Poliwęglany

1. Budowa
Poliwęglany to grupa polimerów (związków chemicznych o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami), z grupy poliestrów, będących formalnie estrami kwasu węglowego. Poliestry posiadają sztywniejsze i bardziej polarne łańcuchy główne od polimerów winylowych przez co mają większą tendencje do tworzenia fazy krystalicznej oraz są bardziej kruche, twarde i trudniej topliwe.
Podstawową metodą ich syntezy jest reakcja estryfikacji hydroksykwasów (czyli związków posiadających jednocześnie grupę hydroksylową i grupę karboksylową lub reakcja dioli (alkoholi z dwoma grupami OH) z kwasami dwukarboksylowymi. W ten sposób otrzymuje się np: poli(tereftalan etylenu) będący podstawą większości włókien poliestrowych oraz materiałem z którego produkuje się plastikowe butelki. Drugą ważną metodą syntezy poliestrów jest reakcja chlorków kwasów karboksylowych z diolami, dzięki czemu otrzymać można poliestry aromatyczne takie jak dakron a także wszystkie poliwęglany.
2. Otrzymywanie
Ze względu na to, że sam kwas węglowy jest bardzo nietrwały, poliwęglany otrzymuje się w reakcji polikondensacji fosgenu z diolami aromatycznymi (Rys.1) Warto zaznaczyć, że fosgen (nazwa zwyczajowa tlenochlorku węgla COCl2.) to gaz -bezbarwny, bardzo silnie trujący i duszący, już stężenie 0,1 g fosgenu w 1 m3 powietrza powoduje nagły zgon, stąd niegdyś (I wojna światowa) był wykorzystywany jako gaz bojowy na polu walki. Obecnie ma zastosowanie w syntezie związków organicznych (barwniki, poliwęglany).

Rys.1 Synteza poliwęglanu z bisfenolu i fosgenu
Spośród różnych dioli największe, praktyczne znaczenie uzyskał tzw. bisfenol A, który jest stosunkowo tani i jednocześnie zapewnia dobre własności polimeru.
Technologia produkcji poliwęglanów na bazie bisfenolu A została równolegle opracowana na początku lat \'50 XX w przez Mobay Chemical Company (tworzywo o nazwie handlowej Merlon) i General Electric (tworzywo Lexan i Nalgene). W Polsce tworzywo to jest obecnie produkowane przez koncern Orlen pod nazwą handlową \"Bistan\".
3. Właściwości
Poliwęglany są termoplastycznymi tworzywami sztucznymi (formowanymi przez wtrysk i wytłaczanie na gorąco) o bardzo wysokiej temperaturze mięknięcia (około 1700C). Z powodu bardzo słabej zdolności do krystalizacji polimeru czyste produkty z poliwęglanu są bezbarwne i przejrzyste
Własności poliwęglanów są podobne nieco do pleksiglasu (szkło akrylowe o dużej przezroczystości- 92%), ale poliwęglan jest dużo bardziej wytrzymały mechanicznie i jednocześnie znacznie droższy. Jego twardość i odporność na ściskanie jest zbliżona do aluminium.
Poliwęglan na bazie bisfenolu A jest tworzywem samogasnącym, nie rozkładającym się do temperatury 550 C. Aby ułatwić jego obróbkę czasami oprócz bisfenolu A stosuje się analogiczne związki, w których przy centralnym atomie węgla zastępuje się grupy CH3 dłuższymi alkilowymi (to grupa formalnie pochodząca od alkanu. Ogólny wzór grupy alkilowej: CnH2n+1, najprostszą z nich jest grupa metylowa -CH3), co powoduje obniżenie jego temperatury topnienia. Powoduje to jednak również pogorszenie własności mechanicznych tego tworzywa.
Inne własności poliwęglanu na bazie bisfenolu A:
• gęstość 1.20 g/cm3
• zakres stosowania od -100 C do +135C
• temperatura topnienia ok 225C
• temperatura zeszklenia ok 150 C
• współczynnik załamiania światła = 1.585 ± 0.001
• przenikalność światła ok. 90% ± 1%
Warto też zaznaczyć, że dla potrzeb laboratoryjnych poliwęglany oznacza się na podstawie termicznego rozkładu próbki w probówce. W tym celu probówkę zatyka się watą szklaną, na której skraplają się produkty rozkładu. Po zakończeniu ogrzewania watę szklaną zadaje się rozcieńczonym (1:1) kwasem solnym. Intensywne czerwone zabarwienie, które nie ulega zmianie pod wpływem metanolu świadczy o obecności poliwęglanów.
4. Zastosowanie
Zastosowanie PC w technice i medycynie jest możliwe dzięki specyficznym właściwościom tego tworzywa.
Termoplastyczne tworzywa inżynieryjne mają ok. 7% udziału w światowym rynku tworzyw sztucznych. Ocenia się, że w 2000 r. wyprodukowano prawie 170 mln ton wszystkich tworzyw, w tym segment tworzyw inżynieryjnych obejmował 12 milionów ton, a produkcja poliwęglanu stanowiła 1,5 mln ton i zajmowała drugie miejsce po produkcji kopolimerów styrenu (ABS i ASA), a przed poliamidami (PA6 i PA66). Dodatkowo, poliwęglan jest również stosowany do produkcji blend z ABS lub innymi tworzywami termoplastycznymi. Potencjał tego rynku wynosi ok. 300 tys. ton/rok.
Zainteresowanie poliwęglanem, jako tworzywem inżynieryjnym, datuje się od 1953 r., kiedy to firmy Bayer AG i General Electric Comp. rozpoczęły produkcję tego tworzywa na skalę przemysłową. Od tego czasu zużycie poliwęglanu zwiększało się z każdym rokiem prawie o 10%. Z końcem lat 80. wzrost produkcji PC osiągnął jeszcze większe tempo i był wyższy niż w przypadku innych tworzyw inżynieryjnych. W latach 1999/2000 osiągnął poziom 14%/rok.
Obecnie największymi producentami poliwęglanów są koncerny Bayer i GE Plastics. Obecnie poliwęglan jest używany przede wszystkim przez państwa Dalekiego Wschodu i Japonię, które zużywają ok. 40% światowej produkcji, przez USA (ok. 30%) i państwa europejskie (ok. 26%). W 2000 r. nominalna zdolność produkcyjna poliwęglanu była szacowana na ok. 1,9 mln ton, co w pełni pokrywało światowe zapotrzebowanie na ten surowiec, które wyniosło ok. 1,8 mln ton. Natomiast w 2001 r., ze względu na niewielkie załamanie się światowej gospodarki, sytuacja w zakresie dostępności poliwęglanu stała się bardziej komfortowa. Dodatkowo, w ostatnim czasie, wzrosła również liczba fabryk poliwęglanu, ponieważ powstały nowe wytwórnie PC w Azji.
Ponad 80% aplikacji opartych na poliwęglanie, wykorzystuje wysoką transparentność polimeru, która wynika z jego amorficznej struktury. Ponadto, poliwęglan odznacza się bardzo dobrą odpornością w zakresie udarności, jest stabilny termicznie i zapewnia wysoką stabilność wymiarów. Z powodu tej unikatowej kombinacji właściwości, poliwęglan różni się od innych tworzyw konstrukcyjnych, tj. ABS, ASA, PA, PBT lub POM. Nowe aplikacje z udziałem PC powstają dzięki jego bardzo dobrym właściwościom dielektrycznym oraz możliwości sterylizacji i recyklingu.
Prawie 29% wszystkich aplikacji poliwęglanu dotyczy przemysłu elektrotechnicznego oraz elektronicznego i jest to największy obszar zastosowań PC. Początkowo poliwęglan stosowano na obudowy szafek sterowniczych, elementy przełączników oraz obudowy i oprawki lamp. Postępująca miniaturyzacja urządzeń elektronicznych, telefonów komórkowych i innych aparatów elektronicznych sprawia, że również PC, ze względu na unikatowe właściwości mechaniczne i stabilność termiczną, jest bardziej preferowany niż ABS i ASA. Obecnie, jeśli uwzględnić przemysł optycznych nośników przechowywania danych (CD-ROM, płyty CD-audio oraz DVD), ilość aplikacji elektrycznych i elektronicznych z udziałem PC wzrosła do 50% wszystkich aplikacji. W związku z szybko rozwijającym się przemysłem optycznych nośników przechowywania danych, już w 2000 r. sektor ten zużywał prawie 350 tys. ton PC.
Ważną dziedziną zastosowań PC jest produkcja płyt jedno- i wielowarstwowych oraz strukturalnych, które są szeroko stosowane w budownictwie (18% światowej produkcji poliwęglanu).
Poliwęglany, ze względu na wyjątkowe właściwości, są stosowane w przemyśle motoryzacyjnym do wyrobu dyfuzorów reflektorów, a dzięki dużej przezroczystości, do produkcji paneli przyrządów oraz kloszy lamp przednich, w niektórych przypadkach także lamp tylnych. Dodatkowo, niektóre zewnętrzne lub wewnętrzne elementy samochodów są wykonane z PC
Poliwęglan znajduje również zastosowanie do produkcji opakowań, np. do wyrobu dużych butli do dystrybutorów wody. Jest on preferowany ze względu na dużą trwałość i stosunkowo niski koszt oraz długi okres użytkowania i niski koszt przetwórstwa. W przeszłości PC stosowano powszechnie do wyrobu butelek i opakowań dla przemysłu mleczarskiego oraz małych butelek do wody.
Poliwęglan jest również stosowany w aplikacjach medycznych. Ze względu na dobrą wytrzymałość mechaniczną, przezroczystość i możliwość prowadzenia sterylizacji służy przede wszystkim do produkcji elementów aparatów do dializy i natleniania krwi. Po wielu latach praktycznych doświadczeń, PC okazał się optymalnym materiałem w tego typu zastosowaniach. Rozwijający się intensywnie sektor medyczny zużywa coraz większe ilości poliwęglanu. Aktualne zużycie PC w tym sektorze wynosi ok. 3% ogólnego potencjału. Obok aplikacji typowo medycznych, coraz powszechniej, szczególnie w USA, poliwęglan jest stosowany do wyrobu szkieł optycznych, okularów przeciwsłonecznych, szkieł kontaktowych oraz osłon twarzy.
Najnowsze tendencje w zakresie tworzyw poliwęglanowych związane są przede wszystkim z modyfikacją ich właściwości poprzez zastosowanie do syntezy tzw. ko-kondensatów bisfenolu A z innymi bisfenolami. Zabieg ten pozwala otrzymywać poliwęglan o bardzo specyficznych właściwościach, np. o dużej odporności na odkształcenia termiczne lub o zmodyfikowanej strukturze do zastosowania na optyczne nośniki danych (np. PC ST300 ). Natomiast najnowsze badania, zmierzają do otrzymania gatunków PC szczególnie przydatnych w produkcji bezpiecznych szyb samochodowych (bocznych i tylnych)
Podsumowując można stwierdzić, że poliwęglany należą do tych tworzyw sztucznych, których unikalne własności czynią je niezbędnymi materiałami nie do zastąpienia przez inne polimery. Do ich unikalnych własności należy najwyższa wartość udarności i niezwykle cenne własności optyczne. W połączeniu z dobrą chemoodpornością, własnościami elektroizolacyjnymi, ogólnie dobrymi własnościami mechanicznymi i stabilnością termiczną w zakresie -40 st. C do +130 st. C czynią te polimery niezwykle wartościowymi przy wielu zastosowaniach. Powoduje to stale wzrastające ich znaczenie, rozwój produkcji i zastosowań. Ostatnie odkrycie politechniki warszawskiej w zakresie ognioodporności i cech ważnych dla ochrony zdrowia i środowiska naturalnego jeszcze bardziej umacniają ich priorytetowe znaczenia.


Dygi