De geschiedenis van polymere materialen volgen:deel 11

Polycarbonaat is een populair materiaal geworden waar transparantie, hittebestendigheid en taaiheid vereist zijn. (Foto:PolyOne)

Tegenwoordig beschouwen we de vroege transparante polymeren als over het algemeen ofwel hard en bros, zoals SAN en acryl, of zacht en taai, zoals cellulose. Maar tijdens deze vroege ontwikkeling werden veel van deze materialen aangeboden als een veilig alternatief voor glas. Dit was met name het geval voor acryl, grotendeels ontwikkeld door de inspanningen van chemici als Otto Rohm. Acryl blijft een zeer veelzijdig alternatief voor glas, grotendeels vanwege hun uitstekende weerstand tegen weersinvloeden en ultraviolette straling. Maar het compromis tussen transparante materialen die zacht waren en materialen die hard en broos waren, veranderde dramatisch in het begin van de jaren vijftig met de creatie van een volledig nieuwe chemie die we tegenwoordig kennen als polycarbonaat.

De ontwikkeling van pc heeft gemeenschappelijke thema's met veel van de materialen die we eerder hebben besproken. De ontwikkeling ervan vond plaats over een langere periode met meerdere valse starts. De ontdekking van het materiaal dat uiteindelijk commercieel succesvol was, was toeval en vond bijna gelijktijdig plaats in verschillende delen van de wereld. Hoewel we het begin van de pc-productie associëren met het einde van de jaren vijftig, werd het materiaal voor het eerst gemaakt in het laboratorium in 1898 door de Duitse chemicus Alfred Einhorn, die aan de Universiteit van München werkte en doceerde met Adolf von Baeyer, de Nobelprijswinnende chemicus die eerst gesynthetiseerd en vervolgens fenolisch verlaten.

Einhorn is vooral bekend als de persoon die als eerste de lokale verdoving procaïne synthetiseerde, die beter bekend werd als Novocain. Maar in de jaren 1890 probeerde Einhorn cyclische carbonaten te synthetiseren en produceerde hij polycarbonaat door hydrochinon te laten reageren met fosgeen. Dertig jaar experimenteren in het lab door verschillende scheikundigen leverde geen commercieel succes op.

Maar de chemische reactie was het prototype van degene die uiteindelijk het polymeer produceerde dat we tegenwoordig gebruiken. In 1928 produceerden Wallace Carothers en zijn team bij DuPont ook pc's terwijl ze werkten aan de ontwikkeling van polyesters en nylons. Chemisch gezien hebben pc en polyester veel overeenkomsten, en de condensatiereacties die Carothers gebruikte om zijn materialen te produceren, leken erg op die welke uiteindelijk werden gebruikt om polycarbonaat te polymeriseren.

Maar de materialen die Carothers produceerde hadden een alifatische ruggengraatstructuur in tegenstelling tot de aromatische ruggengraat die het commerciële product kenmerkte. Bijgevolg werden de thermische, mechanische en chemische eigenschappen van deze vroege polycarbonaten niet als nuttig beschouwd en werden deze materialen ook op de plank gehouden.

Pas in 1953 creëerden Hermann Schnell en zijn team, werkzaam in de Bayer-fabriek in Uerdingen, Duitsland, de versie van polycarbonaat die het platform werd voor het huidige commerciële succes. Een week later stuitte Dan Fox van General Electric onafhankelijk op dezelfde verbinding terwijl hij werkte aan de ontwikkeling van een nieuw draadisolatiemateriaal. De twee versies van het polymeer waren chemisch hetzelfde, maar verschilden structureel. Het Bayer-materiaal, met de handelsnaam Makrolon in 1955, was een lineair polymeer, terwijl de ontdekking van GE een vertakt materiaal was.

De eigenschappen van de twee materialen leken erg op elkaar. Ze waren transparant, hoewel de eerste versies een amberkleurige tint hadden die pas in 1971 werd opgelost toen chemische onzuiverheden werden geëlimineerd. De materialen hadden ook een verwekingspunt van ongeveer 50º C (90º F) hoger dan alle bekende transparante materialen, comfortabel boven het kookpunt van water. En ze bezaten een mate van ductiliteit die veel hoger was dan enig ander transparant materiaal dat destijds bekend was. Met andere woorden, polycarbonaat breidde het scala aan toepassingen uit die door heldere polymeren konden worden vervuld, verder dan alles wat eerder mogelijk was.

De bijna gelijktijdige ontwikkeling van het polymeer door twee grote bedrijven zou naar verwachting een aanzienlijk niveau van juridische activiteit opleveren. Maar in tegenstelling tot de 30-jarige saga van juridische procedures die de ontwikkeling van HDPE en PP kenmerkten, werd de mogelijke strijd over de rechten op pc relatief snel beslecht met de afspraak dat het bedrijf dat uiteindelijk voorrang kreeg een licentie zou verlenen aan het andere bedrijf . De prioriteit werd aan Bayer gegeven, maar als je de verkoopliteratuur zou lezen die in de jaren zeventig en tachtig van de vorige eeuw van General Electric kwam of als je in die tijd Pittsfield, Mass. het intellectuele eigendom van pc bevond zich in de hallen van GE.

In 1978 bezocht ik Pittsfield tijdens de kerstvakantie. In die tijd had GE meer dan 5000 mensen in dienst in een stad met iets meer dan 50.000 inwoners. Deze medewerkers werkten bij de Power Transformer Division, de Naval Ordinance Division of de Plastics Division. Toen we langs de GE-faciliteiten reden, merkte ik dat de kerstversieringen voor de eerste twee complexen beslist ingetogen waren, terwijl de voorkant van het gebouw van de Plastics Division eruitzag als het huis van Chevy Chase in de film 'Christmas Vacation'. De persoon met wie ik op reis was, merkte op dat het gemakkelijk was om te zien welke divisie alle winst maakte.

Vandaag de dag bezitten noch Bayer noch GE de rechten op dit baanbrekende materiaal. In 2006 verkocht GE zijn volledige Plastics Division aan Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). In 2015 heeft de Material Science Division van Bayer haar interesse in polymeren overgedragen aan Covestro, onder leiding van een leider die in de jaren 80 en begin jaren 90 briljant onderzoek had gedaan naar polymeermengsels voor General Electric. Het is een commentaar op hoe de kunststofindustrie de afgelopen 20 jaar is veranderd van een snelgroeiende onderneming in een meer volwassen onderneming, en hoe de focus van grote bedrijven op kapitaalinvesteringen is verschoven van de wereld van polymeren.

Toch waren de jaren na de ontdekking onstuimige tijden. De productie van polycarbonaat begon bij Bayer in 1958 en bij General Electric in 1960. Toepassingen ontwikkelden zich snel op het gebied van elektriciteit en elektronica, constructie en verlichting, voedselverpakkingen, de auto- en ruimtevaartindustrie en medische apparatuur. In elke toepassing waar duidelijkheid en taaiheid vereist waren, werd pc het materiaal bij uitstek. Dit omvatte brillen, voorruiten, stroomlijnkappen en veiligheidsschermen voor motorfietsen en ATV's, en zelfs cockpitluifels voor vliegtuigen. Het polymeer bleek buitengewoon veelzijdig te zijn, produceerbaar in de vorm van film, waar het werd gebruikt als een zeer effectieve elektrische isolator, maar ook geschikt voor blaasvormen, extrusie, spuitgieten en thermovormen.

In 1981 betrad het materiaal de markt voor gegevensopslag met de creatie van de eerste compact disks, kort daarna gevolgd door dvd's. De hoge glasovergangstemperatuur van het materiaal maakte het geschikt voor sterilisatie met stoom en autoclaaftechnieken, en de aromatische chemie van de polymeerruggengraat in combinatie met de amorfe structuur heeft het ook tot een leidende kandidaat gemaakt voor sterilisatietechnieken met hoge energie, zoals gamma- en E-straal. Er zijn kwaliteiten ontwikkeld die voldoen aan de normen voor biocompatibiliteit en voedselcontact. UV-gestabiliseerde kwaliteiten werden ontwikkeld om de bruikbaarheid van het materiaal uit te breiden naar buitentoepassingen. De eerste vlamvertragende kwaliteiten werden ontwikkeld in 1970.

Polycarbonaat is ook een van de meest gebruikte polymeren in mengsels. Deze verbeteren enkele eigenschappen in gebieden waar het materiaal als kwetsbaar wordt beschouwd. Er zijn mengsels gemaakt met ABS, SAN, ASA, polyesters en polyurethanen. De wereldwijde productiecapaciteit bereikte in 2016 10 miljard lb. Copolymeren met polyesters hebben de bedrijfstemperaturen verhoogd tot bijna 200 C (392 F) en de opname van siloxaanchemie in de polymeerruggengraat heeft de weerstand tegen hydrolyse en omgevingsstress verbeterd, twee invloeden die altijd opmerkelijke zwakheden zijn geweest in het prestatieprofiel van het materiaal.

Ondanks al dit succes is de geschiedenis van pc niet zonder uitdagingen geweest. We zullen er een paar bekijken in onze volgende aflevering.

OVER DE AUTEUR:Michael Sepe is een onafhankelijke materiaal- en verwerkingsadviseur gevestigd in Sedona, Arizona, met klanten in Noord-Amerika, Europa en Azië. Hij heeft meer dan 45 jaar ervaring in de kunststofindustrie en staat klanten bij met materiaalkeuze, ontwerpen voor maakbaarheid, procesoptimalisatie, troubleshooting en storingsanalyse. Contactpersoon:(928) 203-0408 •[email protected]