El policarbonat (PC) és un termoplàstic del tipus polièster. És resistent als productes químics, a la calor i a les radiacions ultraviolades, i és conegut per la seva duresa i transparència. Es treballen amb facilitat per injecció de moldejat i per termoforma. Per les seves propietats els policarbonats troben moltes aplicacions. S'utilitza per exemple en indicadors lluminosos i fars d'automòbils, cascos de protecció i seguretat, col·lectors solars, lents òptiques o bases per a pel·lícules fotogràfiques.Pere Molera i Solà; Marc J. Anglada i Gomila (versió anglesa original: W.D. Callister); Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Llibre I, Edicions Reverté, 1995, Pere Molera i Solà; Marc J. Anglada i Gomila (versió anglesa original: W.D. Callister); Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Llibre II, Edicions Reverté, 1996,
Els policarbonats no tenen un sol codi d'identificació de resina (resin identification code) i s'identifiquen com Altres, 7.
El policarbonat més important comercialment està basat en el bisfenol A (BPA-PC) i es ven sota els nom comercials Lexan (GE), de Makrolon (Bayer), Caliber (Dow), Panlite (Teijin), i Iupilon (Mitsubishi), tot i que existeixen molts altres productors i proveïdors.
Els policarbonats BPA tenen temperatures de transició vítria (Tg) en un interval de 140-155oC, i són coneguts per la seva claredat òptica, excepcional resistència a l'impacte i ductilitat a temperatura ambient o per sota d'aquesta. Altres propietats, com ara el mòdul, la resistència dielèctrica i la resistència a la tracció són comparables a altres termoplàstics amorfs a temperatures similars per sota dels seus valors respectius de Tg. No obstant això, mentre els polímers més amorfs són rígids i trencadissos per sota dels seus valors de Tg, els policarbonats es caracteritzen per mantenir la seva ductilitat.
Aquest tipus de polímer es prepara comercialment mitjançant dos processos completament diferents: reacció de Schotten – Baumann del fosgè i un diol aromàtic en una reacció de condensació interfacial catalitzada per amina, o per mitjà de transesterificació d'un bisfenol amb un carbonat monomèric com ara el carbonat de difenil i que és catalitzada per una base. Cada un d'aquests dos processos té els seus avantatges i desavantatges. Molts productes importants també es basen en el policarbonat mesclat amb altres materials, copolímers, resines ramificades, composicions retardants de flama, escumes i altres materials.
Actualment es fabriquen mundialment, per més d'una dotzena d'empreses, per sobre dels dos milions de tones anuals de policarbonat.
El PC és també objecte de la investigació acadèmica, la qual ha augmentat de manera constant durant les últimes dues dècades. Les companyies japoneses porten el nombre de titulars de patents, incloent Teijin Chemicals, Teijin Limited, Sekisui Chemical, Asahi Chemical, Idemitsu Petrochemical, Toray Ind i Mitsubishi Gas Chemical Company. Altres companyies amb llistes significatives de patents inclouen General Electric, Bayer AG, i Dow Chemical.
Estructura Els policarbonats reben el seu nom perquè són polímers que contenen grups funcionals carbonats (èster carbonat) (–O–(C=O)–O–). La majoria dels policarbonats amb innterès comercial deriven de monòmers rígids. Un equilibri de característiques útils que inclou la resistència a la temperatura. resistència a l'impacte i les propietats òptiques situen els policarbonats entre els plàstics del comerç i els plàstics d'enginyeria (commodity plastics i engineering plastics).
Producció Principalment es produeixen policarbonats per la reacció entre el bisfenol A (BPA) i el fosgen . La reacció completa es pot descriure com:
450px|Síntesi del policarbonat
El primer pas de la síntesi implica el tractament del bisfenol A amb hidròxid de sodi, el qual desprotona els grups hidroxil del bisfenol A.Volker Serini "Polycarbonates" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000.
(HOC₆H₄)₂CMe₂ + 2 NaOH → (NaOC₆H₄)₂CMe₂ + 2 H₂O
Amb aquest sistema aproximadament es produeixen cada any 1000 milions de quilos de policarbonat.
Propietats El policarbonat és un material durador. Encara que té una alta resistència a l'impacte, en té una de baixa al gratament i, per tant, s'aplica una capa per incrementar la duresa en les lents de contacte i en el policarbonat dels components d'automòbils que va a l'exterior. Les característiques del policarbonat s'assemblen bastant a les del polimetil metacrilat (PMMA, acrylic), però el policarbonat és més fort i es fa servir en un interval de temperatura més ampli, però és més car. Aquest polímer té alta transparència òptica a la llum visible amb millor transmissió que la de molts tipus de vidre, per això es fa servir en alguns tipus d'hivernacles.
Policarbonat de bisfenol A Els BPA-PC són solubles en hidrocarburs clorats (per exemple, cloroform, diclorometà, dicloroetà) i dissolvents no halogenats (per exemple, piridina i m-cresol). Són insolubles en aigua, alcohols, i hidrocarburs alifàtics. Els BPA-PC són generalment amorfs i, per tant, transparents quan són processats mitjançant injecció en un motlle, per extrusió en estat fos o quan s'extrau de la solució en làmines o pel·lícules. De totes maneres, poden cristal·litzar mitjançant un tractament especial, que pot ser l'escalfament a temperatures entre el punt de transició vítria i el punt de fusió cristal·lí (ca. 260 °C), el tractament amb dissolvents (per exemple, acetona i toluè) o per l'estirament de les fibres o les pel·lícules.
L'emmotllament i l'extrusió industrial del BPA-PC té una massa molecular (MW) que pot anar de 20.000 a 35.000. El BPA-PC fos amb masses moleculars superiors a 60.000 no pot ser processat per la seva altíssima viscositat. Aquests policarbonats d'alta massa molecular es poden obtenir en forma de films amb les propietats desitjades des de les dissolucions (Makrofol, Bayer).
La resistència a l'impacte dels BPA-PC és considerablement més alta que la d'altres termoplàstics amorfs d'una sola fase (per exemple, poliestirè, poli (metacrilat de metil), i de polisulfona). El trencament dur del BPA-PC es torna un trencament fràgil per sota – 10 °C o quan el gruix de model excedeix ca. 6,5 mm.
L'alta transparència de BPA-PC i la seva alta resistència a la calor (150 °C, que és 50 °C per sobre de la de poliestirè) són molt importants per als seus usos i aplicacions. L'estabilitat a llarg termini del BPA-PC contra l'envelliment per de calor en l'aire és aprox. 130 °C, segons el mètode d'assaig, ja que el compost comença la seva descomposició a 400 °C. El BPA-PC té una inflamabilitat baixa (índex d'oxigen 26). La seva resistència a la flama es pot millorar considerablement mitjançant l'addició de petites quantitats de productes ignífugs.
Policarbonat de bisfenol A modificat L'emmotllament per injecció s'utilitza generalment per processar BPA-PC amb masses moleculars de pes MW de 20.000-37.000. En masses moleculars inferiors, les propietats mecàniques (per exemple, de tenacitat i allargament al trencament) es deterioren bruscament; dins de l'interval anterior augmenten amb l'augment de la massa molecular. Com que les propietats mecàniques segueixen augmentant per sobre de MW 35000, la viscositat del producte fos arriba a ser molt alta i impedeix l'emmotllament per injecció. Les propietats mecàniques dels policarbonats de baix pes molecular amb una baixa viscositat en estat fos es poden millorar mitjançant la introducció de alquilfenols ramificats en lloc de fenols simples com a finals de cadena.
La introducció de punts de ramificació en la cadena de polímer mitjançant la incorporació de petites quantitats de compostos polifuncionals (per exemple, fenols trifuncionals) produeix un BPA-PC en el que les masses foses tenen una alta viscositat estructural. Aquests polímers són particularment adequats per extrusió en estat fos pel fet que tenen una baixa viscositat sota l'acció de cisallament en l'extrusora, i després de sortir de la boca de l'extrusora, ja que són altament viscosos i, per tant, prou estables. Extrudits complicats, com ara fulles de doble paret, es poden produir amb alta precisió. La viscositat estructural de masses foses d'aquests policarbonats també és important per a la producció de grans articles buits mitjançant emmotllament per d'extrusió i bufat (per exemple, ampolles d'aigua de 20 L).
El BPA-PC presenta resistència a la fractura i una resistència a l'impacte per sobre dels -10 °C. Per sota dels -10 °C es torna fràgil i la resistència a l'impacte es redueix de forma considerable. La resiliència a baixes temperatures es pot millorar mitjançant la incorporació de blocs de polisiloxà, el qual redueix la fragilitat a partir de -40 °C. Un contingut de siloxà de 2-10% en pes produeix un efecte satisfactori.
La incorporació de blocs de polièter alifàtics al BPA-PC produeix policarbonat hidròfil-copolímers de blocs de polièter, que són utilitzats com a membranes d'hemodiàlisi (a la sanitat).
La renovació parcial dels grups carbonat del BPA-PC per tereftalat o grups isoftalat condueix als carbonats de polièster aromàtic amb una resistència a la distorsió per calor més alta i una major estabilitat front a l'envelliment tèrmic en aire.
Depenent de la proporció de polièster i el tereftalat-isoftalato, la temperatura de transició vítria és d'entre aprox. 150 i 210 °C (és a dir, les temperatures de transició vítria de BPA-PC i bisfenol A - polièster d'àcid tereftàlic, respectivament). Els carbonats de polièster aromàtics són, igual que el BPA-PC, extremadament resistents i transparents. No obstant això, tenen una viscositat significativament més alta en estat fos i un color groc pàl·lid.
La resistència al foc del BPA-PC es pot millorar per co-condensació en petites quantitats de tetrabromobisfenol A amb bisfenol A. La substitució parcial o total de bisfenol A en el BPA-PC per tetrametilbisfenol A augmenta la temperatura de transició vítria de 150 a 203 °C sense reduir la fluïdesa en l'emmotllament per injecció.
La temperatura de transició vítria del BPA-PC es pot augmentar encara més mitjançant la substitució parcial o total de bisfenol A per 1,1-bis(4-hidroxifenil)-3,3,5-trimetilciclohexano; i es poden aconseguir valors entrede 150 i 240 °C d'aquesta manera. Aquests policarbonats són transparents, durs, i sense color, fins i tot a les temperatures de transició vítria. Les seves viscositats de fusió són bones en comparació amb els dels carbonats aromàtics de polièster, polisulfones, polietersulfonas, polieterimidas que tinguin la mateixa temperatura de transició vítria.
El BPA-PC s'usa en barreges de polímers. Les mescles més importants són aquells amb acrilonitril-butadiè-estirè (ABS) i aquelles amb poli(tereftalat de butilè) o poli (tereftalat d'etilè), i amb modificadors de resistència a l'impacte (per exemple, ABS). En comparació amb l'ABS, les mescles de BPA-PC amb ABS presenten millor resistència tèrmica. Aquestes mescles també presenten bon comportament en el processat, molta estabilitat a la llum, superfície de qualitat, fins i tot a baixa temperatura. Les mescles de BPA-PC amb poli(tereftalatos de alqueno) i modificadors de resistència a l'impacte tenen una alta resistència a la deformació per calor. La seva resistència a la gasolina i altres dissolvents és millor que la de BPA-PC.
El policarbonat de bisfenol A amb additius Els agents de desemmotllament
L'addició de petites quantitats (< 1% en pes) d'agents d'alliberament del motlle (per exemple, èsters d'àcids grassos d'alcohols pesats, com ara pentaeritritol o glicerol) al policarbonat milloren l'alliberament del motlle de les peces complicades.
Retardants flama