأجهزة المنزلية والإلكترونيات وغيرها، فلا تزال تعتمد على المشاريع المشتركة أو الشركات الأجنبية. ومع زيادة الطاقة الإنتاجية المتاحة، يقترب العرض والطلب تدريجيًا من التوازن، ما يزيد من حدة المنافسة في صناعة الحواسيب الشخصية ويضع الشركات أمام تحديات كبيرة. ويُعدّ التخلص من التقنيات غير الصديقة للبيئة، وخفض تكلفة إنتاج المواد الخام للحواسيب الشخصية، وتنظيم أداء المنتجات وتحسينه، وتطوير منتجات عالية الأداء، وخفض استهلاك الطاقة للأجهزة، وتعزيز قدرتها التنافسية، وزيادة قوة البحث والتطوير المستقلة للتكنولوجيا المحلية، التوجه المستقبلي لتطوير صناعة الحواسيب الشخصية.