Взлет поликарбоната: как инновация 1950-х сформировала современные материалы (Часть 11)

В 1930-х годах полимерная индустрия пережила бум: ПВХ, полистирол, полиэтилен, акрил и формовочные целлюлозы перешли от лабораторных любопытств к коммерческим продуктам.

К 1940-м годам ударная стойкость полистирола была повышена путем смешивания с бутадиеновым каучуком — ценой его прозрачности. Комполимеризация полистирола с акрилонитрилом дала SAN — прозрачный, тепло- и химически стойкий материал. Добавление бутадиена снова дало ABS, который пожертвовал прозрачностью ради жесткости.

Поликарбонат стал материалом выбора везде, где требуются прозрачность, теплосопротивление и жесткость. (Фото: PolyOne)

Ранние прозрачные полимеры делились на два лагеря: твердые, хрупкие типы вроде SAN и акрила, и мягкие, жесткие целлюлозы. Акрилы, заложенные химиками вроде Отто Рёма, появились как безопасная, погодостойкая альтернатива стеклу. Однако 1950-е принесли прорывную химию, которая переопределила область — поликарбонат.

Путь поликарбоната к рынку зеркалит многие другие полимеры: затянутый цикл разработки, прерывистый ложными стартами и случайными открытиями, которые в конечном счете сходились во всем мире. Хотя его коммерческий дебют относится к концу 1950-х, первая лабораторная síntesis датируется 1898 годом, когда немецкий химик Альфред Айнхорн — более известный изобретением прокаина — реагировал гидроквинон с фосгеном, создавая пред-полимер. Десятилетия экспериментов, однако, не дали коммерческого продукта.

В 1928 году Уоллес Каротерс и его команда DuPont произвели ранние поликарбонаты, работая над полиэстерами и нейлонами. Хотя материалы Каротерса обладали алифатическим основным цепью, их тепловые, механические и химические свойства были неудовлетворительными, что привело к приостановке исследований.

Переломный момент наступил в 1953 году, когда команда Германа Шнелля на объекте Bayer в Уердингене синтезировала коммерчески жизнеспособный полимер, который позже был помечен брендом Makrolon. Неделю позже Дэн Фокс в General Electric независимо открыл тот же состав, разрабатывая новый материал для изоляции проводов. Оба полимера были химически идентичны, но отличались структурно: Makrolon Bayer был линейным, версия GE — разветвленной.

Оба варианта были прозрачными — изначально янтарного оттенка до 1971 года, когда примеси были устранены. Их температура витревания превышала любую существующую прозрачную полимер на примерно 50 °C (90 °F), и они демонстрировали беспрецедентную вязкость. Поликарбонат таким образом расширил область применения прозрачных, жестких материалов за прежние пределы.

Современные открытия привели к правовым переговорам, но в отличие от долгих споров по HDPE и PP, быстрое урегулирование предоставило Bayer приоритет и лицензию GE. Хотя маркетинг GE в 1970-х и 1980-х создавал впечатление единственного владельца, Bayer в конечном счете удерживал первоочередные права.

Во время визита в Питтсфилд, Массачусетс, в 1978 году я отметил резкий контраст между сдержанными дивизионами GE по силовым трансформаторам и морской артиллерии и ярко оформленным дивизионом пластиков — визуальным указанием, где действительно лежат прибыли.

Сегодня ни Bayer, ни GE не удерживают эксклюзивных прав. GE продала свой дивизион пластиков Saudi Arabia Basic Industries (SABIC) в 2006 году, а Bayer выделила свои полимерные интересы в Covestro в 2015 году, отражая более широкий сдвиг индустрии от быстрого роста к зрелым, капиталоемким операциям.

Производство началось у Bayer в 1958 году и у GE в 1960 году. Поликарбонат быстро нашел применение в электронике, строительстве, пищевой упаковке, автомобилестроении, аэрокосмике и медицинских устройствах — везде, где требовались прозрачность и жесткость. Очки, ветровые стекла, защитные экраны и кокпиты самолетов стали стандартными компонентами ПК. Производственная гибкость позволила пленки, дутые, экструдированные, литые под давлением и термоформированные детали.

В 1981 году ПК вошел в арену хранения данных с первыми компакт-дисками, вскоре за которыми последовали DVD. Его высокая температура витревания делала его идеальным для паровой стерилизации, в то время как его ароматический основной цепь и аморфная структура подходили для гамма и электронно-лучевой стерилизации. Специализированные сорта теперь соответствуют стандартам биосовместимости и контакта с пищей; УФ-стабилизированные сорта расширяют наружное использование, а огнеупорные сорта были впервые представлены в 1970 году.

Поликарбонат часто смешивают для улучшения производительности. Смеси с ABS, SAN, ASA, полиэстерами и полиуретанами расширили его спектр применений. Глобальное производство достигло 10 млрд фунтов в 2016 году. Комполимеры с полиэстерами толкают рабочие температуры близко к 200 °C (392 °F), а включение силоксанной химии улучшает устойчивость к гидролизу и напряжению окружающей среды.

Несмотря на триумфы, путь поликарбоната не был свободен от вызовов — их мы рассмотрим в следующей части.

ОБ АВТОРЕ: Майкл Сепе — независимый консультант по материалам и обработке, базирующийся в Седоне, штат Аризона, с клиентами по всей Северной Америке, Европе и Азии. С более чем 45-летним опытом в пластиковой индустрии, он консультирует по выбору материалов, дизайну для производительности, оптимизации процессов, устранению неисправностей и анализу отказов. Контакт: (928) 203‑0408 • mike@thematerialanalyst.com