Seguimiento de la historia de los materiales poliméricos:Parte 11

A lo largo de la década de 1930, el desarrollo y la comercialización de nuevos polímeros se produjeron a un ritmo rápido. PVC, poliestireno, polietileno, acrílico y celulósicos moldeables alcanzaron la mayoría de edad en esta década. En la década de 1940, las propiedades del poliestireno se habían ampliado al agregar caucho de butadieno para mejorar el impacto del material de uso general a expensas de su transparencia. Las propiedades del poliestireno también se ampliaron mediante la copolimerización con acrilonitrilo para hacer SAN, un material transparente con mejor resistencia térmica y química. Este material también se endureció con la adición de caucho de butadieno para hacer ABS, nuevamente con la transparencia como una casualidad.

El policarbonato se ha convertido en un material de referencia dondequiera que se requiera transparencia, resistencia al calor y dureza. (Foto:PolyOne)

Hoy en día, consideramos que los primeros polímeros transparentes generalmente eran duros y quebradizos, como SAN y acrílico, o blandos y resistentes, como los celulósicos. Pero durante este período de desarrollo temprano, muchos de estos materiales se ofrecieron como una alternativa segura al vidrio. Este fue particularmente el caso de los acrílicos, desarrollados en gran parte gracias a los esfuerzos de químicos como Otto Rohm. Los acrílicos siguen siendo una alternativa muy versátil al vidrio, en gran parte debido a su excelente resistencia a los efectos de la intemperie y la radiación ultravioleta. Pero el compromiso entre los materiales transparentes que eran blandos y los que eran duros y quebradizos cambió drásticamente a principios de la década de 1950 con la creación de una química completamente nueva que conocemos hoy como policarbonato.

El desarrollo de PC comparte temas comunes con muchos de los materiales que hemos discutido anteriormente. Su desarrollo se produjo durante un período prolongado de tiempo con múltiples comienzos en falso. El descubrimiento del material que finalmente tuvo éxito comercial fue accidental y ocurrió casi simultáneamente en diferentes partes del mundo. Si bien asociamos el comienzo de la producción de PC con fines de la década de 1950, el material fue creado por primera vez en el laboratorio en 1898 por el químico alemán Alfred Einhorn, quien trabajó y enseñó en la Universidad de Munich con Adolf von Baeyer, el químico ganador del Premio Nobel que fenólico primero sintetizado y luego abandonado.

Einhorn es mejor conocido como la persona que fue la primera en sintetizar el anestésico local procaína, que se hizo más conocida como novocaína. Pero en la década de 1890, Einhorn intentaba sintetizar carbonatos cíclicos y produjo policarbonato haciendo reaccionar hidroquinona con fosgeno. Treinta años de experimentación en el laboratorio por parte de varios químicos no produjeron ningún éxito comercial.

Pero la reacción química fue el prototipo de la que eventualmente produjo el polímero que usamos hoy. En 1928, Wallace Carothers y su equipo en DuPont también produjeron PC mientras trabajaban en el desarrollo de poliésteres y medias de nailon. Químicamente, la PC y el poliéster poseen muchas similitudes, y las reacciones de condensación que Carothers estaba empleando para producir sus materiales eran muy similares a las que se usaron finalmente para polimerizar policarbonato.

Pero los materiales que produjo Carothers tenían una estructura principal alifática en contraposición a la estructura aromática que caracterizaba al producto comercial. En consecuencia, las propiedades térmicas, mecánicas y químicas de estos primeros policarbonatos no se consideraron útiles y estos materiales también se archivaron.

No fue hasta 1953 que Hermann Schnell y su equipo, trabajando en las instalaciones de Bayer en Uerdingen, Alemania, crearon la versión de policarbonato que se convirtió en la plataforma de su éxito comercial actual. Una semana después, Dan Fox de General Electric se topó de forma independiente con el mismo compuesto mientras trabajaba para desarrollar un nuevo material aislante de cables. Las dos versiones del polímero eran químicamente iguales pero diferían estructuralmente. El material de Bayer, cuyo comercio se llamó Makrolon en 1955, era un polímero lineal, mientras que el descubrimiento de GE fue un material ramificado.

Las propiedades de los dos materiales fueron muy similares. Eran transparentes, aunque las versiones iniciales tenían un tinte ambarino que solo se resolvió en 1971 cuando se eliminaron las impurezas químicas. Los materiales también tenían un punto de ablandamiento de aproximadamente 50º C (90º F) más alto que cualquiera de los materiales transparentes conocidos, cómodamente por encima del punto de ebullición del agua. Y poseían un nivel de ductilidad que excedía con creces cualquier otro material transparente conocido en ese momento. En otras palabras, el policarbonato amplió la gama de aplicaciones que podrían cumplir los polímeros transparentes más allá de todo lo que había sido posible anteriormente.

Se podría esperar que el desarrollo casi simultáneo del polímero por parte de dos grandes empresas produzca un nivel significativo de actividad legal. Pero a diferencia de la saga de 30 años de acciones legales que caracterizó el desarrollo de HDPE y PP, la batalla potencial por los derechos de PC se resolvió relativamente rápido con un acuerdo de que la empresa a la que finalmente se le dio prioridad otorgaría una licencia a la otra empresa. . La prioridad se le dio a Bayer, aunque si leyera la literatura de ventas que salió de General Electric en las décadas de 1970 y 1980 o si fuera a visitar Pittsfield, Massachusetts, durante ese tiempo, se le podría perdonar por concluir que todos la propiedad intelectual asociada con PC residía dentro de los pasillos de GE.

En 1978 visité Pittsfield durante las vacaciones de Navidad. En ese momento, GE empleaba a más de 5000 personas en una ciudad con una población de poco más de 50.000. Estos empleados trabajaban en la División de Transformadores de Energía, la División de Ordenanzas Navales o en la División de Plásticos. Mientras conducíamos por las instalaciones de GE, noté que las decoraciones navideñas frente a los dos primeros complejos eran decididamente discretas, mientras que el frente del edificio de la División de Plásticos se parecía a la casa de Chevy Chase en la película "Vacaciones de Navidad". La persona con la que viajaba comentó que era fácil saber qué división estaba obteniendo todas las ganancias.

En la actualidad, ni Bayer ni GE poseen los derechos de este material revolucionario. En 2006, GE vendió toda su división de plásticos a Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). En 2015, la División de Ciencia de Materiales de Bayer traspasó su interés por los polímeros a Covestro mientras estaba bajo la dirección de un líder que había realizado una brillante investigación en mezclas de polímeros para General Electric en la década de 1980 y principios de la de 1990. Es un comentario sobre cómo la industria del plástico ha cambiado de un negocio de rápido crecimiento a un esfuerzo más maduro en los últimos 20 años, y cómo el enfoque de las grandes corporaciones en la inversión de capital se ha alejado del mundo de los polímeros.

Sin embargo, los años posteriores al descubrimiento fueron tiempos embriagadores. La producción de policarbonato comenzó en Bayer en 1958 y en General Electric en 1960. Las aplicaciones se desarrollaron rápidamente en los campos eléctrico y electrónico, construcción e iluminación, envasado de alimentos, industrias automotriz y aeroespacial y dispositivos médicos. En cualquier aplicación donde se requiriera claridad y dureza, la PC se convirtió en el material de elección. Esto incluía gafas, parabrisas, carenados y escudos de seguridad para motocicletas y vehículos todo terreno, e incluso marquesinas de cabina para aviones. El polímero demostró ser extremadamente versátil, fabricable en forma de película, donde encontró uso como un aislante eléctrico muy efectivo, pero también se prestó al moldeo por soplado, extrusión, moldeo por inyección y termoformado.

En 1981, el material entró en el mercado del almacenamiento de datos con la creación de los primeros discos compactos, seguidos poco después por los DVD. La alta temperatura de transición vítrea del material lo hizo adecuado para la esterilización mediante técnicas de vapor y autoclave, y la química aromática del esqueleto del polímero junto con la estructura amorfa también lo ha convertido en un candidato líder para técnicas de esterilización de alta energía como gamma y E-beam. Se han desarrollado grados que cumplen con los estándares de biocompatibilidad y contacto con alimentos. Los grados estabilizados a los rayos UV se desarrollaron para extender la utilidad del material en aplicaciones al aire libre. Los primeros grados de retardantes de llama se desarrollaron en 1970.

El policarbonato también ha sido uno de los polímeros más utilizados en mezclas. Estos mejoran algunas de las propiedades en áreas donde el material se considera vulnerable. Se han creado mezclas con ABS, SAN, ASA, poliésteres y poliuretanos. La capacidad de producción mundial alcanzó los 10 mil millones de libras en 2016. Los copolímeros con poliésteres han extendido las temperaturas de operación cerca de 200 C (392 F) y la incorporación de la química del siloxano en la estructura del polímero ha mejorado la resistencia a la hidrólisis y al agrietamiento por tensión ambiental, dos influencias que siempre han sido debilidades notables en el perfil de rendimiento del material.

A pesar de todo este éxito, la historia de la PC no ha estado exenta de desafíos. Echaremos un vistazo a algunos de ellos en nuestra próxima entrega.

SOBRE EL AUTOR:Michael Sepe es un consultor independiente de procesamiento y materiales con sede en Sedona, Arizona, con clientes en América del Norte, Europa y Asia. Tiene más de 45 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación, la optimización de procesos, la resolución de problemas y el análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 •[email protected]