Polycarbonaats opkomst: Hoe een jaren '50 innovatie moderne materialen vormde (Deel 11)

Tijdens de jaren '30 ervoer de polymere industrie een bloei, met PVC, polystyreen, polyethyleen, acrylaat, en vormbare cellulose die van laboratoriumcuriosa naar commerciële producten evolueerden.

In de jaren '40 werd polystyreens impactsweerstand verbeterd door mengen met butadieenrubber – ten koste van de transparantie. Copolymeriseren van polystyreen met acrylonitriel leverde SAN op, een helder, hitte- en chemisch bestendig materiaal. Het toevoegen van butadieen opnieuw gaf ABS, dat helderheid offerde voor zwaartekracht.

Polycarbonaat is het materiaal van keuze waar transparantie, hittebestendigheid, en zwaartekracht vereist zijn. (Foto: PolyOne)

Vroege transparante polymeren vielen in twee kampen: harde, bros typen zoals SAN en acrylaat, en zachte, zwaarte celluloseacetaten. Acrylaten, geïnnoveerd door chemici zoals Otto Röhm, bleken een veilige, weerbestendige alternatief voor glas. De jaren '50 brachten echter een doorbraakchemie die het veld zou herdefiniëren – polycarbonaat.

Polycarbonaats weg naar de markt spiegelt die van veel andere polymeren: een langdurige ontwikkelingscyclus onderbroken door valse starts en toevallige ontdekkingen die uiteindelijk wereldwijd convergeerden. Hoewel de commerciële debuut wordt herleid tot de late jaren '50, dateert de eerste laboratoriumsynthese uit 1898, toen de Duitse chemicus Alfred Einhorn – bekend om het uitvinden van procaine – hydrochinon met fosgeen reageerde om een pre-polymeer te creëren. Decennialang experimenteren leverde echter geen commercieel product op.

In 1928 produceerde Wallace Carothers en zijn DuPont-team vroege polycarbonaat terwijl ze werkten aan polyesters en nylons. Hoewel Carothers’ materialen een alifatische ruggengraat bezaten, waren hun thermische, mechanische, en chemische eigenschappen onvoldoende, wat leidde tot het opschuiven van het onderzoek.

De keerpunt kwam in 1953 toen Hermann Schnell’s team bij Bayer’s Uerdingen faciliteit het commercieel levensvatbare polymeer synthetiseerde dat later gebrandmerkt zou worden als Makrolon. Een week later ontdekte Dan Fox bij General Electric onafhankelijk hetzelfde component tijdens het ontwikkelen van een nieuw draadisolatiemateriaal. Beide polymeren waren chemisch identiek, maar verschillen structureel: Bayer’s Makrolon was lineair, GE’s versie was vertakt.

Beide varianten waren helder – initieel amber-getint tot 1971, toen onzuiverheden werden geëlimineerd. Hun glasovergangstemperatuur overschreed die van elk bestaand transparant polymeer met ongeveer 50 °C (90 °F), en ze vertoonden ongekende duktiliteit. Polycarbonaat breidde zo de toepassing van heldere, zware materialen uit voorbij eerdere grenzen.

De gelijktijdige ontdekkingen leidden tot juridische onderhandelingen, maar in tegenstelling tot de langdurige geschillen over HDPE en PP, leidde een snelle schikking tot prioriteit voor Bayer en een licentie voor GE. Hoewel GE’s marketing in de jaren '70 en '80 het leek alsof ze de enige eigenaar was, had Bayer uiteindelijk de eerste rechten.

Tijdens een bezoek in 1978 aan Pittsfield, Massachusetts, noteerde ik het scherpe contrast tussen GE’s onderkoelde power-transformer en navale ordonnansie divisies en de flamboyant gedecoreerde kunststofafdeling, een visuele aanwijzing waar de winst werkelijk lag.

Vandaag de dag bezitten noch Bayer noch GE exclusieve rechten. GE verkocht zijn Plastics Division aan Saudi Arabia Basic Industries (SABIC) in 2006, en Bayer spin-off zijn polymere belangen naar Covestro in 2015, wat een bredere industryshift weerspiegelt van snelle groei naar volwassen, kapitaalintensieve operaties.

Productie startte bij Bayer in 1958 en bij GE in 1960. Polycarbonaat vond snel toepassing in elektronica, constructie, voedselverpakking, automotive, aerospace, en medische hulpmiddelen – elke toepassing die helderheid en zwaartekracht eist. Brilglazen, voorruitjes, veiligheidsschilden, en vliegtuig cockpithoofden werden standaard PC componenten. Productieflexibiliteit maakte films, blaasgegolfde, geëxtrudeerde, injectgegolfde, en thermogeformeerde onderdelen mogelijk.

In 1981 trad PC de data-opslag arena met de eerste compacte discs, snel gevolgd door DVDs. De hoge glasovergangstemperatuur maakte het ideaal voor stoomsterilisatie, terwijl de aromatische ruggengraat en amorfe structuur geschikt was voor gamma en e-bundel sterilisatie. Gespecialiseerde graden voldoen nu aan biocompatibiliteit en voedselcontact standaarden; UV-gestabiliseerde graden verlengen buitenshuisgebruik, en vlamvertragende graden werden voor het eerst in 1970 geïntroduceerd.

Polycarbonaat wordt vaak gemengd om prestaties te verbeteren. Blends met ABS, SAN, ASA, polyesters, en polyurethanen hebben het toepassingsspectrum verbreed. Mondiale productie bereikte 10 miljard lb in 2016. Copolymeren met polyesters duwen Betriebstemperaturen dicht bij 200 °C (392 °F), en het incorporeren van siloxaanchemie verbetert resistentie tegen hydrolyse en omgevingsstress-kraken.

Ondanks de successen, is polycarbonaats reis niet vrij geweest van uitdagingen – die we in de volgende aflevering zullen verkennen.

OVER DE AUTEUR: Michael Sepe is een onafhankelijk materialen- en verwerkingsconsultant gevestigd in Sedona, Ariz., met klanten doorheen Noord-Amerika, Europa, en Azië. Met meer dan 45 jaar in de kunststofindustrie, adviseert hij over materiaalselectie, ontwerp voor fabricageerbaarheid, procesoptimalisatie, probleemoplossing, en falingsanalyse. Contact: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com

Evonik’s nieuwe Nylon 12 compound levert V-0 brandbescherming voor hoogspannings EV busbars DuPont Delrin Renewable Attributed: Regina kiest 100% bio-based acetal voor transportbandcomponenten

Hars

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal