Policarbonato
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Policarbonato
Lexan.svg
Unidad de estructura química repetida de policarbonato hecha de bisfenol A Espectro de transmisión de policarbonato
Propiedades físicas
Densidad (ρ)1,20–1,22 g / cm 3
Número de Abbe (V)34,0
Índice de refracción (n)1.584–1.586
InflamabilidadV0-V2
Limitar el índice de oxígeno25-27%
Absorción de agua - Equilibrio (ASTM)0,16–0,35%
Absorción de agua, más de 24 horas0,1%
Resistencia a la radiaciónJusta
Ultravioleta (1-380 nm) resistenciaJusta
Propiedades mecánicas
Módulo de Young (E)2,0-2,4 G Pa
Resistencia a la tracción (σ t )55–75 M Pa
Alargamiento (ε) a la rotura80-150%
Resistencia a la compresión (σ c )> 80 MPa
Razón de Poisson (ν)0,37
Dureza - RockwellM70
resistencia al impacto Izod600–850 J / m
Prueba de muesca20–35 k J / m 2
Resistencia abrasiva ASTM D104410-15 m g / 1000 ciclos
Coeficiente de fricción (μ)0,31
Velocidad del sonido2270 m / s
Propiedades termales
Temperatura de transición vítrea (T g )147 ° C (297 ° F)
Temperatura de deflexión térmica
  • 0,45 MPa: 140 ° C (284 ° F)
  • 1,8 MPa: 128–138 ° C (262–280 ° F)
Punto de ablandamiento Vicat a 50 N145–150 ° C (293–302 ° F) [1]
Temperatura de trabajo superior115–130 ° C (239–266 ° F)
Temperatura de trabajo más baja−40 ° C (−40 ° F) [2]
Conductividad térmica (k) a 23 ° C0,19-0,22 W / (m · K)
Difusividad térmica (a) a 25 ° C0,144 mm² / s [3]
Coeficiente de expansión térmica lineal (α)65–70 × 10 −6 / K
Capacidad calorífica específica (c)1,2–1,3 kJ / ( kg · K)
Propiedades electricas
Constante dieléctrica (ε r ) a 1 M Hz2.9
Permitividad (ε)2.568 × 10 −11 F / m
Permeabilidad relativa (μ r ) a 1 MHz0.866 (2)
Permeabilidad (μ) a 1 MHz1.089 (2) μ N / A 2
Factor de disipación a 1 MHz0,01
Resistividad superficial10 15 Ω / cuadrado
Volumen de resistividad (ρ)10 12 –10 14 Ω · m
Resistencia química
Ácidos - concentradosPobre
Ácidos - diluidosBien
AlcoholesBien
ÁlcalisBueno-pobre
Hidrocarbonos aromáticosPobre
Grasas y aceitesBueno-justo
Hidrocarburos halogenadosBueno-pobre
HalógenosPobre
CetonasPobre
Permeabilidad de gas a 20 ° C
Nitrógeno10-25 cm 3 · mm / (m 2 · día · Bar )
Oxígeno70-130 cm 3 · mm / (m 2 · día · Bar)
Dióxido de carbono400–800 cm 3 · mm / (m 2 · día · Bar)
Vapor de agua1-2 g · mm / (m 2 · día) @ 85% -0% de gradiente de HR
Ciencias económicas
Precio2,6–2,8 € / kg [4]

Los policarbonatos ( PC ) son un grupo de polímeros termoplásticos que contienen grupos carbonato en sus estructuras químicas. Los policarbonatos utilizados en ingeniería son materiales fuertes y resistentes , y algunos grados son ópticamente transparentes. Se trabajan, moldean y termoconforman fácilmente . Debido a estas propiedades, los policarbonatos encuentran muchas aplicaciones. Los policarbonatos no tienen un código de identificación de resina único (RIC) y se identifican como "Otros", 7 en la lista de RIC. Los productos hechos de policarbonato pueden contener el monómero precursor bisfenol A (BPA).

Estructura

Estructura del dicarbonato (PhOC (O) OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 derivado de bis (fenol-A) y dos equivalentes de fenol. [5] Esta molécula refleja una subunidad de un policarbonato típico derivado de bis (fenol-A).

Los ésteres de carbonato tienen núcleos planos OC (OC) 2 , lo que les confiere rigidez. El enlace único O = C es corto (1,173 Å en el ejemplo representado), mientras que los enlaces CO son más similares al éter (las distancias de enlace de 1,326 Å para el ejemplo representado). Los policarbonatos recibieron su nombre porque son polímeros que contienen grupos carbonato (−O− (C = O) −O−). Un equilibrio de características útiles, que incluyen resistencia a la temperatura, resistencia al impacto y propiedades ópticas, coloca a los policarbonatos entre los plásticos básicos y los plásticos de ingeniería .

Producción

El principal material de policarbonato se produce mediante la reacción de bisfenol A (BPA) y fosgeno COCl.
2. La reacción general se puede escribir de la siguiente manera:

El primer paso de la síntesis implica el tratamiento del bisfenol A con hidróxido de sodio , que desprotona los grupos hidroxilo del bisfenol A. [6]

(HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + 2 NaOH → Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + 2 H 2 O

El difenóxido (Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ) reacciona con el fosgeno para dar un cloroformiato , que posteriormente es atacado por otro fenóxido. La reacción neta del difenóxido es:

Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + COCl 2 → 1 / n [OC (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + 2 NaCl

De esta forma, se producen anualmente aproximadamente mil millones de kilogramos de policarbonato. Se han probado muchos otros dioles en lugar del bisfenol A, por ejemplo, 1,1-bis (4-hidroxifenil) ciclohexano y dihidroxibenzofenona . El ciclohexano se usa como comonómero para suprimir la tendencia a la cristalización del producto derivado de BPA. El tetrabromobisfenol A se utiliza para mejorar la resistencia al fuego. El tetrametilciclobutanodiol se ha desarrollado como sustituto del BPA. [6]

Una ruta alternativa a los policarbonatos implica la transesterificación de BPA y carbonato de difenilo :

(HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + (C 6 H 5 O) 2 CO → 1 / n [OC (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + 2 C 6 H 5 OH

[6]

Propiedades y procesamiento

El policarbonato es un material duradero. Aunque tiene una alta resistencia al impacto, tiene una baja resistencia al rayado. Por lo tanto, un revestimiento duro se aplica a policarbonato de gafas lentes y componentes exteriores de automóviles de policarbonato. Las características del policarbonato se comparan con las del polimetilmetacrilato (PMMA, acrílico), pero el policarbonato es más fuerte y resistirá más tiempo a temperaturas extremas. El material procesado térmicamente suele ser totalmente amorfo, [7] y, como resultado, es muy transparente a la luz visible , con mejor transmisión de luz que muchos tipos de vidrio.

El policarbonato tiene una temperatura de transición vítrea de aproximadamente 147 ° C (297 ° F), [8] por lo que se ablanda gradualmente por encima de este punto y fluye por encima de aproximadamente 155 ° C (311 ° F). [9] Las herramientas deben mantenerse a altas temperaturas, generalmente por encima de 80 ° C (176 ° F) para fabricar productos libres de tensiones y tensiones. Los grados de masa molecular baja son más fáciles de moldear que los grados más altos, pero como resultado su resistencia es menor. Los grados más resistentes tienen la masa molecular más alta, pero son más difíciles de procesar.

A diferencia de la mayoría de los termoplásticos, el policarbonato puede sufrir grandes deformaciones plásticas sin agrietarse ni romperse. Como resultado, se puede procesar y formar a temperatura ambiente utilizando técnicas de chapa , como doblar un freno . Incluso para curvas en ángulo agudo con un radio estrecho, es posible que no sea necesario calentar. Esto lo hace valioso en aplicaciones de creación de prototipos donde se necesitan piezas transparentes o eléctricamente no conductoras, que no se pueden fabricar a partir de láminas de metal. El PMMA / acrílico , que tiene un aspecto similar al policarbonato, es quebradizo y no se puede doblar a temperatura ambiente.

Principales técnicas de transformación de resinas de policarbonato:

  • extrusión en tubos, varillas y otros perfiles, incluyendo multipared
  • extrusión con cilindros ( calandrias ) en láminas (0,5 a 20 mm (0,020 a 0,787 pulgadas)) y películas (por debajo de 1 mm (0,039 pulgadas)), que se pueden utilizar directamente o fabricar en otras formas mediante termoformado o técnicas de fabricación secundaria , como como doblar, perforar o enrutar. Debido a sus propiedades químicas, no favorece el corte con láser.
  • moldeo por inyección en artículos listos

El policarbonato puede volverse quebradizo cuando se expone a radiaciones ionizantes superiores a 25 kGy (J / kg). [10]

Una botella de policarbonato.

Aplicaciones

Componentes electrónicos

El policarbonato se utiliza principalmente para aplicaciones electrónicas que aprovechan sus características de seguridad colectiva. Al ser un buen aislante eléctrico y tener propiedades resistentes al calor y retardantes de llama, se utiliza en varios productos asociados con hardware eléctrico y de telecomunicaciones. También puede servir como dieléctrico en condensadores de alta estabilidad . [6] Sin embargo, la fabricación comercial de condensadores de policarbonato se detuvo principalmente después de que el único fabricante Bayer AG dejó de fabricar películas de policarbonato de calidad para condensadores a finales de 2000. [11] [12]

Materiales de construcción

Láminas de policarbonato en invernadero

El segundo mayor consumidor de policarbonatos es la industria de la construcción, por ejemplo, para luces interiores, acristalamientos planos o curvos, láminas para techos y paredes de sonido . Los policarbonatos se utilizan para crear materiales utilizados en edificios que deben ser duraderos pero ligeros.

Almacenamiento de datos

CD y DVD

Un mercado importante de policarbonato es la producción de discos compactos , DVD y discos Blu-ray . [13] Estos discos se producen moldeando por inyección policarbonato en una cavidad de molde que tiene en un lado una estampa de metal que contiene una imagen negativa de los datos del disco, mientras que el otro lado del molde es una superficie reflejada. Los productos típicos de la producción de láminas / películas incluyen aplicaciones en publicidad (letreros, pantallas, protección de carteles). [6]

Componentes automotrices, aeronáuticos y de seguridad

En la industria automotriz, el policarbonato moldeado por inyección puede producir superficies muy lisas que lo hacen muy adecuado para la deposición catódica o la deposición por evaporación de aluminio sin la necesidad de una capa base. Los biseles decorativos y los reflectores ópticos suelen estar hechos de policarbonato. Su bajo peso y alta resistencia al impacto han hecho del policarbonato el material dominante para las lentes de los faros de los automóviles. Sin embargo, los faros de los automóviles requieren revestimientos de la superficie exterior debido a su baja resistencia al rayado y susceptibilidad a la degradación ultravioleta (coloración amarillenta). El uso de policarbonato en aplicaciones automotrices se limita a aplicaciones de bajo estrés. La tensión de los sujetadores, la soldadura de plástico y el moldeado hacen que el policarbonato sea susceptible aagrietamiento por corrosión bajo tensión cuando entra en contacto con ciertos acelerantes como el agua salada y el plastisol . Puede laminarse para hacer "vidrio" a prueba de balas , aunque "resistente a las balas" es más preciso para las ventanas más delgadas, como las que se utilizan en las ventanas a prueba de balas en los automóviles. Las barreras más gruesas de plástico transparente que se utilizan en las ventanillas de los cajeros y las barreras en los bancos también son de policarbonato.

Los denominados envases de plástico grandes "a prueba de robos" para artículos más pequeños, que no se pueden abrir a mano, suelen estar hechos de policarbonato.

Toldo de cabina Lockheed Martin F-22

El dosel de la cabina del avión de combate Lockheed Martin F-22 Raptor está hecho de una pieza de policarbonato de alta calidad óptica, y es la pieza más grande de su tipo formada en el mundo. [14] [15]

Aplicaciones de nicho

El policarbonato, al ser un material versátil con propiedades físicas y de procesamiento atractivas, ha atraído una miríada de aplicaciones más pequeñas. El uso de botellas, vasos y recipientes para alimentos moldeados por inyección es común, pero el uso de BPA en la fabricación de policarbonato ha suscitado preocupaciones (consulte Posibles peligros en aplicaciones de contacto con alimentos ), lo que ha llevado al desarrollo y uso de plásticos "sin BPA". en varias formulaciones.

Gafas de seguridad de laboratorio

El policarbonato se usa comúnmente en la protección de los ojos, así como en otras aplicaciones de iluminación y visualización resistentes a proyectiles que normalmente indicarían el uso de vidrio , pero que requieren una resistencia al impacto mucho mayor. Las lentes de policarbonato también protegen el ojo de la luz ultravioleta . Hay muchos tipos de lentes están fabricadas con policarbonato, incluyendo lentes de faros para automóviles, lentes de iluminación, gafas de sol / gafas de lentes , gafas de natación y máscaras de buceo, y de seguridad lentes / gafas / viseras incluyendo viseras de cascos deportivos / máscaras y la policía antidisturbios(viseras de casco, escudos antidisturbios, etc.). Los parabrisas de los vehículos motorizados pequeños suelen estar hechos de policarbonato, como los de motocicletas, vehículos todo terreno, carritos de golf y pequeños aviones y helicópteros.

El peso ligero del policarbonato en comparación con el vidrio ha llevado al desarrollo de pantallas de visualización electrónica que reemplazan el vidrio con policarbonato, para su uso en dispositivos móviles y portátiles. Dichas pantallas incluyen tinta electrónica más nueva y algunas pantallas LCD, aunque la CRT, la pantalla de plasma y otras tecnologías LCD generalmente todavía requieren vidrio para su temperatura de fusión más alta y su capacidad para grabar con más detalle.

A medida que más y más gobiernos están restringiendo el uso del vidrio en bares y clubes debido a la mayor incidencia de glassings , vasos de policarbonato se están convirtiendo en popular para servir alcohol a causa de su resistencia, durabilidad, y el cristal-como la sensación. [16] [17]

Otros artículos diversos incluyen equipaje liviano y duradero, estuches para reproductores de MP3 / audio digital , ocarinas , estuches para computadoras, escudos antidisturbios , paneles de instrumentos, recipientes para velas candelitas y frascos para licuadoras de alimentos. Muchos juguetes y artículos para pasatiempos están hechos de piezas de policarbonato, como aletas, soportes de giroscopio y cerraduras de barra en helicópteros controlados por radio , [18] y LEGO transparente (el ABS se usa para piezas opacas). [19]

Las resinas de policarbonato estándar no son adecuadas para una exposición prolongada a la radiación UV. Para superar esto, a la resina primaria se le pueden agregar estabilizadores UV. Estos grados se venden como policarbonato estabilizado a los rayos UV a empresas de moldeo por inyección y extrusión. Otras aplicaciones, incluidas las láminas de policarbonato, pueden tener la capa anti-UV agregada como un recubrimiento especial o una coextrusión para mejorar la resistencia a la intemperie .

El policarbonato también se usa como sustrato de impresión para placas de identificación y otras formas de grado industrial debajo de productos impresos. El policarbonato proporciona una barrera contra el desgaste, los elementos y la decoloración.

Aplicaciones médicas

Muchos grados de policarbonato se utilizan en aplicaciones médicas y cumplen con los estándares ISO 10993-1 y USP Clase VI (en ocasiones denominados PC-ISO). La clase VI es la más estricta de las seis clasificaciones de la USP. Estos grados se pueden esterilizar usando vapor a 120 ° C, radiación gamma o por el método de óxido de etileno (EtO). [20] Dow Chemical limita estrictamente todos sus plásticos con respecto a aplicaciones médicas. [21] [22] Se han desarrollado policarbonatos alifáticos con biocompatibilidad y degradabilidad mejoradas para aplicaciones de nanomedicina. [23]

Teléfonos móviles

Algunos de los principales fabricantes de teléfonos inteligentes utilizan policarbonato. Nokia utilizó policarbonato en sus teléfonos a partir de la carcasa unibody del N9 en 2011. Esta práctica continuó con varios teléfonos de la serie Lumia . Samsung ha comenzado a usar policarbonato con Galaxy S III 's hyperglaze -branded tapa de la batería extraíble en 2012. Esta práctica continúa con varios teléfonos en el Galaxy serie. Apple comenzó a utilizar policarbonato con el iPhone 5C 's monocasco caso en 2013.

Los beneficios sobre las cubiertas traseras de vidrio y metal incluyen durabilidad contra roturas (debilidad del vidrio), flexión y rayado (debilidad del metal), absorción de impactos, bajos costos de fabricación y sin interferencia con las señales de radio y carga inalámbrica (debilidad del metal). [24] Las cubiertas posteriores de policarbonato están disponibles en texturas de superficie brillante o mate . [24]

Historia

Los policarbonatos fueron descubiertos por primera vez en 1898 por Alfred Einhorn , un científico alemán que trabajaba en la Universidad de Munich . [25] Sin embargo, después de 30 años de investigación de laboratorio, esta clase de materiales se abandonó sin comercialización. La investigación se reanudó en 1953, cuando Hermann Schnell de Bayer en Uerdingen, Alemania, patentó el primer policarbonato lineal. La marca "Makrolon" se registró en 1955. [26]

También en 1953, y una semana después de la invención en Bayer, Daniel Fox de General Electric en Schenectady, Nueva York, sintetizó independientemente un policarbonato ramificado . Ambas empresas solicitaron patentes estadounidenses en 1955 y acordaron que la empresa sin prioridad recibiría una licencia para la tecnología. [27] [28]

La prioridad de las patentes se resolvió a favor de Bayer, y Bayer comenzó la producción comercial con el nombre comercial Makrolon en 1958. GE comenzó la producción con el nombre Lexan en 1960, creando la división GE Plastics en 1973. [29]

Después de 1970, el tinte de policarbonato marrón original se mejoró a "transparente como el vidrio".

Posibles peligros en aplicaciones en contacto con alimentos

Artículos principales: Bisfenol A y disruptor endocrino

El uso de recipientes de policarbonato para el almacenamiento de alimentos es controvertido. La base de esta controversia es que su hidrólisis (degradación por el agua, a menudo denominada lixiviación) que ocurre a alta temperatura, libera bisfenol A :

1 / n [OC (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ] n + H 2 O → (HOC 6 H 4 ) 2 CMe 2 + CO 2

Más de 100 estudios han explorado la bioactividad del bisfenol A derivado de policarbonatos. El bisfenol A parecía liberarse de las jaulas de policarbonato para animales en el agua a temperatura ambiente y puede haber sido responsable del agrandamiento de los órganos reproductores de las hembras de ratón. [30] Sin embargo, las jaulas para animales utilizadas en la investigación fueron fabricadas con policarbonato de grado industrial, en lugar de policarbonato de grado alimenticio de la FDA.

Un análisis de la literatura sobre los efectos de las dosis bajas del lixiviado de bisfenol A por vom Saal y Hughes publicado en agosto de 2005 parece haber encontrado una correlación sugerente entre la fuente de financiación y la conclusión extraída. Los estudios financiados por la industria tienden a no encontrar efectos significativos, mientras que los estudios financiados por el gobierno tienden a encontrar efectos significativos. [31]

El blanqueador de hipoclorito de sodio y otros limpiadores alcalinos catalizan la liberación del bisfenol A de los envases de policarbonato. [32] [33] El policarbonato es incompatible con el amoníaco y la acetona. El alcohol es un disolvente orgánico recomendado para limpiar grasas y aceites del policarbonato.

Impacto medioambiental

Disposición

Los estudios han demostrado que a temperaturas superiores a 70 ° C y alta humedad, el policarbonato se hidroliza a bis-fenol A (BPA). Esta condición es similar a la observada en la mayoría de los incineradores. Después de aproximadamente 30 días a 85 ° C / 96% de HR, se forman cristales superficiales que en un 70% consistían en BPA. [34] El BPA es un compuesto que se encuentra actualmente en la lista de sustancias químicas potencialmente peligrosas para el medio ambiente. Está en la lista de vigilancia de muchos países, como Estados Unidos y Alemania. [35]

- (- OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 ) 2 CO -) - n + H 2 O (CH 3 ) 2 C (C 6 H 4 OH) 2 + CO 2

La lixiviación de BPA del policarbonato también puede ocurrir a temperatura ambiental y pH normal (en vertederos). La cantidad de lixiviación aumenta a medida que los discos envejecen. Un estudio encontró que la descomposición del BPA en los vertederos (en condiciones anaeróbicas) no ocurrirá. [35] Por tanto, será persistente en los vertederos. Eventualmente, llegará a los cuerpos de agua y contribuirá a la contaminación acuática. [35] [36]

Fotooxidación de policarbonato

En presencia de luz ultravioleta, la oxidación de este polímero produce compuestos como cetonas, fenoles, ácido o-fenoxibenzoico, alcohol bencílico y otros compuestos insaturados. Esto se ha sugerido mediante estudios cinéticos y espectrales. El color amarillo que se forma después de una exposición prolongada al sol también puede estar relacionado con una mayor oxidación del grupo terminal fenólico [37]

(OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 ) 2 CO) n + O 2 , R * → (OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 CH 2 ) CO) n

Este producto se puede oxidar más para formar compuestos insaturados más pequeños. Esto puede proceder a través de dos vías diferentes, los productos formados dependen de qué mecanismo tiene lugar.

Camino A

(OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 CH 2 ) CO + O 2 , H * HO (OC 6 H 4 ) OCO + CH 3 COCH 2 (OC 6 H 4 ) OCO

Camino B

(OC 6 H 4 ) 2 C (CH 3 CH 2 ) CO) n + O 2 , H * OCO (OC 6 H 4 ) CH 2 OH + OCO (OC 6 H 4 ) COCH 3

Reacción de fotooxidación. [38]

Reacción de fotoenvejecimiento

El fotoenvejecimiento es otra ruta de degradación de los policarbonatos. Las moléculas de policarbonato (como el anillo aromático) absorben la radiación UV. Esta energía absorbida provoca la ruptura de enlaces covalentes que inicia el proceso de fotoenvejecimiento. La reacción se puede propagar mediante oxidación de cadena lateral, oxidación de anillo o reordenamiento de foto-Fries . Los productos formados incluyen salicilato de fenilo, grupos dihidroxibenzofenona y grupos hidroxidifenil éter. [37] [39] [40]

n (C 16 H 14 O 3 ) C 16 H 17 O 3 + C 13 H 10 O 3

Policarbonato fenil salicilato 2,2-dihidroxibenzofenona

Degradación térmica

El policarbonato de desecho se degradará a altas temperaturas para formar contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos. Un estudio mostró que los productos eran aproximadamente 40-50% en peso de líquido, 14-16% en peso de gases, mientras que 34-43% en peso permanecía como residuo sólido. Los productos líquidos contenían principalmente derivados de fenol (∼75% en peso) y bisfenol (∼10% en peso) también presentes. [39] El policarbonato, sin embargo, puede reciclarse de forma segura como fuente de carbono en la industria siderúrgica. [41]

Los derivados del fenol son contaminantes ambientales, clasificados como compuestos orgánicos volátiles (COV). Los estudios muestran que es probable que faciliten la formación de ozono a nivel del suelo y aumenten el smog fotoquímico. [42] En los cuerpos acuáticos, se pueden acumular potencialmente en los organismos. Son persistentes en los vertederos, no se evaporan fácilmente y permanecerían en la atmósfera. [43]

Efecto de los hongos

En 2001 , se descubrió que una especie de hongo en Belice , Geotrichum candidum , consumía el policarbonato que se encuentra en los discos compactos (CD). [44] Esto tiene perspectivas de biorremediación , sin embargo, este efecto no se ha reproducido.

Ver también

  • CR-39 , carbonato de alil diglicol (ADC) utilizado para anteojos
  • Accesorios de teléfono movil
  • Electrónica orgánica
  • poliuretano termoplástico
  • Pulido por vapor

Referencias

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