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. Son fáciles de trabajar, moldear y termoformar . Debido a estas propiedades, los policarbonatos encuentran muchas aplicaciones. Los policarbonatos no tienen un código único de identificación de resina (RIC) y están identificados como "Otros", 7 en la lista RIC. Los productos elaborados con policarbonato pueden contener el monómero precursor bisfenol A (BPA).
Los ésteres de carbonato tienen núcleos planos OC(OC) 2 , que les confieren rigidez. El enlace único O=C es corto (1,173 Å en el ejemplo representado), mientras que los enlaces CO son más parecidos al éter (las distancias de enlace de 1,326 Å en 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, posiciona a los policarbonatos entre los plásticos básicos y los plásticos de ingeniería .
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]
El difenóxido (Na 2 (OC 6 H 4 ) 2 CMe 2 ) reacciona con fosgeno para dar un cloroformiato , que posteriormente es atacado por otro fenóxido. La reacción neta del difenóxido es:
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 utiliza 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 a partir de BPA y carbonato de difenilo :
El policarbonato es un material duradero. Aunque tiene una alta resistencia al impacto, tiene baja resistencia al rayado. Por lo tanto, se aplica un recubrimiento duro a lentes de policarbonato para gafas y a componentes exteriores de policarbonato para automóviles. Las características del policarbonato se comparan con las del polimetacrilato de metilo (PMMA, acrílico), pero el policarbonato es más resistente y resistirá por más tiempo 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 baja masa molecular son más fáciles de moldear que los grados más altos, pero como resultado su resistencia es menor. Los grados más duros 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 con un freno . Incluso para curvas de ángulos cerrados 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 no conductoras de electricidad, que no pueden fabricarse con chapa de metal. PMMA/Acrílico , que tiene una apariencia similar al policarbonato, es quebradizo y no se puede doblar a temperatura ambiente.
Principales técnicas de transformación de resinas de policarbonato:
El policarbonato puede volverse quebradizo cuando se expone a radiación ionizante superior a 25 kGy (kJ/kg). [10]
El policarbonato se utiliza principalmente para aplicaciones electrónicas que aprovechan sus características de seguridad colectiva. Un buen aislante eléctrico con propiedades resistentes al calor y retardantes de llama, se utiliza en productos asociados con sistemas de energía y hardware de telecomunicaciones. Puede servir como dieléctrico en condensadores de alta estabilidad . [6] La fabricación comercial de condensadores de policarbonato se detuvo en su mayor parte después de que el único fabricante Bayer AG dejara de fabricar películas de policarbonato para condensadores a finales de 2000. [11] [12]
El segundo mayor consumidor de policarbonatos es la industria de la construcción, por ejemplo para claraboyas, acristalamientos planos o curvos, láminas para tejados y paredes acústicas . Los policarbonatos se utilizan para crear materiales utilizados en edificios que deben ser duraderos pero ligeros.
Los policarbonatos se utilizan ampliamente en la impresión 3D FDM, produciendo productos plásticos resistentes y duraderos con un alto punto de fusión. El policarbonato es relativamente difícil de imprimir para los aficionados ocasionales en comparación con los termoplásticos como el ácido poliláctico (PLA) o el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) debido al alto punto de fusión, la dificultad con la adhesión de la base de impresión, la tendencia a deformarse durante la impresión y la tendencia a absorber la humedad. en ambientes húmedos. A pesar de estos problemas, la impresión 3D utilizando policarbonatos es común en la comunidad profesional.
Un mercado importante del policarbonato es la producción de discos compactos , DVD y discos Blu-ray . [13] Estos discos se producen moldeando policarbonato por inyección en una cavidad de molde que tiene en un lado un estampador de metal 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 (rótulos, displays, protección de carteles). [6]
En la industria automotriz, el policarbonato moldeado por inyección puede producir superficies muy lisas que lo hacen muy adecuado para la deposición por pulverización o por 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 han convertido al policarbonato en 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 (amarilleo). El uso de policarbonato en aplicaciones automotrices se limita a aplicaciones de baja tensión. La tensión de los sujetadores, la soldadura de plástico y el moldeado hacen que el policarbonato sea susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión cuando entra en contacto con ciertos acelerantes como el agua salada y el plastisol . Se puede laminar para fabricar "vidrio" a prueba de balas , aunque "resistente a las balas" es más exacto para las ventanas más delgadas, como las que se utilizan en las ventanas resistentes a las balas de los automóviles. Las barreras más gruesas de plástico transparente que se utilizan en las ventanillas de los cajeros y en las barreras de los bancos también son de policarbonato.
Los llamados envases de plástico grandes "a prueba de robos" para artículos más pequeños que no se pueden abrir con la mano se fabrican normalmente de policarbonato.
La cabina del avión de combate Lockheed Martin F-22 Raptor está fabricada con policarbonato de alta calidad óptica. Es el artículo más grande de su tipo. [14] [15]
El policarbonato, al ser un material versátil con propiedades físicas y de procesamiento atractivas, ha atraído innumerables aplicaciones más pequeñas. El uso de botellas para beber, vasos y recipientes para alimentos moldeados por inyección es común, pero el uso de BPA en la fabricación de policarbonato ha generado preocupaciones (consulte Posibles peligros en aplicaciones en contacto con alimentos), lo que ha llevado al desarrollo y uso de plásticos "libres de BPA". en diversas formulaciones.
El policarbonato se usa comúnmente en protección ocular, así como en otras aplicaciones de iluminación y visualización resistentes a proyectiles que normalmente indicarían el uso de vidrio , pero que requieren una resistencia a los impactos mucho mayor. Las lentes de policarbonato también protegen el ojo de la luz ultravioleta . Se fabrican muchos tipos de lentes a partir de policarbonato, incluidos lentes para faros de automóviles, lentes de iluminación, lentes para gafas de sol / gafas , gafas de natación y máscaras de buceo, y gafas/gafas/visores de seguridad, incluidos visores en cascos/máscaras deportivas y equipo antidisturbios de la policía (viseras de cascos, escudos antidisturbios, etc.). Los parabrisas de los vehículos motorizados pequeños suelen estar hechos de policarbonato, como los de las motocicletas, los vehículos todo terreno, los carritos de golf y los aviones y helicópteros pequeños.
El peso ligero del policarbonato en comparación con el vidrio ha llevado al desarrollo de pantallas electrónicas que reemplazan el vidrio con policarbonato, para su uso en dispositivos móviles y portátiles. Estas pantallas incluyen tinta electrónica más nueva y algunas pantallas LCD, aunque las CRT, las pantallas de plasma y otras tecnologías LCD generalmente todavía requieren vidrio por su mayor temperatura de fusión y su capacidad para grabarse con mayor detalle.
A medida que más y más gobiernos restringen el uso de vidrio en pubs y discotecas debido a la mayor incidencia de vidrios , los vasos de policarbonato se están volviendo populares para servir alcohol debido a su resistencia, durabilidad y sensación de vidrio. [16] [17]
Otros artículos diversos incluyen equipaje liviano y duradero, estuches para reproductores de audio digital/MP3 , ocarinas , estuches para computadoras, escudos antidisturbios , paneles de instrumentos, recipientes para velas tipo candelita 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 de vuelo en helicópteros radiocontrolados , [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 extrusión y moldeo por inyección. A otras aplicaciones, incluidas las láminas de policarbonato, se les puede agregar la capa anti-UV como un recubrimiento especial o una coextrusión para mejorar la resistencia a la intemperie.
El policarbonato también se utiliza como sustrato de impresión para placas de identificación y otras formas de productos impresos de grado industrial. El policarbonato proporciona una barrera contra el desgaste, los elementos y la decoloración.
Muchos grados de policarbonato se utilizan en aplicaciones médicas y cumplen con las normas ISO 10993-1 y USP Clase VI (ocasionalmente denominadas PC-ISO). La Clase VI es la más estricta de las seis clasificaciones de la USP. Estos grados se pueden esterilizar mediante vapor a 120 °C, radiación gamma o mediante el método del óxido de etileno (EtO). [20] Trinseo 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]
Algunos fabricantes de teléfonos inteligentes utilizan policarbonato. Nokia utilizó policarbonato en sus teléfonos comenzando con la carcasa unibody del N9 en 2011. Esta práctica continuó con varios teléfonos de la serie Lumia . Samsung comenzó a usar policarbonato con la tapa de batería extraíble de 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.
Los beneficios sobre las cubiertas traseras de vidrio y metal incluyen durabilidad contra roturas (ventaja sobre el vidrio), flexión y rayado (ventaja sobre el metal), absorción de impactos, bajos costos de fabricación y ausencia de interferencias con señales de radio y carga inalámbrica (ventaja sobre el metal). [24] Las cubiertas traseras de policarbonato están disponibles en texturas de superficie brillante o mate . [24]
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 fue abandonada 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 (GE) en Pittsfield, Massachusetts, sintetizó de forma independiente un policarbonato ramificado . Ambas empresas solicitaron patentes estadounidenses en 1955 y acordaron que a la empresa que careciera de prioridad se le concedería una licencia para la tecnología. [27] [28]
La prioridad de la patente 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 de Lexan en 1960, creando la división GE Plastics en 1973. [29]
Después de 1970, el tinte original de policarbonato parduzco se mejoró a "claro como el cristal".
El uso de recipientes de policarbonato para almacenar alimentos es controvertido. La base de esta controversia es que su hidrólisis (degradación por el agua, a menudo denominada lixiviación) que se produce a alta temperatura, libera bisfenol A :
Más de 100 estudios han explorado la bioactividad del bisfenol A derivado de los policarbonatos. El bisfenol A parecía liberarse de las jaulas de policarbonato de los animales al agua a temperatura ambiente y puede haber sido responsable del agrandamiento de los órganos reproductivos de las ratonas hembra. [30] Sin embargo, las jaulas para animales utilizadas en la investigación se fabricaron 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 realizado por vom Saal y Hughes publicado en agosto de 2005 parece haber encontrado una sugerente correlación 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 de bisfenol A de los recipientes 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 de policarbonato.
Los estudios han demostrado que a temperaturas superiores a 70 °C y alta humedad, el policarbonato se hidroliza a bisfenol A (BPA). Después de aproximadamente 30 días a 85 °C/96 % de humedad relativa, se forman cristales superficiales que estaban compuestos en un 70 % por BPA. [34] El BPA es un compuesto que actualmente se encuentra 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]
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 las piezas de policarbonato envejecen. Un estudio encontró que la descomposición del BPA en los vertederos (en condiciones anaeróbicas) no ocurrirá. [35] Por lo tanto, será persistente en los vertederos. Con el tiempo, llegará a los cuerpos de agua y contribuirá a la contaminación acuática. [35] [36]
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 larga exposición al sol también puede estar relacionado con una mayor oxidación del grupo terminal fenólico [37]
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. [38]
Camino A
Vía B
El fotoenvejecimiento es otra ruta de degradación de los policarbonatos. Las moléculas de policarbonato (como el anillo aromático) absorben la radiación ultravioleta. Esta energía absorbida provoca la ruptura de enlaces covalentes que inicia el proceso de fotoenvejecimiento. La reacción se puede propagar mediante oxidación de cadenas laterales, oxidación de anillos o reordenamiento de foto-Fries . Los productos formados incluyen salicilato de fenilo , grupos dihidroxibenzofenona y grupos éter hidroxidifenílico. [37] [39] [40]
El policarbonato residual se degradará a altas temperaturas para formar contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos. Un estudio demostró que los productos eran aproximadamente entre un 40 y un 50 % en peso de líquidos, entre un 14 y un 16 % en peso de gases, mientras que entre un 34 y un 43 % en peso permanecían como residuos sólidos. Los productos líquidos contenían principalmente derivados de fenol (~75% en peso) y también estaban presentes bisfenol (~10% en peso). [39] El policarbonato, sin embargo, se puede utilizar 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, potencialmente pueden acumularse en organismos. Son persistentes en los vertederos, no se evaporan fácilmente y permanecerían en la atmósfera. [43]
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.
Al policarbonato se le puede aplicar satisfactoriamente una exposición de esterilización de dosis única (22), pero tiende a volverse quebradizo muy por encima de 2,5 Mrad.
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