Прослеживание истории полимерных материалов:часть 11

На протяжении 1930-х годов разработка и коммерциализация новых полимеров происходили быстрыми темпами. ПВХ, полистирол, полиэтилен, акрил и формовочная целлюлоза - все они достигли совершеннолетия в этом десятилетии. К 1940-м годам свойства полистирола были расширены за счет добавления бутадиенового каучука для улучшения ударных свойств универсального материала за счет его прозрачности. Свойства полистирола также были расширены за счет сополимеризации с акрилонитрилом, чтобы получить SAN, прозрачный материал с улучшенной термостойкостью и химической стойкостью. Этот материал также был упрочнен за счет добавления бутадиенового каучука, чтобы сделать АБС, опять же с прозрачностью.

Поликарбонат стал популярным материалом там, где требуются прозрачность, термостойкость и прочность. (Фото:PolyOne)

Сегодня мы рассматриваем ранние прозрачные полимеры, как правило, либо как твердые и хрупкие, такие как SAN и акрил, либо как мягкие и жесткие, например целлюлозные. Но в этот период раннего развития многие из этих материалов предлагались в качестве безопасной альтернативы стеклу. Это особенно характерно для акрила, разработанного в значительной степени благодаря усилиям химиков, таких как Отто Ром. Акрил остается очень универсальной альтернативой стеклу, в основном из-за их выдающейся устойчивости к погодным условиям и ультрафиолетовому излучению. Но компромисс между прозрачными материалами, которые были мягкими, и теми, которые были твердыми и хрупкими, резко изменился в начале 1950-х годов, когда был создан совершенно новый химический состав, который мы знаем сегодня как поликарбонат.

Разработка ПК имеет общие темы со многими материалами, которые мы обсуждали ранее. Его развитие происходило в течение длительного периода времени с множеством фальстартов. Открытие материала, который в конечном итоге оказался коммерчески успешным, было случайным и произошло почти одновременно в разных частях света. Хотя мы связываем начало производства ПК с концом 1950-х годов, этот материал впервые был создан в лаборатории в 1898 году немецким химиком Альфредом Эйнхорном, который работал и преподавал в Мюнхенском университете с Адольфом фон Байером, химиком, лауреатом Нобелевской премии, который сначала синтезировали, а затем отказались от фенола.

Эйнхорн известен прежде всего как человек, который первым синтезировал местный анестетик новокаин. Но в 1890-х годах Эйнхорн пытался синтезировать циклические карбонаты и производить поликарбонат путем реакции гидрохинона с фосгеном. Тридцать лет лабораторных экспериментов разными химиками не принесли коммерческого успеха.

Но химическая реакция была прототипом той, которая в конечном итоге произвела полимер, который мы используем сегодня. В 1928 году Уоллес Карозерс и его команда в DuPont также производили ПК, работая над разработкой полиэфиров и нейлона. Химически поликарбонат и полиэфир имеют много общего, а реакции конденсации, которые Карозерс использовал для производства своих материалов, были очень похожи на те, которые в конечном итоге использовались для полимеризации поликарбоната.

Но материалы, которые производил Карозерс, имели алифатическую основную структуру в отличие от ароматической основы, которая характеризовала коммерческий продукт. Следовательно, термические, механические и химические свойства этих ранних поликарбонатов не считались полезными, и эти материалы также были отложены на полку.

Только в 1953 году Герман Шнелл и его команда, работая на предприятии Bayer в Юрдингене, Германия, создали версию поликарбоната, которая стала платформой для ее нынешнего коммерческого успеха. Неделю спустя Дэн Фокс из General Electric независимо наткнулся на то же соединение, работая над новым изоляционным материалом для проводов. Два варианта полимера были одинаковыми по химическому составу, но отличались структурно. Материал Bayer, который в 1955 году получил название Makrolon, представлял собой линейный полимер, в то время как открытие GE - разветвленный материал.

Свойства двух материалов были очень похожи. Они были прозрачными, хотя первоначальные версии имели янтарный оттенок, который разрешился только в 1971 году, когда были удалены химические примеси. Материалы также имели температуру размягчения примерно 50º C (90º F) выше, чем у любого из известных прозрачных материалов, комфортно выше точки кипения воды. И они обладали уровнем пластичности, который намного превосходил любой другой прозрачный материал, известный в то время. Другими словами, поликарбонат расширил диапазон применений, которые могли быть выполнены с помощью прозрачных полимеров, за пределы того, что было возможно ранее.

Можно ожидать, что почти одновременная разработка полимера двумя крупными компаниями приведет к значительному уровню юридической активности. Но в отличие от 30-летней саги о судебных исках, характерных для разработки HDPE и PP, потенциальная битва за права на ПК была урегулирована относительно быстро с соглашением о том, что фирма, которой в конечном итоге был отдан приоритет, предоставит лицензию другой компании. . Приоритет был отдан компании Bayer, хотя, если вы читали литературу по продажам General Electric в 1970-х и 1980-х годах или если бы вы в то время побывали в Питтсфилде, штат Массачусетс, вас можно было бы простить за заключение, что все интеллектуальная собственность, связанная с ПК, находилась в залах GE.

В 1978 году я посетил Питтсфилд во время рождественских каникул. В то время в GE работало более 5000 человек в городе с населением чуть более 50 000 человек. Эти сотрудники работали в дивизионе силовых трансформаторов, военно-морском дивизионе или в отделе пластмасс. Проезжая мимо объектов GE, я заметил, что праздничные украшения перед первыми двумя комплексами были явно занижены, а фасад здания подразделения пластмасс выглядел как дом Чеви Чейза из фильма «Рождественские каникулы». Человек, с которым я путешествовал, сказал, что легко определить, какое подразделение получает всю прибыль.

Сегодня ни Bayer, ни GE не владеют правами на этот революционный материал. В 2006 году GE продала все свое подразделение пластмасс компании Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). В 2015 году отдел материаловедения компании Bayer передал свой интерес к полимерам компании Covestro под руководством лидера, который провел блестящие исследования смесей полимеров для General Electric в 1980-х и начале 1990-х годов. Это комментарий о том, как индустрия пластмасс превратилась из быстрорастущего бизнеса в более зрелый за последние 20 лет, и как акцент крупных корпораций на капиталовложениях сместился с мира полимеров.

Тем не менее годы после открытия были бурными временами. Производство поликарбоната началось в Bayer в 1958 году и в General Electric в 1960 году. Быстро развивались области применения в области электротехники и электроники, строительства и освещения, упаковки пищевых продуктов, автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также в медицинских устройствах. В любом приложении, где требовались ясность и прочность, ПК становился предпочтительным материалом. Это включало очки, ветровые стекла, обтекатели и защитные экраны для мотоциклов и квадроциклов, и даже козырьки кабины самолетов. Полимер оказался чрезвычайно универсальным, его можно производить в виде пленки, где он нашел применение как очень эффективный электрический изолятор, но также пригоден для формования раздувом, экструзии, литья под давлением и термоформования.

В 1981 году этот материал появился на рынке хранения данных с созданием первых компакт-дисков, а вскоре и DVD. Высокая температура стеклования материала сделала его пригодным для стерилизации паром и автоклавированием, а ароматическая химия основной цепи полимера в сочетании с аморфной структурой также сделала его ведущим кандидатом для высокоэнергетических методов стерилизации, таких как гамма и Электронная балка. Были разработаны марки, соответствующие стандартам биосовместимости, а также контакта с пищевыми продуктами. Марки, устойчивые к ультрафиолетовому излучению, были разработаны, чтобы расширить возможности материала для наружного применения. Первые марки огнестойких материалов были разработаны в 1970 году.

Поликарбонат также был одним из наиболее часто используемых полимеров в смесях. Они улучшают некоторые свойства в тех областях, где материал считается уязвимым. Были созданы смеси с АБС, САН, АСА, полиэфирами и полиуретанами. В 2016 году мировые производственные мощности достигли 10 миллиардов фунтов. Сополимеры со сложными полиэфирами увеличили рабочие температуры почти до 200 C (392 F) и включение силоксана в основную цепь полимера улучшили устойчивость к гидролизу и растрескиванию под воздействием окружающей среды - два фактора, которые всегда были заметными слабыми сторонами в характеристиках материала.

Несмотря на весь этот успех, история ПК не обошлась без проблем. Мы рассмотрим некоторые из них в нашей следующей статье.

ОБ АВТОРЕ:Майкл Сепе является независимым консультантом по материалам и обработке из Седоны, штат Аризона, с клиентами в Северной Америке, Европе и Азии. Он имеет более чем 45-летний опыт работы в индустрии пластмасс и помогает клиентам в выборе материалов, проектировании с учетом технологичности, оптимизации процессов, устранении неисправностей и анализе отказов. Контакты:(928) 203-0408 •[email protected]