Auf den Spuren der Geschichte polymerer Materialien:Teil 11

Während der 1930er Jahre erfolgte die Entwicklung und Kommerzialisierung neuer Polymere in rasantem Tempo. PVC, Polystyrol, Polyethylen, Acryl und formbare Zellulose sind in diesem Jahrzehnt alle erwachsen geworden. In den 1940er Jahren wurden die Eigenschaften von Polystyrol durch Zugabe von Butadien-Kautschuk erweitert, um die Schlagfestigkeit des Allzweckmaterials auf Kosten seiner Transparenz zu verbessern. Die Eigenschaften von Polystyrol wurden auch durch die Copolymerisation mit Acrylnitril zu SAN erweitert, einem klaren Material mit verbesserter Hitze- und Chemikalienbeständigkeit. Dieses Material wurde auch durch die Zugabe von Butadien-Kautschuk gehärtet, um ABS herzustellen, wiederum mit Transparenz als Opfer.

Polycarbonat ist überall dort ein beliebtes Material, wo Transparenz, Hitzebeständigkeit und Zähigkeit erforderlich sind. (Foto:PolyOne)

Heute betrachten wir die frühen transparenten Polymere als allgemein entweder hart und spröde, wie SAN und Acryl, oder als weich und zäh, wie die Cellulose. Doch in dieser frühen Entwicklungsphase wurden viele dieser Materialien als sichere Alternative zu Glas angeboten. Dies war insbesondere bei Acrylfarben der Fall, die größtenteils durch die Bemühungen von Chemikern wie Otto Rohm entwickelt wurden. Acryl bleibt eine sehr vielseitige Alternative zu Glas, vor allem aufgrund ihrer hervorragenden Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse und ultraviolette Strahlung. Aber der Kompromiss zwischen transparenten Materialien, die weich und hart und spröde waren, änderte sich Anfang der 1950er Jahre dramatisch mit der Entwicklung einer völlig neuen Chemie, die wir heute als Polycarbonat kennen.

Die Entwicklung von PC hat gemeinsame Themen mit vielen der Materialien, die wir zuvor besprochen haben. Seine Entwicklung erfolgte über einen längeren Zeitraum mit mehreren Fehlstarts. Die Entdeckung des Materials, das schließlich kommerziell erfolgreich war, war zufällig und geschah fast gleichzeitig in verschiedenen Teilen der Welt. Während wir den Beginn der PC-Produktion mit den späten 1950er Jahren verbinden, wurde das Material erstmals 1898 im Labor von dem deutschen Chemiker Alfred Einhorn hergestellt, der an der Universität München mit Adolf von Baeyer, dem Nobelpreisträger und Chemiker, der an der Universität München arbeitete und lehrte zuerst synthetisiertes und dann aufgegebenes Phenol.

Einhorn ist am besten bekannt als die Person, die als erster das Lokalanästhetikum Procain synthetisierte, das besser bekannt als Novocain wurde. Aber in den 1890er Jahren versuchte Einhorn, zyklische Carbonate zu synthetisieren und stellte Polycarbonat durch Umsetzung von Hydrochinon mit Phosgen her. Dreißig Jahre Experimentieren im Labor durch verschiedene Chemiker brachten keinen kommerziellen Erfolg.

Aber die chemische Reaktion war der Prototyp derjenigen, die schließlich das Polymer produzierte, das wir heute verwenden. Im Jahr 1928 produzierten Wallace Carothers und sein Team bei DuPont auch PCs, während sie an der Entwicklung von Polyestern und Nylons arbeiteten. Chemisch weisen PC und Polyester viele Ähnlichkeiten auf, und die Kondensationsreaktionen, die Carothers zur Herstellung seiner Materialien einsetzte, waren denen sehr ähnlich, die letztendlich zur Polymerisierung von Polycarbonat verwendet wurden.

Aber die Materialien, die Carothers produzierte, hatten eine aliphatische Rückgratstruktur im Gegensatz zu dem aromatischen Rückgrat, das das kommerzielle Produkt kennzeichnete. Folglich wurden die thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften dieser frühen Polycarbonate nicht als nützlich erachtet und diese Materialien wurden ebenfalls auf Eis gelegt.

Erst 1953 entwickelten Hermann Schnell und sein Team im Bayer-Werk in Uerdingen die Polycarbonat-Version, die zur Plattform für den heutigen kommerziellen Erfolg wurde. Eine Woche später stieß Dan Fox von General Electric unabhängig voneinander auf dieselbe Verbindung, während er an der Entwicklung eines neuen Drahtisoliermaterials arbeitete. Die beiden Versionen des Polymers waren chemisch gleich, unterschieden sich jedoch strukturell. Das Bayer-Material, das 1955 den Handelsnamen Makrolon trug, war ein lineares Polymer, während die Entdeckung von GE ein verzweigtes Material war.

Die Eigenschaften der beiden Materialien waren sehr ähnlich. Sie waren transparent, obwohl die ersten Versionen eine Bernsteintönung hatten, die erst 1971 behoben wurde, als chemische Verunreinigungen beseitigt wurden. Die Materialien hatten auch einen Erweichungspunkt von ungefähr 50º C (90º .) F) höher als alle bekannten transparenten Materialien, bequem über dem Siedepunkt von Wasser. Und sie besaßen eine Duktilität, die jedes andere damals bekannte transparente Material bei weitem übertraf. Mit anderen Worten, Polycarbonat erweiterte den Anwendungsbereich, der von klaren Polymeren erfüllt werden konnte, über alles, was bisher möglich war.

Die nahezu zeitgleiche Entwicklung des Polymers durch zwei große Unternehmen dürfte zu einer erheblichen rechtlichen Aktivität führen. Aber im Gegensatz zu den 30-jährigen Klagen, die die Entwicklung von HDPE und PP prägten, wurde der potenzielle Streit um die Rechte an PC relativ schnell mit der Vereinbarung beigelegt, dass das letztendlich vorrangige Unternehmen dem anderen Unternehmen eine Lizenz erteilen würde . Bayer wurde Vorrang eingeräumt, wenn Sie jedoch die Verkaufsliteratur von General Electric in den 1970er und 1980er Jahren lesen oder während dieser Zeit Pittsfield, Massachusetts, besuchen, können Sie den Schluss ziehen, dass alle das mit PC verbundene geistige Eigentum befand sich in den Hallen von GE.

1978 besuchte ich Pittsfield während der Weihnachtsferien. Zu dieser Zeit beschäftigte GE in einer Stadt mit knapp über 50.000 Einwohnern über 5000 Mitarbeiter. Diese Mitarbeiter waren in der Division Power Transformer, der Division Naval Ordinance oder in der Division Plastics tätig. Als wir an den GE-Anlagen vorbeifuhren, bemerkte ich, dass die Weihnachtsdekoration vor den ersten beiden Komplexen ausgesprochen dezent war, während die Vorderseite des Gebäudes der Plastics Division wie das Haus von Chevy Chase aus dem Film „Christmas Vacation“ aussah. Die Person, mit der ich unterwegs war, sagte, dass es leicht zu erkennen sei, welche Abteilung den ganzen Gewinn erwirtschafte.

Heute besitzen weder Bayer noch GE die Rechte an diesem bahnbrechenden Material. 2006 verkaufte GE seine gesamte Plastics Division an Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). Im Jahr 2015 gliederte die Bayer-Division Material Science ihre Beteiligung an Polymeren an Covestro aus, während sie unter der Leitung eines Marktführers stand, der in den 1980er und frühen 1990er Jahren für General Electric brillante Forschungen zu Polymerblends betrieben hatte. Es ist ein Kommentar dazu, wie sich die Kunststoffindustrie in den letzten 20 Jahren von einem schnell wachsenden Geschäft zu einem reiferen Unternehmen gewandelt hat und wie sich der Fokus großer Unternehmen auf Kapitalinvestitionen von der Welt der Polymere verlagert hat.

Dennoch waren die Jahre nach der Entdeckung berauschende Zeiten. Die Produktion von Polycarbonat begann 1958 bei Bayer und 1960 bei General Electric. Die Anwendungen entwickelten sich schnell in den Bereichen Elektro und Elektronik, Bauwesen und Beleuchtung, Lebensmittelverpackungen, Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie sowie medizinische Geräte. In allen Anwendungen, bei denen Klarheit und Zähigkeit erforderlich waren, wurde PC zum Material der Wahl. Dazu gehörten Brillen, Windschutzscheiben, Verkleidungen und Schutzschilde für Motorräder und ATVs und sogar Cockpitverdecks für Flugzeuge. Das Polymer erwies sich als äußerst vielseitig, als Folie herstellbar, wo es als sehr effektiver elektrischer Isolator Verwendung fand, sich aber auch für Blasformen, Extrusion, Spritzgießen und Thermoformen eignete.

1981 gelangte das Material mit der Entwicklung der ersten Compact Disks in den Datenspeichermarkt, kurz darauf folgten DVDs. Die hohe Glasübergangstemperatur des Materials machte es für die Sterilisation durch Dampf- und Autoklaventechniken geeignet, und die aromatische Chemie des Polymerrückgrats in Verbindung mit der amorphen Struktur hat es auch zu einem führenden Kandidaten für Hochenergie-Sterilisationstechniken wie Gamma- und E-Strahl. Es wurden Sorten entwickelt, die den Standards für Biokompatibilität sowie Lebensmittelkontakt entsprechen. UV-stabilisierte Typen wurden entwickelt, um den Nutzen des Materials auf Außenanwendungen auszudehnen. 1970 wurden die ersten flammhemmenden Typen entwickelt.

Polycarbonat ist auch eines der am häufigsten verwendeten Polymere in Blends. Diese verbessern einige der Eigenschaften in Bereichen, in denen das Material als anfällig gilt. Es wurden Mischungen mit ABS, SAN, ASA, Polyestern und Polyurethanen hergestellt. Die weltweite Produktionskapazität erreichte 2016 10 Milliarden lbs. Copolymere mit Polyestern haben die Betriebstemperaturen auf fast 200 . erhöht C (392 F) und der Einbau von Siloxan-Chemie in das Polymer-Rückgrat hat die Beständigkeit gegenüber Hydrolyse und Spannungsrissbildung in der Umgebung verbessert, zwei Einflüsse, die schon immer bemerkenswerte Schwächen im Leistungsprofil des Materials waren.

Trotz all dieses Erfolgs war die Geschichte des PCs nicht ohne Herausforderungen. Wir werden uns einige davon in unserer nächsten Ausgabe ansehen.

ÜBER DEN AUTOR:Michael Sepe ist ein unabhängiger Material- und Verarbeitungsberater mit Sitz in Sedona, Arizona, mit Kunden in ganz Nordamerika, Europa und Asien. Er verfügt über mehr als 45 Jahre Erfahrung in der Kunststoffindustrie und unterstützt Kunden bei der Materialauswahl, der Konstruktion auf Herstellbarkeit, der Prozessoptimierung, der Fehlersuche und der Fehleranalyse. Kontakt:(928) 203-0408 •[email protected]