Polycarbonats Aufstieg: Wie eine 1950er-Innovation moderne Materialien formte (Teil 11)

In den 1930er Jahren erlebte die Polymerindustrie einen Boom, wobei PVC, Polystyrol, Polyethylen, Acrylate und formbare Zellulose von Labor-Kuriositäten zu kommerziellen Produkten wurden.

In den 1940er Jahren wurde Polystyrols Schlagzähigkeit durch Beimischung von Butadienkautschuk gesteigert – auf Kosten seiner Transparenz. Copolymerisation von Polystyrol mit Acrylnitril ergab SAN, ein klares, hitze- und chemisch beständiges Material. Erneutige Zugabe von Butadien lieferte ABS, das Klarheit für Zähigkeit opferte.

Polycarbonat ist zum Material der Wahl geworden, wo immer Transparenz, Hitzebeständigkeit und Zähigkeit gefordert sind. (Foto: PolyOne)

Frühe transparente Polymere fielen in zwei Lager: harte, spröde Typen wie SAN und Acrylat, und weiche, zähe Zellulosics. Acrylate, Pionierarbeit von Chemikern wie Otto Röhm, etablierten sich als sichere, witterungsbeständige Alternative zu Glas. Die 1950er Jahre brachten jedoch eine Durchbruchchemie, die das Feld neu definieren sollte – Polycarbonat.

Polycarbonats Weg zum Markt spiegelt den vieler anderer Polymere wider: ein langwieriger Entwicklungszyklus, unterbrochen von Fehlstarts und zufälligen Entdeckungen, die letztlich weltweit zusammenliefen. Obwohl sein kommerzielles Debüt auf die späten 1950er Jahre datiert, geht die erste Laborsynthese auf 1898 zurück, als der deutsche Chemiker Alfred Einhorn – am bekanntesten für die Erfindung von Procain – Hydrochinon mit Phosgen zu einem Pre-Polymer reagieren ließ. Jahrzehnte der Experimentierung brachten jedoch kein kommerzielles Produkt hervor.

1928 produzierten Wallace Carothers und sein DuPont-Team frühe Polycarbonate während der Arbeit an Polyestern und Nylons. Obwohl Carothers' Materialien einen aliphatischen Rückgrat besaßen, waren ihre thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften unzureichend, was zur Einstellung der Forschung führte.

Der Wendepunkt kam 1953, als Hermann Schnells Team in Bayers Uerdinger Anlage das kommerziell tragfähige Polymer synthetisierte, das später als Makrolon vermarktet wurde. Eine Woche später entdeckte Dan Fox bei General Electric unabhängig dieselbe Verbindung während der Entwicklung eines neuen Drahtisoliermaterials. Beide Polymere waren chemisch identisch, unterschieden sich aber strukturell: Bayers Makrolon war linear, GEs Version verzweigt.

Beide Varianten waren klar – zunächst bernsteinfarben getönt bis 1971, als Verunreinigungen eliminiert wurden. Ihre Glasübergangstemperatur überstieg die jedes existierenden transparenten Polymers um etwa 50 °C (90 °F), und sie zeigten beispiellose Duktilität. Polycarbonat erweiterte damit den Anwendungsbereich klarer, zäher Materialien über vorherige Grenzen hinaus.

Die gleichzeitigen Entdeckungen führten zu rechtlichen Verhandlungen, aber im Gegensatz zu den langwierigen Streitigkeiten um HDPE und PP ermöglichte eine schnelle Einigung Bayer Priorität und eine Lizenz an GE. Obwohl GEs Marketing in den 1970ern und 1980ern den Eindruck erweckte, es sei der alleinige Inhaber, hielt Bayer letztlich die Erstrechte.

Bei einem Besuch in Pittsfield, Massachusetts, 1978 fiel der starke Kontrast zwischen GEs zurückhaltenden Leistungswandler- und Marinewaffen-Abteilungen und der auffällig dekorierten Kunststoffabteilung auf – ein visueller Hinweis darauf, wo die Gewinne wirklich lagen.

Heute hält weder Bayer noch GE exklusive Rechte. GE verkaufte seine Kunststoffsparte 2006 an Saudi Arabia Basic Industries (SABIC), und Bayer spaltete 2015 seine Polymerinteressen in Covestro aus, was einen breiteren Branchenwandel von schnellem Wachstum zu reifen, kapitalintensiven Operationen widerspiegelt.

Die Produktion begann bei Bayer 1958 und bei GE 1960. Polycarbonat fand schnell Anwendung in Elektronik, Bauwesen, Lebensmittelverpackung, Automobil, Luft- und Raumfahrt und Medizintechnik – überall dort, wo Klarheit und Zähigkeit gefordert sind. Brillengläser, Windschutzscheiben, Schutzschilde und Flugzeug-Cockpit-Canopies wurden zu Standard-PC-Komponenten. Fertigungsflexibilität ermöglichte Folien, Blasformen, Extrusion, Spritzguss und Thermoformung.

1981 betrat PC die Datenspeicher-Arena mit den ersten Compact Discs, bald gefolgt von DVDs. Seine hohe Glasübergangstemperatur machte es ideal für Dampfsterilisation, während sein aromatischer Rückgrat und seine amorphe Struktur für Gamma- und E-Strahl-Sterilisation geeignet waren. Spezialsorten erfüllen nun Biokompatibilitäts- und Lebensmittelkontaktstandards; UV-stabilisierte Sorten verlängern den Außeneinsatz, und flammwidrige Sorten wurden 1970 eingeführt.

Polycarbonat wird häufig gemischt, um die Leistung zu verbessern. Blends mit ABS, SAN, ASA, Polyestern und Polyurethanen haben sein Anwendungsspektrum erweitert. Die globale Produktion erreichte 2016 10 Milliarden lbs. Copolymere mit Polyestern drücken Betriebstemperaturen nahe 200 °C (392 °F), und die Einbindung von Siloxan-Chemie verbessert die Beständigkeit gegen Hydrolyse und umweltbedingtes Spannungsrisswachstum.

Trotz seiner Triumphe war Polycarbonats Reise nicht frei von Herausforderungen – diese werden wir im nächsten Teil untersuchen.

ÜBER DEN AUTOR: Michael Sepe ist ein unabhängiger Material- und Verarbeitungsberater mit Sitz in Sedona, Arizona, mit Kunden in ganz Nordamerika, Europa und Asien. Mit über 45 Jahren in der Kunststoffindustrie berät er zu Materialauswahl, Design für Fertigbarkeit, Prozessoptimierung, Fehlersuche und Schadensanalyse. Kontakt: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com