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Articulo de referencia

Policarbonato

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Los policarbonatos ( PC ) son un grupo de polímeros termoplásticos que contienen grupos carbonato en su estructura química. Los policarbonatos utilizados en ingeniería son materiales resistentes y tenaces , y algunos grados son ópticamente transparentes. Son fáciles de trabajar, moldear y termoformar . Gracias a estas propiedades, los policarbonatos tienen numerosas aplicaciones. Los policarbonatos no tienen un código de identificación de resina (RIC) único y se identifican como "Otros", 7 en la lista RIC. Los productos fabricados con 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 OC(OC) ₂ planares , que les confieren rigidez. El enlace O=C único es corto (1,173 Å en el ejemplo mostrado), mientras que los enlaces CO son más parecidos a los del éter (distancias de enlace de 1,326 Å para el ejemplo mostrado). Los policarbonatos reciben 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, sitúa a los policarbonatos entre los plásticos de uso común y los plásticos de ingeniería .

Producción

Ruta del fosgeno

El principal material de policarbonato se produce mediante la reacción de bisfenol A (BPA) y fosgeno ( COCl2 ). La reacción global 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 (Na₂ ( OC₆H₄ ) ₂CMe₂ ) reacciona con fosgeno para dar un cloroformiato , que posteriormente es atacado por otro fenoxido. La reacción neta a partir 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, el 1,1-bis(4-hidroxifenil)ciclohexano y la dihidroxibenzofenona . El ciclohexano se utiliza como comonómero para suprimir la tendencia a la cristalización del producto derivado del BPA. El tetrabromobisfenol A se utiliza para mejorar la resistencia al fuego. El tetrametilciclobutanodiol se ha desarrollado como sustituto del BPA. [ 6 ]

Ruta de transesterificación

Una ruta alternativa para la obtención de policarbonatos implica la transesterificación a partir 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. Si bien tiene una alta resistencia al impacto, su resistencia al rayado es baja. Por lo tanto, se aplica un recubrimiento duro a las lentes de policarbonato para gafas y a los componentes exteriores de policarbonato para automóviles. Las características del policarbonato son comparables a las del polimetilmetacrilato (PMMA, acrílico), pero el policarbonato es más resistente y soporta mejor las temperaturas extremas. El material procesado térmicamente suele ser totalmente amorfo [ 7 ] y, como resultado, es altamente transparente a la luz visible , con una 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 obtener productos sin tensiones ni deformaciones. Los grados de baja masa molecular son más fáciles de moldear que los de mayor masa molecular, pero su resistencia es menor como resultado. Los grados más resistentes tienen la mayor masa molecular, 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. Por ello, puede procesarse y moldearse a temperatura ambiente mediante técnicas de conformado de chapa metálica , como el doblado con plegadora . Incluso para curvas de ángulo agudo con radio reducido, puede que no sea necesario calentarlo. Esto lo hace valioso en aplicaciones de prototipado donde se necesitan piezas transparentes o no conductoras de electricidad, que no pueden fabricarse con chapa metálica. El PMMA/acrílico , de apariencia similar al policarbonato, es quebradizo y no puede doblarse a temperatura ambiente.

Principales técnicas de transformación para resina(s) de policarbonato:

  • extrusión en tubos, varillas y otros perfiles, incluyendo tubos de pared múltiple.
  • Extrusión mediante cilindros ( calandras ) en láminas ( 0,5–20 mm (0,020–0,787 pulg.) ) y películas (inferiores a 1 mm (0,039 pulg.) ), que pueden utilizarse directamente o transformarse en otras formas mediante termoformado o técnicas de fabricación secundarias , como doblado, perforación o fresado. Debido a sus propiedades químicas, no es apto para el corte por láser.    
  • moldeo por inyección para la obtención de artículos terminados

El policarbonato puede volverse quebradizo cuando se expone a radiación ionizante por encima de 25 kGy (kJ/kg). [ 10 ]

Una botella hecha de policarbonato

Aplicaciones

Componentes electrónicos

El policarbonato se utiliza principalmente en aplicaciones electrónicas que aprovechan sus características de seguridad. Como buen aislante eléctrico con propiedades resistentes al calor y retardantes de llama, se emplea en productos relacionados con sistemas de alimentación y equipos de telecomunicaciones. Puede funcionar como dieléctrico en condensadores de alta estabilidad . [ 6 ] La fabricación comercial de condensadores de policarbonato prácticamente cesó después de que el único fabricante de película de policarbonato para condensadores, Bayer AG , dejara de producirla a finales del año 2000. [ 11 ] [ 12 ]

Materiales de construcción

Láminas de policarbonato en un invernadero

El segundo mayor consumidor de policarbonatos es la industria de la construcción, por ejemplo, para claraboyas, acristalamiento plano o curvo, láminas para techos y paredes acústicas . Los policarbonatos se utilizan para crear materiales de construcción que deben ser duraderos pero ligeros.

Impresión 3D

Los policarbonatos se utilizan ampliamente en la impresión 3D FDM, produciendo plásticos resistentes y duraderos con un alto punto de fusión. Imprimir con policarbonato resulta relativamente difícil para los aficionados en comparación con termoplásticos como el ácido poliláctico (PLA) o el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) debido a su alto punto de fusión, la dificultad de adhesión a la base de impresión, su tendencia a deformarse durante la impresión y su tendencia a absorber humedad en ambientes húmedos. A pesar de estos inconvenientes, la impresión 3D con policarbonatos es común en la comunidad profesional.

Almacenamiento de datos

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

Componentes para la industria automotriz, aeronáutica y de seguridad.

En la industria automotriz, el policarbonato moldeado por inyección puede producir superficies muy lisas, lo que lo hace ideal para la deposición por pulverización catódica o evaporación de aluminio sin 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 lo han convertido en el material dominante para las lentes de los faros de los automóviles. Sin embargo, los faros requieren recubrimientos en la superficie exterior debido a su baja resistencia a los arañazos y su susceptibilidad a la degradación por rayos ultravioleta (amarillamiento). El uso de policarbonato en aplicaciones automotrices se limita a aplicaciones de baja tensión. La tensión generada por los sujetadores, la soldadura de plástico y el moldeo hace que el policarbonato sea susceptible a la corrosión bajo tensión cuando entra en contacto con ciertos aceleradores como el agua salada y el plastisol . Puede laminarse para fabricar "vidrio" antibalas , aunque "resistente a las balas" es más preciso para las ventanas más delgadas, como las que se usan en las ventanas antibalas de los automóviles. Las barreras más gruesas de plástico transparente utilizadas en las ventanillas de los cajeros y las barreras de los bancos también son de policarbonato.

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

Cabina de mando del Lockheed Martin F-22

La cúpula de la cabina del caza a reacción Lockheed Martin F-22 Raptor está fabricada con policarbonato de alta calidad óptica. Es el elemento más grande de su tipo. [ 14 ] [ 15 ]

Aplicaciones de nicho

El policarbonato, al ser un material versátil con atractivas propiedades físicas y de procesamiento, ha atraído a multitud de aplicaciones de menor escala. El uso de botellas, vasos y envases de alimentos moldeados por inyección es común, pero el uso de BPA en la fabricación de policarbonato ha suscitado preocupación (véase Riesgos potenciales en aplicaciones en contacto con alimentos ), lo que ha llevado al desarrollo y uso de plásticos "libres de BPA" en diversas formulaciones.

gafas de seguridad de laboratorio

El policarbonato se usa comúnmente en protección ocular, así como en otras aplicaciones de iluminación y visualización resistentes a proyectiles que normalmente requerirían vidrio , pero que exigen una resistencia al impacto mucho mayor. Las lentes de policarbonato también protegen el ojo de la luz ultravioleta . Muchos tipos de lentes se fabrican con policarbonato, incluyendo lentes para faros de automóviles, lentes de iluminación, lentes para gafas de sol / gafas graduadas , lentes para cámaras , gafas de natación y máscaras de buceo, y gafas/gafas/visores de seguridad, incluyendo visores en cascos/máscaras deportivas y equipo antidisturbios policial (visores de casco, escudos antidisturbios, etc.). Los parabrisas en vehículos motorizados pequeños suelen estar hechos de policarbonato, como los de motocicletas, vehículos todo terreno, carritos de golf y avionetas y helicópteros.

La ligereza del policarbonato en comparación con el vidrio ha propiciado el desarrollo de pantallas electrónicas que sustituyen el vidrio por policarbonato, para su uso en dispositivos móviles y portátiles. Estas pantallas incluyen las más recientes de tinta electrónica y algunas pantallas LCD, aunque las tecnologías CRT, de plasma y otras LCD generalmente siguen requiriendo vidrio debido a su mayor temperatura de fusión y a la posibilidad de grabar con mayor precisión.

A medida que más y más gobiernos restringen el uso de vidrio en bares y clubes debido al aumento de incidentes con vidrio , los vasos de policarbonato se están volviendo populares para servir alcohol debido a su resistencia, durabilidad y tacto similar al del vidrio. [ 16 ] [ 17 ]

La máquina de llenado de pistón Lamy 2000, fabricada en policarbonato y acero inoxidable, se lanzó en 1966 y todavía se encuentra en producción.

Otros artículos diversos incluyen equipaje duradero y ligero, estuches para reproductores de audio digital/MP3 , ocarinas , carcasas de ordenador, escudos antidisturbios , paneles de instrumentos, portavelas y vasos para batidoras. Muchos juguetes y artículos de hobby están hechos de piezas de policarbonato, como aletas, soportes de giroscopio y bloqueos de barra estabilizadora en helicópteros radiocontrolados , [ 18 ] y LEGO transparente ( se utiliza ABS para las piezas opacas). [ 19 ]

Las resinas de policarbonato estándar no son aptas para la exposición prolongada a la radiación UV. Para solucionar este problema, se pueden añadir estabilizadores UV a la resina principal. Estos policarbonatos se comercializan como policarbonato estabilizado UV para empresas de moldeo por inyección y extrusión. En otras aplicaciones, como las láminas de policarbonato, se puede añadir la capa anti-UV como recubrimiento especial o mediante coextrusión para mejorar su resistencia a la intemperie .

El policarbonato también se utiliza como sustrato de impresión para placas de identificación y otros productos impresos de grado industrial. El policarbonato proporciona una barrera contra el desgaste, la intemperie y la decoloración.

Aplicaciones médicas

Muchos grados de policarbonato se utilizan en aplicaciones médicas y cumplen con las normas ISO 10993-1 y USP Clase VI (a veces denominadas PC-ISO). La Clase VI es la más estricta de las seis clasificaciones USP. Estos grados se pueden esterilizar mediante vapor a 120  °C, radiación gamma o mediante el método de óxido de etileno (EtO). [ 20 ] Trinseo limita estrictamente todos sus plásticos en lo que respecta a aplicaciones médicas. [ 21 ] [ 22 ] Se han desarrollado policarbonatos alifáticos con biocompatibilidad y degradabilidad mejoradas para aplicaciones de nanomedicina. [ 23 ]

teléfonos móviles

Algunos fabricantes de teléfonos inteligentes utilizan policarbonato. Nokia utilizó policarbonato en sus teléfonos a partir de la carcasa unibody del N9 en 2011. [ 24 ] Esta práctica continuó con varios teléfonos de la serie Lumia . Samsung comenzó a utilizar policarbonato con la tapa de batería extraíble con la marca hyperglaze del Galaxy S III en 2012. Esta práctica continúa con varios teléfonos de la serie Galaxy . Apple comenzó a utilizar policarbonato con la carcasa unibody del iPhone 5C en 2013.

Las ventajas sobre las cubiertas traseras de vidrio y metal incluyen durabilidad contra roturas (ventaja sobre el vidrio), flexión y rayaduras (ventaja sobre el metal), absorción de impactos, bajos costos de fabricación y ausencia de interferencia con señales de radio y carga inalámbrica (ventaja sobre el metal). [ 25 ] Las cubiertas traseras de policarbonato están disponibles en texturas de superficie brillantes o mate . [ 25 ]

Historia

Los policarbonatos fueron descubiertos por primera vez en 1898 por Alfred Einhorn , un científico alemán que trabajaba en la LMU de Múnich . [ 26 ] Sin embargo, tras 30 años de investigación en laboratorio, esta clase de materiales fue abandonada sin llegar a comercializarse. 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. [ 27 ]

También en 1953, y una semana después de la invención en Bayer, Daniel Fox, de General Electric (GE) en Pittsfield, Massachusetts, sintetizó de forma independiente un policarbonato ramificado . Ambas compañías solicitaron patentes en Estados Unidos en 1955 y acordaron que la compañía que no tuviera prioridad obtendría una licencia para la tecnología. [ 28 ] [ 29 ]

La prioridad de patentes se resolvió a favor de Bayer, y Bayer comenzó la producción comercial bajo el nombre comercial Makrolon en 1958. GE comenzó la producción bajo el nombre Lexan en 1960, creando la división GE Plastics en 1973. [ 30 ]

Después de 1970, el tinte original de policarbonato de color marrón se mejoró hasta lograr un acabado "transparente como el cristal".

Código de reciclaje de policarbonato PC en la parte inferior de una garrafa de agua de 5 galones fabricada por Greif, Inc.

Riesgos potenciales en aplicaciones en contacto con alimentos

El uso de envases de policarbonato para el almacenamiento de alimentos es controvertido. La base de esta controversia es su hidrólisis (degradación por agua, a menudo denominada lixiviación) que ocurre a alta temperatura y 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 pareció liberarse de las jaulas de policarbonato para animales en el agua a temperatura ambiente y podría haber sido responsable del agrandamiento de los órganos reproductores de ratones hembra. [ 31 ] Sin embargo, las jaulas para animales utilizadas en la investigación estaban fabricadas con policarbonato de grado industrial, en lugar de policarbonato de grado alimenticio aprobado por la FDA.

Un análisis de la literatura sobre los efectos de las bajas dosis de lixiviados de bisfenol A, realizado por vom Saal y Hughes y publicado en agosto de 2005, parece haber encontrado una correlación sugerente entre la fuente de financiación y la conclusión obtenida. Los estudios financiados por la industria tienden a no encontrar efectos significativos, mientras que los financiados por el gobierno tienden a encontrar efectos significativos. [ 32 ]

El hipoclorito de sodio y otros limpiadores alcalinos catalizan la liberación de bisfenol A de los envases de policarbonato. [ 33 ] [ 34 ] El policarbonato es incompatible con el amoníaco y la acetona. El alcohol es un disolvente orgánico recomendado para limpiar grasa y aceites del policarbonato.

Impacto ambiental

Desecho

Los estudios han demostrado que a temperaturas superiores a 70  °C y alta humedad, el policarbonato se hidroliza a bisfenol A (BPA). Después de unos 30 días a 85  °C/96 % HR, se forman cristales superficiales que en un 70 % están compuestos de BPA. [ 35 ] El BPA es un compuesto que actualmente figura 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. [ 36 ]

— ( — 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 ambiente y pH normal (en vertederos). La cantidad de lixiviación aumenta a medida que las piezas de policarbonato envejecen. Un estudio encontró que la descomposición del BPA en vertederos (en condiciones anaeróbicas) no ocurre. [ 36 ] Por lo tanto, persistirá en los vertederos. Eventualmente, llegará a los cuerpos de agua y contribuirá a la contaminación acuática. [ 36 ] [ 37 ]

Fotooxidación del policarbonato

En presencia de luz UV, 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 tras una exposición prolongada al sol también puede estar relacionado con una mayor oxidación del grupo terminal fenólico [ 38 ].

(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 puede oxidarse aún más para formar compuestos insaturados más pequeños. Esto puede ocurrir a través de dos vías diferentes; los productos formados dependen del mecanismo que tenga lugar. [ 39 ]

Vía 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
Vía 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 fotoenvejecimiento

El fotoenvejecimiento es otra vía de degradación de los policarbonatos. Las moléculas de policarbonato (como el anillo aromático) absorben radiación UV. Esta energía absorbida provoca la ruptura de los enlaces covalentes, lo que inicia el proceso de fotoenvejecimiento. La reacción puede propagarse mediante oxidación de la cadena lateral, oxidación del anillo o transposición de foto-Fries . Los productos formados incluyen salicilato de fenilo , grupos dihidroxibenzofenona y grupos hidroxidifenil éter . [ 38 ] [ 40 ] [ 41 ]

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

Degradación térmica

El policarbonato residual se degrada a altas temperaturas formando contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos. Un estudio mostró que los productos eran aproximadamente 40-50 % en peso líquidos, 14-16 % en peso gases, mientras que 34-43 % en peso permanecían como residuos sólidos. Los productos líquidos contenían principalmente derivados de fenol (~75 % en peso) y bisfenol (~10 % en peso). [ 40 ] Sin embargo, el policarbonato puede utilizarse de forma segura como fuente de carbono en la industria siderúrgica. [ 42 ]

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. [ 43 ] En los cuerpos de agua, pueden acumularse en los organismos. Son persistentes en los vertederos, no se evaporan fácilmente y permanecen en la atmósfera. [ 44 ]

Efecto de los hongos

En 2001, se descubrió que una especie de hongo en Belice , Geotrichum candidum , consumía el policarbonato presente en los discos compactos (CD). [ 45 ] Esto ofrece perspectivas para la biorremediación . Sin embargo, este efecto no se ha podido reproducir.

Véase también

Referencias

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