Πολυανθρακικό

Τα πολυανθρακικά ή πολυκαρβονικά (PC) είναι ομάδα θερμοπλαστικών πολυμερών που περιέχουν ανθρακικές ομάδες στις χημικές τους δομές. Τα πολυανθρακικά που χρησιμοποιούνται στη μηχανική είναι ισχυρά, σκληρά υλικά και ορισμένες ποιότητες είναι οπτικά διαφανείς. Δουλεύονται εύκολα, καλουπώνονται και θερμοδιαμορφώνονται. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, τα πολυανθρακικά έχουν πολλές εφαρμογές. Τα πολυανθρακικά δεν έχουν μοναδικό κωδικό αναγνώρισης ρητίνης (RIC) και προσδιορίζονται ως "Άλλα", 7 στη λίστα RIC. Τα προϊόντα που κατασκευάζονται από πολυανθρακικό μπορεί να περιέχουν το πρόδρομο μονομερές δισφαινόλη Α (BPA).

Δομή 

Οι ανθρακικοί εστέρες έχουν επίπεδους πυρήνες OC(OC)2, οι οποίοι προσδίδουν ακαμψία. Ο μοναδικός δεσμός O=C είναι βραχύς (1,173 Å στο απεικονιζόμενο παράδειγμα), ενώ οι δεσμοί CO είναι περισσότερο αιθερικοί (οι αποστάσεις δεσμού 1,326 Å για το παράδειγμα που απεικονίζεται). Τα πολυανθρακικά έλαβαν το όνομά τους επειδή είναι πολυμερή που περιέχουν ανθρακικές ομάδες (−O−(C=O)−O−).

Παραγωγή 
Το κύριο πολυανθρακικό υλικό παράγεται από την αντίδραση της δισφαινόλης Α (BPA) και του φωσγενίου . Η συνολική αντίδραση μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Το πρώτο βήμα της σύνθεσης περιλαμβάνει την επεξεργασία της δισφαινόλης Α με υδροξείδιο του νατρίου, το οποίο αποπρωτονίζει τις υδροξυλομάδες της δισφαινόλης Α.

 (HOC6H4)2CMe2 + 2 NaOH → Na2(OC6H4)2CMe2 + 2 H2O

Το διφαινοξείδιο (Na2(OC6H4)2CMe2) αντιδρά με το φωσγένιο για να δώσει ένα χλωρομυρμηκικό άλας, το οποίο στη συνέχεια προσβάλλεται από ένα άλλο φαινοξείδιο. Η καθαρή αντίδραση από το διφαινοξείδιο είναι:

 Na2(OC6H4)2CMe2 + COCl2 → 1/n [OC(OC6H4)2CMe2]n + 2 NaCl

Με αυτόν τον τρόπο παράγονται περίπου ένα δισεκατομμύριο κιλά πολυανθρακικού ετησίως. Πολλές άλλες διόλες έχουν δοκιμαστεί στη θέση της δισφαινόλης Α, π.χ. 1,1-δις(4-υδροξυφαινυλ)κυκλοεξάνιο και διυδροξυβενζοφαινόνη. Το κυκλοεξάνιο χρησιμοποιείται ως συμμονομερές για την καταστολή της τάσης κρυστάλλωσης του προϊόντος που προέρχεται από BPA. Η τετραβρωμοβισφαινόλη Α χρησιμοποιείται για την ενίσχυση της αντοχής στη φωτιά. Η τετραμεθυλκυκλοβουτανοδιόλη έχει αναπτυχθεί ως αντικατάσταση της BPA.

Ιδιότητες και επεξεργασία 
Το πολυανθρακικό είναι ένα ανθεκτικό υλικό. Αν και έχει υψηλή αντοχή στην κρούση, έχει χαμηλή αντοχή στις γρατσουνιές. Επομένως, εφαρμόζεται σκληρή επίστρωση σε πολυανθρακικούς φακούς γυαλιών και πολυανθρακικά εξωτερικά εξαρτήματα αυτοκινήτου. Τα χαρακτηριστικά του πολυανθρακικού συγκρίνονται με αυτά του μεθακρυλικού πολυμεθυλεστέρα (PMMA, ακρυλικό ή πλεξιγκλάς), αλλά το πολυανθρακικό είναι ισχυρότερο και αντέχει περισσότερο σε ακραίες θερμοκρασίες. Το θερμικά επεξεργασμένο υλικό είναι συνήθως εντελώς άμορφο, και έτσι είναι εξαιρετικά διαφανές στο ορατό φως, με καλύτερη μετάδοση φωτός από πολλά είδη γυαλιού.

Το πολυανθρακικό έχει θερμοκρασία μετάπτωσης γυαλιού περίπου , έτσι μαλακώνει σταδιακά πάνω από αυτό το σημείο και ρέει πάνω από περίπου . Τα εργαλεία πρέπει να διατηρούνται σε υψηλές θερμοκρασίες, γενικά πάνω από  για την παραγωγή προϊόντων χωρίς καταπονήσεις. Οι ποιότητες χαμηλής μοριακής μάζας είναι πιο εύκολο να καλουπωθούν από τις υψηλότερες ποιότητες, αλλά η αντοχή τους είναι χαμηλότερη. Οι πιο σκληρές ποιότητες έχουν την υψηλότερη μοριακή μάζα, αλλά είναι πιο δύσκολο να υποστούν επεξεργασία.

Σε αντίθεση με τα περισσότερα θερμοπλαστικά, το πολυανθρακικό μπορεί να υποστεί μεγάλες πλαστικές παραμορφώσεις χωρίς να ραγίσει ή να σπάσει. Ως αποτέλεσμα, μπορεί να υποστεί επεξεργασία και μορφοποίηση σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας τεχνικές λαμαρίνας. Ακόμη και για απότομες γωνίες με στενή ακτίνα, η θέρμανση μπορεί να μην είναι απαραίτητη. Αυτό το καθιστά πολύτιμο σε εφαρμογές πρωτοτύπων όπου χρειάζονται διαφανή ή ηλεκτρικά μη αγώγιμα μέρη, τα οποία δεν μπορούν να κατασκευαστούν από λαμαρίνα. Το PMMA, το οποίο είναι παρόμοιο στην εμφάνιση με το πολυανθρακικό, είναι εύθραυστο και δεν μπορεί να λυγιστεί σε θερμοκρασία δωματίου.

Το πολυανθρακικό μπορεί να γίνει εύθραυστο όταν εκτίθεται σε ιονίζουσα ακτινοβολία άνω των

Εφαρμογές

Ηλεκτρονικά εξαρτήματα 
Το πολυανθρακικό χρησιμοποιείται κυρίως για ηλεκτρονικές εφαρμογές που αξιοποιούν τα συλλογικά χαρακτηριστικά ασφαλείας του. Ένας καλός ηλεκτρικός μονωτής με ιδιότητες ανθεκτικές στη θερμότητα και με πυρίμαχες ιδιότητες, χρησιμοποιείται σε προϊόντα που σχετίζονται με ηλεκτρικό και τηλεπικοινωνιακό υλικό. Μπορεί να χρησιμεύσει ως διηλεκτρικό σε πυκνωτές υψηλής σταθερότητας. Η εμπορική κατασκευή πολυανθρακικών πυκνωτών ως επί το πλείστον σταμάτησε αφού ο μοναδικός κατασκευαστής Bayer AG σταμάτησε να κατασκευάζει πολυανθρακικό φιλμ ποιότητας πυκνωτή στα τέλη του 2000.

Κατασκευαστικά υλικά 

Ο δεύτερος μεγαλύτερος καταναλωτής πολυανθρακικών αλάτων είναι ο κατασκευαστικός κλάδος, π.χ. για φώτα θόλου, επίπεδα ή κυρτά τζάμια, φύλλα στέγης και φραγμός θορύβου. Τα πολυανθρακικά χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία υλικών που χρησιμοποιούνται σε κτίρια που πρέπει να είναι ανθεκτικά αλλά ελαφριά.

Τρισδιάστατη εκτύπωση 
Τα πολυανθρακικά χρησιμοποιούνται εκτενώς στην τρισδιάστατη εκτύπωση FDM, παράγοντας ανθεκτικά, ισχυρά πλαστικά προϊόντα με υψηλό σημείο τήξης. Το πολυανθρακικό είναι σχετικά δύσκολο για τους περιστασιακούς χομπίστες να εκτυπώσουν σε σύγκριση με θερμοπλαστικά όπως το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) ή το ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρένιο (ABS) λόγω του υψηλού σημείου τήξης, της δυσκολίας πρόσφυσης στην μήτρα εκτύπωσης, της τάσης να παραμορφώνεται κατά την εκτύπωση και της τάσης να απορροφά υγρασία σε υγρά περιβάλλοντα. Παρά αυτά τα προβλήματα, η τρισδιάστατη εκτύπωση με χρήση πολυανθρακικών είναι κοινή σε επαγγελματικές εγκαταστάσεις.

Αποθήκευση δεδομένων 

Μια σημαντική αγορά πολυανθρακικών είναι η παραγωγή συμπαγών δίσκων, DVD και δίσκων Blu-ray. Αυτοί οι δίσκοι παράγονται με χύτευση πολυανθρακικού με έγχυση σε μια κοιλότητα καλουπιού που έχει στη μία πλευρά ένα μεταλλικό σφραγιστικό που περιέχει μια αρνητική εικόνα των δεδομένων του δίσκου, ενώ η άλλη πλευρά του καλουπιού είναι μια επιφάνεια με καθρέφτη. Τα τυπικά προϊόντα παραγωγής φύλλων/ταινιών περιλαμβάνουν εφαρμογές σε διαφημίσεις (επιγραφές, οθόνες, προστασία αφίσας).

Εξαρτήματα αυτοκινήτου, αεροσκαφών και ασφαλείας 
Στην αυτοκινητοβιομηχανία, το πολυανθρακικό χυτευμένο με έγχυση μπορεί να παράγει πολύ λείες επιφάνειες που το καθιστούν κατάλληλο για εναπόθεση με διασκορπισμό ή εναπόθεση αλουμινίου με εξάτμιση χωρίς την ανάγκη για επίστρωση βάσης. Τα διακοσμητικά πλαίσια και οι οπτικοί ανακλαστήρες κατασκευάζονται συνήθως από πολυανθρακικό. Το χαμηλό βάρος και η υψηλή αντοχή στην κρούση έχουν κάνει το πολυανθρακικό το κυρίαρχο υλικό για τους φακούς προβολέων αυτοκινήτου. Ωστόσο, οι προβολείς αυτοκινήτων απαιτούν επιστρώσεις εξωτερικής επιφάνειας λόγω της χαμηλής τους αντοχής στις γρατσουνιές και της ευαισθησίας τους στην υπεριώδη υποβάθμιση (κιτρίνισμα). Η χρήση πολυανθρακικού σε εφαρμογές αυτοκινήτων περιορίζεται σε εφαρμογές χαμηλής καταπόνησης. Μπορεί να πλαστικοποιηθεί για να κατασκευάσει αλεξίσφαιρο «γυαλί». Τα παχύτερα φράγματα από διαφανές πλαστικό που χρησιμοποιούνται στα παράθυρα των ταμείων και τα φράγματα στις τράπεζες είναι επίσης πολυανθρακικά.

Η λεγόμενη «αντικλεπτική» μεγάλη πλαστική συσκευασία για μικρότερα αντικείμενα, που δεν ανοίγει με το χέρι, είναι συνήθως κατασκευασμένη από πολυανθρακικό.

Ο θόλος του πιλοτηρίου του μαχητικού αεροσκάφους Lockheed Martin F-22 Raptor είναι κατασκευασμένος από υψηλής οπτικής ποιότητας πολυανθρακικό. Είναι το μεγαλύτερο αντικείμενο αυτού του τύπου.

Ειδικές εφαρμογές 
Το πολυανθρακικό, ως ένα ευέλικτο υλικό με ελκυστικές ιδιότητες, έχει αποκτήσει μυριάδες μικρότερες εφαρμογές. Η χρήση φιαλών ποτών με έγχυση, ποτηριών και δοχείων τροφίμων είναι συνηθισμένη, αλλά η χρήση BPA στην κατασκευή πολυανθρακικών έχει προκαλέσει ανησυχίες, οδηγώντας στην ανάπτυξη και χρήση πλαστικών «χωρίς BPA» σε διάφορα σκευάσματα.

Το πολυανθρακικό χρησιμοποιείται συνήθως για την προστασία των ματιών, καθώς και σε άλλες εφαρμογές θέασης και φωτισμού ανθεκτικές στα βλήματα που κανονικά υποδεικνύουν τη χρήση γυαλιού, αλλά απαιτούν πολύ μεγαλύτερη αντοχή στην κρούση. Οι πολυανθρακικοί φακοί προστατεύουν επίσης το μάτι από την υπεριώδη ακτινοβολία. Πολλά είδη φακών κατασκευάζονται από πολυανθρακικό, συμπεριλαμβανομένων των φακών προβολέων αυτοκινήτου, των φακών φωτισμού, των γυαλιών ηλίου / γυαλιών οράσεως, των γυαλιών κολύμβησης και των μάσκες SCUBA και των γυαλιών ασφαλείας/γυαλιών/προσωπίδων, συμπεριλαμβανομένων των προσωπίδων σε αθλητικά κράνη/μάσκες και εξαρτήματα αστυνομικών αντεγκλήσεων ( ασπίδες ταραχών κ.λπ.). Τα παρμπρίζ σε μικρά μηχανοκίνητα οχήματα είναι συνήθως κατασκευασμένα από πολυανθρακικό, όπως για μοτοσυκλέτες, ATV, αμαξίδια γκολφ και μικρά αεροπλάνα και ελικόπτερα.

Το μικρό βάρος του πολυανθρακικού σε σύγκριση με το γυαλί έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών οθονών που αντικαθιστούν το γυαλί με πολυανθρακικό, για χρήση σε κινητές και φορητές συσκευές. Τέτοιες οθόνες περιλαμβάνουν νεότερο e-ink και ορισμένες οθόνες LCD, αν και οι οθόνες καθοδικού σωλήνα, πλάσματος και άλλες τεχνολογίες LCD γενικά εξακολουθούν να απαιτούν γυαλί λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας τήξης και της ικανότητάς του να χαράσσεται με λεπτότερη λεπτομέρεια.

Καθώς όλο και περισσότερες κυβερνήσεις περιορίζουν τη χρήση γυαλιού σε παμπ και κλαμπ λόγω της αυξημένης συχνότητας επιθέσεων με γυαλί, τα ποτήρια από πολυανθρακικό γίνονται δημοφιλή για σερβίρισμα αλκοόλ λόγω της αντοχής και της αίσθησης που μοιάζει με γυαλί.

Άλλα διάφορα είδη περιλαμβάνουν ανθεκτικές, ελαφριές αποσκευές, θήκες MP3/ψηφιακών συσκευών αναπαραγωγής ήχου, οκαρίνες, θήκες υπολογιστών, ασπίδες ταραχών, ταμπλό οργάνων, δοχεία για κεριά ρεσώ και βάζα μπλέντερ τροφίμων. Πολλά παιχνίδια και είδη χόμπι είναι κατασκευασμένα από πολυανθρακικά μέρη, όπως πτερύγια, γυροσκόπια και κλειδαριές σε ραδιοελεγχόμενα ελικόπτερα και διαφανή LEGO (το ABS χρησιμοποιείται για αδιαφανή κομμάτια).

Ιατρικές εφαρμογές 
Πολλές ποιότητες πολυανθρακικών χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές και συμμορφώνονται τόσο με τα πρότυπα ISO 10993-1 όσο και με τα πρότυπα USP κλάση VI (που περιστασιακά αναφέρονται ως PC-ISO). Η κλάση VI είναι η πιο αυστηρή από τις έξι αξιολογήσεις USP. Αυτές οι ποιότητες μπορούν να αποστειρωθούν με ατμό στους 120°C, ακτινοβολία γάμμα, ή με τη μέθοδο οξειδίου του αιθυλενίου (EtO). Η Dow Chemical περιορίζει αυστηρά όλα τα πλαστικά της όσον αφορά τις ιατρικές εφαρμογές. Τα αλειφατικά πολυανθρακικά έχουν αναπτυχθεί με βελτιωμένη βιοσυμβατότητα και ικανότητα αποικοδόμησης για εφαρμογές νανοϊατρικής.

Ιστορία 
Τα πολυανθρακικά ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 1898 από τον Άλφρεντ Άινχορν, έναν Γερμανό επιστήμονα που εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Ωστόσο, μετά από 30 χρόνια εργαστηριακής έρευνας, αυτή η κατηγορία υλικών εγκαταλείφθηκε χωρίς εμπορευματοποίηση. Η έρευνα ξεκίνησε ξανά το 1953, όταν ο Χέρμαν Σνελ στην Bayer στο Ουέρντιγκεν της Γερμανίας κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το πρώτο γραμμικό πολυανθρακικό. Η επωνυμία «Makrolon» καταχωρήθηκε το 1955.

Επίσης το 1953, και μία εβδομάδα μετά την εφεύρεση στη Bayer, ο Ντάνιελ Φοξ στη General Electric συνέθεσε ανεξάρτητα ένα διακλαδισμένο πολυανθρακικό. Και οι δύο εταιρείες υπέβαλαν αίτηση για διπλώματα ευρεσιτεχνίας στις ΗΠΑ το 1955 και συμφώνησαν ότι η εταιρεία που δεν είχε προτεραιότητα θα λάβει άδεια για την τεχνολογία.

Η προτεραιότητα του διπλώματος ευρεσιτεχνίας επιλύθηκε υπέρ της Bayer και η Bayer ξεκίνησε την εμπορική παραγωγή με την εμπορική ονομασία Makrolon το 1958. Η GE ξεκίνησε την παραγωγή με το όνομα Lexan το 1960, δημιουργώντας το τμήμα GE Plastics το 1973.

Επιπτώσεις στο περιβάλλον 
Μελέτες έχουν δείξει ότι σε θερμοκρασίες άνω των 70 °C και υψηλή υγρασία, το πολυανθρακικό θα υδρολυθεί σε δις-φαινόλη Α (BPA). Μετά από περίπου 30 ημέρες σε 85 °C / 96% RH, σχηματίζονται επιφανειακοί κρύσταλλοι που κατά 70% αποτελούνταν από BPA. Η BPA είναι μια ένωση που βρίσκεται επί του παρόντος στον κατάλογο των πιθανών επικίνδυνων για το περιβάλλον χημικών ουσιών. Είναι στη λίστα παρακολούθησης πολλών χωρών, όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Γερμανία.

-(-OC6H4)2C(CH3)2CO-)-n + H2O  (CH3)2C(C6H4OH)2 + CO2

Η έκπλυση του BPA από πολυανθρακικό μπορεί επίσης να συμβεί σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και κανονικό pH (σε χώρους υγειονομικής ταφής). Μια μελέτη διαπίστωσε ότι η αποσύνθεση της BPA σε χώρους υγειονομικής ταφής (υπό αναερόβιες συνθήκες) δεν θα συμβεί. Ως εκ τούτου, θα είναι επίμονη στις χωματερές. Τελικά, θα καταλήξει σε υδάτινα σώματα και θα συμβάλει στη ρύπανση των υδάτων.

Παρουσία υπεριώδους φωτός, η οξείδωση αυτού του πολυμερούς αποδίδει ενώσεις όπως κετόνες, φαινόλες, ο-φαινοξυβενζοϊκό οξύ, βενζυλική αλκοόλη και άλλες ακόρεστες ενώσεις. Αυτό έχει προταθεί μέσω κινητικών και φασματικών μελετών. Το κίτρινο χρώμα που σχηματίζεται μετά από μακρά έκθεση στον ήλιο μπορεί επίσης να σχετίζεται με περαιτέρω οξείδωση της φαινολικής τελικής ομάδας

(OC6H4)2C(CH3)2CO) n + O2, R* → (OC6H4)2C(CH3CH2)CO) n

Αυτό το προϊόν μπορεί να οξειδωθεί περαιτέρω για να σχηματίσει μικρότερες ακόρεστες ενώσεις.

Η φωτογήρανση είναι μια άλλη οδός αποικοδόμησης για τα πολυανθρακικά. Τα μόρια πολυανθρακικού (όπως ο αρωματικός δακτύλιος) απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτή η απορροφούμενη ενέργεια προκαλεί διάσπαση ομοιοπολικών δεσμών που ξεκινά τη διαδικασία της φωτογήρανσης. Η αντίδραση μπορεί να διαδοθεί μέσω οξείδωσης πλευρικής αλυσίδας, οξείδωσης δακτυλίου ή αναδιάταξης φώτο-Φρις. Τα προϊόντα που σχηματίζονται περιλαμβάνουν σαλικυλικό φαινυλεστέρα, ομάδες διυδροξυβενζοφαινόνης και ομάδες υδροξυδιφαινυλαιθέρα.

Τα απόβλητα πολυανθρακικών θα αποικοδομηθούν σε υψηλές θερμοκρασίες για να σχηματίσουν στερεούς, υγρούς και αέριους ρύπους. Μια μελέτη έδειξε ότι τα προϊόντα ήταν περίπου 40-50 wt.% υγρά, 14-16 wt.% αέρια, ενώ το 34-43 wt.% παρέμεινε ως στερεό υπόλειμμα. Υγρά προϊόντα που περιείχαν κυρίως παράγωγα φαινόλης (~75 wt.%) και υπάρχει επίσης δισφαινόλη (~10wt.%). Το πολυανθρακικό, ωστόσο, μπορεί να ανακυκλωθεί με ασφάλεια ως πηγή άνθρακα στη βιομηχανία παραγωγής χάλυβα.

Τα παράγωγα φαινόλης είναι περιβαλλοντικοί ρύποι, ταξινομημένοι ως πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC). Μελέτες δείχνουν ότι είναι πιθανό να διευκολύνουν το σχηματισμό όζοντος στο επίπεδο του εδάφους και να αυξήσουν την φωτοχημική αιθαλομίχλη. Σε υδρόβια σώματα, μπορούν δυνητικά να συσσωρευτούν σε οργανισμούς. Επιμένουν επίσης στις χωματερές, δεν εξατμίζονται εύκολα και παραμένουν στην ατμόσφαιρα.

Παραπομπές 

Πλαστικά
Οπτικά υλικά
Διηλεκτρικά