Poliwęglan: termoplastyczny następca szkła?

Poliwęglan jest jednym z najszybciej rozwijających się tworzyw konstrukcyjnych, w miarę definiowania nowych zastosowań; globalne zapotrzebowanie na ten materiał przekracza 2,7 mln ton. Odkrycie poliwęglanu datuje się na rok 1898, kiedy Einhorn, niemiecki chemik, zaobserwował powstawanie nierozpuszczalnego, nietopliwego ciała stałego, starając się wytworzyć cykliczne węglany poprzez reakcję hydrochinonu z fosgenem. W 1902 r. Bischoff i Hedenström otrzymali podobny usieciowany poliwęglan o dużej masie cząsteczkowej; dr W.H. Carothers przedłużył zaś prace nad produktem. Jednak dopiero w 1953 r. laboratoria Bayer wyprodukowały liniowy termoplastyczny poliwęglan o dużej masie cząsteczkowej. W 1957 r. Bayer i General Electric ogłosiły samodzielny rozwój PC, a latem 1960 r. obie firmy rozpoczęły jego produkcję komercyjną – Bayer pod nazwą handlową Makrolon, a GE pod nazwą Lexan. W 1970 r. zaczęto go stosować w osłonach hełmów astronautów i przednich szybach promów kosmicznych. Z kolei w 1971 r. wyeliminowano koniakowy odcień poliwęglanu. Nowy materiał jest przezroczysty jak szkło, dzięki czemu do pomieszczeń wpada naturalne światło dzienne. W 1982 r. wprowadzono na rynek pierwszą płytę audio CD, szybko zastępując taśmy audio wykonane z poliwęglanu. Pięć lat później rozpoczęto stosowanie poliwęglanu w różnych urządzeniach medycznych, w tym w oksygenatorach krwi, zbiornikach krwi, filtrach krwi i wkładach do dializy nerek. W 2010 r. wprowadzono gatunki poliwęglanu do mebli. Do dziś Bayer i GE rozwijają rozwiązania, które poprawiają jakość i łatwość naszego życia poprzez innowacje i realizację marzeń. 

Poliwęglany (PC) należą do tworzyw sztucznych, których unikalne własności czynią je niezbędnymi materiałami, trudnymi do zastąpienia przez inne polimery. Przezroczystość, doskonała wytrzymałość, stabilność termiczna i bardzo dobra stabilność wymiarowa sprawiają, że poliwęglan jest jednym z najczęściej stosowanych termoplastów konstrukcyjnych. Dyski kompaktowe, osłony przed zamieszkami, wandaloodporne szyby, butelki do karmienia niemowląt, elementy elektryczne, kaski ochronne i soczewki reflektorów to typowe zastosowania PC. Poliwęglan powstaje najczęściej w reakcji bis-fenolu A (otrzymanego przez kondensację fenolu z acetonem w warunkach kwasowych) z chlorkiem karbonylu w procesie międzyfazowym. PC należy do rodziny poliestrowych tworzyw sztucznych.

Właściwości

PC jest klasyfikowany jako „termoplastyczny” (w przeciwieństwie do „termoutwardzalnego”), co ma związek ze sposobem, w jaki tworzywo sztuczne reaguje na ciepło. Materiały termoplastyczne stają się płynne w wyższej temperaturze. Ich główną użyteczną cechą jest to, że można je podgrzewać do temperatury topnienia, chłodzić i ponownie podgrzewać bez znaczącej degradacji. Zamiast spalania, tworzywa termoplastyczne takie jak poliwęglan ulegają upłynnieniu, co pozwala na łatwe formowanie wtryskowe, a następnie recykling. Poliwęglan jest również materiałem amorficznym, co oznacza że nie wykazuje uporządkowanych właściwości krystalicznych ciał stałych. Zazwyczaj tworzywa amorficzne wykazują tendencję do stopniowego mięknienia (tj. mają szerszy zakres między temperaturą zeszklenia, a temperaturą topnienia), a nie do gwałtownego przejścia ze stanu stałego do ciekłego, jak ma to miejsce w przypadku polimerów krystalicznych. 

Poliwęglany są mocnymi, sztywnymi, twardymi, wytrzymałymi, przezroczystymi termoplastycznymi tworzywami konstrukcyjnymi, które mogą zachować sztywność do 140°C i wytrzymałość do -20°C (czasem nawet -40°C). Materiał jest amorficzny (dzięki czemu wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne i wysoką stabilność wymiarową), odporny termicznie do 135°C, a oceniany jest jako trudnopalny. W porównaniu ze szkłem, poliwęglan oferuje 200-krotnie większą wytrzymałość przy o połowę mniejszym ciężarze. Dzięki właściwościom izolacyjnym, zarówno termicznym jak i akustycznym, z powodzeniem zastępuje cięższe i mniej odporne na uderzenia szkło. Dodatkowo, jest polimerem samogasnącym i biologicznie obojętnym. 

żliwości formowania na zimno i na ciepło otwierają praktycznie nieograniczone opcje wykorzystania tego polimeru. Poliwęglan pozwala na dużą swobodę konstrukcyjną i wzorniczą. Formowane z niego elementy są lekkie, elastyczne i odporne na uderzenia. Z powodu bardzo słabej zdolności do krystalizacji polimeru, czyste produkty z poliwęglanu są bezbarwne i przejrzyste. Własności poliwęglanów są nieco podobne do pleksiglasu (szkło akrylowe o dużej przezroczystości), lecz poliwęglan jest dużo bardziej wytrzymały mechanicznie i jednocześnie znacznie droższy. Inną cechą PC jest bardzo duża giętkość. Można go typowo formować w temperaturze pokojowej, chociaż odkształcenie może być prostsze przy zastosowaniu ciepła. Ta cecha sprawia, że arkusze z poliwęglanu są szczególnie przydatne w zastosowaniach prototypowych, w których blacha jest mało opłacalna (np. gdy wymagana jest przezroczystość, lub gdy koniecznością jest materiał nieprzewodzący o dobrych właściwościach izolacji elektrycznej).

Ograniczenia w stosowaniu PC obejmują jego umiarkowaną odporność chemiczną i na zarysowania oraz tendencję do żółknięcia pod wpływem długotrwałej ekspozycji na światło UV. Jednak można je dość łatwo przezwyciężyć, stosując odpowiednie dodatki do mieszanki.

Produkcja

Produkcja poliwęglanu, podobnie jak innych tworzyw sztucznych, zaczyna się od destylacji paliw węglowodorowych na lżejsze grupy zwane „frakcjami”, z których wybrane są łączone z innymi katalizatorami w celu otrzymania tworzyw sztucznych (zwykle poprzez polimeryzację lub polikondensację). Najpowszechniejszy proces produkcyjny opiera się na reakcji bisfenolu A (BPA lub Bis-A) i fosgenu w procesie polimeryzacji międzyfazowej. Tutaj sól disodowa BPA rozpuszczona w wodzie reaguje z fosgenem rozpuszczonym w chlorowanym rozpuszczalniku organicznym, takim jak CH2Cl2 (chlorek metylenu). Jednak proces fosgenowy pociąga za sobą szereg wad, w tym toksyczność, stosowanie rozpuszczalnika o niskiej temperaturze wrzenia oraz produkowanie dużej ilości ścieków zawierających chlorek metylenu, które muszą być oczyszczane. Wykorzystanie stężonego wodorotlenku sodu i chlorowodoru dodaje problem korozji, który należy wziąć pod uwagę. 

Obecnie produkcja i stosowanie fosgenu w fabrykach są bardzo poważnie ograniczone na całym świecie. Istnieją firmy, które niezależnie opracowały i stosują procesy bezfosgenowe. Wszystkie wykorzystują to samo ogólne podejście, w którym polimeryzacja polega na transestryfikacji węglanu difenylu (DPC) za pomocą bisfenolu A. Jest to częściej określane jako proces stapiania, mający tę zaletę, że wytwarza produkt w postaci nierozcieńczonej, który można bezpośrednio granulować. Do wad należy zaliczyć konieczność posiadania sprzętu odpornego na wysokie temperatury i wysoką próżnię. Przewiduje się, że przy niższych kosztach budowy instalacji i niższych kosztach surowców ten rodzaj procesu będzie powszechnie stosowany do produkcji PC na całym świecie.

Mieszanki z innymi polimerami

W ostatnich latach mieszanki poliwęglanowe nabierają coraz większego znaczenia komercyjnego. PC jest w nich szeroko stosowany ze względu na doskonałą kompatybilność z szeregiem polimerów. Mieszanki poliwęglanowe mogą występować w całej gamie kolorów, od transparentnych aż do całkowicie nieprzezroczystych. Pod względem estetyki poliwęglan prezentuje najwyższy poziom wśród tworzyw technicznych. Typowe mieszanki obejmują PC modyfikowany kauczukiem, poprawiający właściwości udarnościowe, a także mieszanki PC/PBT, które pozwalają na zachowanie twardości w niższych temperaturach oraz mają lepszą odporność na paliwo i warunki atmosferyczne. Do najważniejszych należą również te zawierające ABS. Mieszanki PC/ABS wykazują wysoką płynność stopu, bardzo wysoką wytrzymałość w niskich temperaturach i lepszą odporność na pękanie naprężeniowe w porównaniu z PC. Wszystkie są wytwarzane w procesie mieszania tych polimerów. I właśnie technologia ich mieszania jest bardzo ważna dla stworzenia optymalnej morfologii i interakcji między dwiema fazami. W połączeniu z odpowiednim know-how w zakresie dodatków (uniepalnianie, stabilizacja, wzmocnienie) uzyskuje się mieszanki o optymalnie zrównoważonym zestawie właściwości. 

PC znajduje zastosowanie na wielu rynkach, w szczególności w branży motoryzacyjnej, szklarskiej, elektronicznej, maszyn biznesowych, nośników optycznych, medycznej, oświetleniowej i urządzeń. Produkty powstałe na bazie poliwęglanu nie zmieniają wymiarów pod wpływem temperatury oraz nie chłoną wody. Poliwęglan można spawać oraz sklejać, co ma duże znaczenie dla procesów produkcyjnych i końcowego wyglądu przedmiotów, które można z niego uzyskać. Jest też materiałem biologicznie obojętnym, który bez ryzyka może wchodzić w kontakt z żywnością oraz organizmem człowieka.

Zastosowanie

Ponad 80% aplikacji opartych na poliwęglanie wykorzystuje wysoką transparentność polimeru, która wynika z jego amorficznej struktury. Ten nowoczesny polimer, określany często jako zamiennik szkła, stosowany jest szeroko w budownictwie i przemyśle. Poliwęglany, ze względu na wyjątkowe właściwości, są wykorzystywane: 

• w przemyśle motoryzacyjnym do wyrobu dyfuzorów reflektorów, a dzięki dużej przezroczystości również do produkcji paneli przyrządów oraz kloszy lamp przednich, w niektórych przypadkach także lamp tylnych. Dodatkowo, niektóre zewnętrzne lub wewnętrzne elementy samochodów są wykonane z PC
• w produkcji opakowań, np. do wyrobu dużych butli do dystrybutorów wody. PC jest preferowany ze względu na dużą trwałość i stosunkowo niski koszt oraz długi okres użytkowania i niski koszt przetwórstwa. W przeszłości PC stosowano powszechnie do wyrobu butelek i opakowań dla przemysłu mleczarskiego oraz małych butelek do wody
• w przemyśle medycznym; ze względu na dobrą wytrzymałość mechaniczną, przezroczystość i możliwość prowadzenia sterylizacji służą przede wszystkim do produkcji elementów aparatów do dializy i natleniania krwi. Obok aplikacji typowo medycznych, coraz powszechniej (szczególnie w USA) poliwęglan jest stosowany do wyrobu szkieł optycznych, okularów przeciwsłonecznych, szkieł kontaktowych oraz osłon twarzy
• w przemyśle elektrotechnicznym i elektronicznym – dotyczy to prawie 29% wszystkich zastosowań poliwęglanów i jest to największy obszar ich wykorzystania. Początkowo poliwęglan służył do produkcji obudów szafek sterowniczych, elementów przełączników oraz obudów i oprawek lamp. Postępująca miniaturyzacja urządzeń elektronicznych sprawia, że również PC, ze względu na unikatowe właściwości mechaniczne i stabilność termiczną, jest bardziej preferowany niż ABS i ASA
• w budownictwie, jako pokrycia i naświetla połaciowe dachów oraz przeszklenia pionowe w obiektach przemysłowych, handlowych i sportowo-rekreacyjnych.

Z poliwęglanów wykonuje się również tablice i kasetony reklamowe, szyldy oraz klosze lamp ulicznych, które dzięki zastosowaniu właśnie tego materiału są odporne na uszkodzenia mechaniczne. Nie sposób wymienić wszystkich możliwych obszarów wykorzystania poliwęglanów, jednak wszędzie tam, gdzie niezbędna jest wysoka odporność, przezroczystość i możliwość formowania, to właśnie poliwęglan powinien być tworzywem pierwszego wyboru.

PC jest dostępny w postaci półfabrykatów blaszanych i okrągłych, co czyni go dobrym kandydatem do subtraktywnych procesów obróbki na frezarce lub tokarce. Kolory są zwykle ograniczone do jasnego, białego i czarnego. Części, które są obrabiane z czystego materiału, zwykle wymagają obróbki końcowej w celu usunięcia śladów narzędzi i przywrócenia przezroczystego charakteru. Ponieważ poliwęglan jest materiałem termoplastycznym, niektóre drukarki 3D są w stanie drukować za pomocą komputera przy użyciu procesu FDM. Materiał jest kupowany w formie filamentu, a drukarka 3D nagrzewa i układa filament w pożądanym kształcie 3D. 

PC coraz częściej zastępuje materiały, które są konwencjonalnie używane ze względu na ich optyczne właściwości transmisyjne. Umożliwia tworzenie końcowych produktów o różnych kształtach, które przylegają do wielu konwencjonalnych, innowacyjnych technik przetwórstwa tworzyw sztucznych. PC wykazuje dobre właściwości po zmieszaniu z innymi tworzywami konstrukcyjnymi. Ma on bardzo dobrą odporność temperaturową, dzięki czemu jest dostosowany do wykorzystania w wysokich temperaturach. Wszystkie te właściwości powodują wzrost zużycia PC na świecie oraz zminimalizowanie zużycia energii i zwiększenie wydajności. Z drugiej strony obserwuje się jednak konkurencję w motoryzacji, elektronice i budownictwie ze strony innych polimerów. 

Marta Lenartowicz-Klik

Literatura:

https://www.bpf.co.uk/plastipedia/polymers/polycarbonate.aspx
http://plastiquarian.com/?page_id=14277
http://guichon-valves.com/faqs/polycarbonate-pc-manufacturing-process-of-pc/
https://textileinsight.blogspot.com/2014/09/properties-of-polycarbonates.html
http://www.plastics.pl/produkty/tworzywa-techniczne/poliweglan-pc/poliweglan-pc-
https://www.poliweglan.com/poliweglan,wlasciwosci.html
https://mfiles.pl/pl/index.php/Poliwęglany
https://www.creativemechanisms.com/blog/everything-you-need-to-know-about-polycarbonate-pc
http://www.resinex.pl/rodzaje-polimerow/pc.html
http://tworzywa.com.pl/Wiadomości/Producenci-poliwęglanów-2006-21625.html
https://www.marketwatch.com/press-release/polycarbonate-market-size-2021-size-shares-top-region-industry-outlook-driving-factors-by-manufacturers-growth-and-forecast-2026-with-top-growth-companies-2021-06-22?tesla=y