POLICARBONATO

Policarbonato

Hermann Schnell, investigador de Bayer AG, experimenta con poliéster y fosgeno gaseoso. A mediados de 1953 descubre el policarbonato en el laboratorio de la factoría de Uerdingen. Ese material fue registrado bajo el nombre comercial de Makrolon®, nombre que mantiene hoy en día.

Casi al mismo tiempo se logra también tener éxito, pues también en 1953, Daniel W. Fox, un científico que trabajaba en la General Electric Co. buscando un material que sirviera como recubrimiento de cables eléctricos, descubrió una resina de policarbonato tenaz y resistente al calor, sintetizada igualmente a base de éster de ácido carbónico. General Electric enseguida se dio cuenta de que el producto podía tener un buen futuro y lo registro con el nombre de Lexan®.

Los puntos fuertes del policarbonato (transparencia, resistencia frente a impactos y buen comportamiento frente a temperaturas relativamente elevadas) hicieron vislumbrar el éxito de este producto desde un primer momento. Sus aplicaciones son variadísimas, como sustituto del vidrio en numerosas aplicaciones, en el ámbito de la construcción y del automóvil, telecomunicaciones, etc.

Estructura química

Las dos moléculas principales que intervienen en la síntesis del policarbonato son el bisfenol A y el fosgeno.

El primer paso para obtener un policarbonato es tratar el bisfenol A con NaOH. El grupo hidroxilo va a cumplir la función que cumplen los álcalis, tomando un protón del bisfenol A. Cuando esto sucede, el grupo hidroxilo se transforma en una molécula de agua y el bisfenol A, que es un alcohol, se encontrará en su forma de sal disódica. Luego, sobre el grupo alcohol del bisfenol A, ocurre la misma reacción otra vez.

Ahora que el bisfenol A es una sal, puede actuar sobre el fosgeno. Podemos ver que el oxígeno de la sal de bisfenol A tiene ahora una carga negativa. Esto quiere decir que puede donar un par de electrones al átomo de carbono del fosgeno. Téngase en cuenta que ese carbono se encuentra deficiente de electrones, porque es vecino del oxígeno electronegativo. Cuando ese átomo de carbono gana un nuevo par electrónico proveniente de la sal de bisfenol A, deja escapar uno de los pares que estaba compartiendo en forma no equitativa con el oxígeno del carbonilo. Este par quedará sobre ese oxígeno, dándole una carga negativa.

La reacción no se para en este punto, sino que los electrones de ese oxígeno volverán hacia el carbono, restituyendo el doble enlace carbono-oxígeno. De hecho, sabemos que el carbono no puede compartir diez electrones, de modo que tiene que deshacerse de dos. Y los dos electrones que se van a “embarcar”, son el par que el carbono había estado compartiendo con uno de los átomos de cloro. Así, el cloro y sus electrones serán “expulsados” de la molécula. La molécula que se forma ahora se llama cloroformato. El ión cloruro que fue expulsado, se unirá con ese ión sodio que había estado “rondando” silenciosamente durante toda la conmoción, para formar NaCl.

El cloroformato puede ser atacado por otra molécula de bisfenol A, tal como lo hizo el fosgeno. Y una segunda molécula de bisfenol A puede atacar tal como lo hizo la primera.

Y lo hace a través de un intermediario similar y un juego electrónico similar al que vimos, para obtener el carbonato constituido por las especies mostradas.

Después de esto, los grupos salinos de la gran molécula pueden reaccionar con más fosgeno y de ese modo, la molécula crece hasta que obtenemos el policarbonato.

Hasta ahora hemos estado hablando de sólo un policarbonato, el policarbonato de bisfenol A. Pero hay otro policarbonato con un uso bastante importante ya que es el policarbonato que se utiliza para hacer lentes ultra-livianas. Para las personas con vista realmente mala, si las lentes fueran hechas de cristal, serían tan gruesas que serían demasiado pesadas para usar. Este otro policarbonato permite solventar no sólo el problema del peso (ya que es mucho más liviano que el cristal), sino que también permite utilizar cristales más finos, ya que tiene un índice de refracción mucho más alto. Eso significa que la luz se refracta más que en el cristal y de este modo los cristales ya no necesitan ser tan gruesos.

Este policarbonato es muy diferente del policarbonato del bisfenol A. Se sintetiza a partir de este monómero:

Dialildietilenglicol

Se puede observar que tiene dos grupos alílicos en los extremos. Estos grupos alílicos contienen enlaces dobles carbono-carbono. Esto significa que pueden polimerizar por una polimerización vinílica por radicales libres. Obviamente, hay dos grupos alílicos en cada monómero. Esos grupos se convertirán en parte de distintas cadenas poliméricas. De esta forma, todas las cadenas se unirán unas con otras para formar un material entrecruzado parecido a éste:

Como se puede ver, los grupos que contienen carbonato (mostrados en azul) forman los entrucruzamientos entre las cadenas poliméricas (mostradas en rojo). Este entrecruzamiento hace el material muy fuerte, de modo que no se romperá tan fácilmente como el cristal. Esto es realmente importante para los cristales de las gafas de los niños 

Hay una diferencia fundamental entre los dos tipos de policarbonato descritos aquí, que debe ser señalada. El policarbonato de bisfenol A es un termoplástico. Esto significa que puede ser moldeado en caliente. Pero el policarbonato usado en los cristales de las gafas (policarbonato de dialildietilenglicol o CR-39) es un termorrígido. Los termorrígidos no funden y no pueden moldearse nuevamente. Se utilizan para hacer objetos realmente fuertes y resistentes al calor.

PROPIEDADES DE LOS POLICARBONATOS.

Existen, actualmente desarrollados por  GE y Bayer más de 20 tipos diferentes de policarbonato de bisfenol A. Muchos de estos contienen agregados para mejorar las propiedades originales del policarbonato para una determinada aplicación, como: fibra de vidrio, absorbentes de UV, aditivos anti-llama, desmoldantes, antioxidantes, etc. Todos estos materiales pueden ser comercializados en "color" transparente (excepto los materiales con fibra y algunos anti-llama) o en colores traslucidos (ídem) u opacas.

Debido a que los grupos bencénicos están directamente en la cadena principal, la molécula es muy rígida, haciendo que el policarbonato tenga una estructura amorfa, una baja contracción en el moldeo (tanto transversal como paralela al flujo) y sea transparente.

Su regularidad y los grupos laterales polares ofrecen un alto valor de la temperatura de transición vítrea Tg al policarbonato (145ºC), esto le hace poseer elevados valores de las propiedades térmicas, y estabilidad dimensional muy buena.

A pesar de que la estructura principal de la cadena del policarbonato está congelada a temperatura ambiente, gracias a sus grupos fenileno, isopropilideno y carbonato, posee movilidad suficiente para disipar energía de impacto en la temperatura ambiente. La movilidad de estos grupos laterales cesa a temperatura inferiores (alfa=0ºC y beta= -200ºC), haciendo que la resistencia al impacto caiga.

La cadena polimérica del policarbonato es simétrica. Por eso, el policarbonato posee buenas propiedades dieléctricas a través de una ancha banda de frecuencia, hasta una temperatura de 125ºC.

Las propiedades químicas del policarbonato son las de un polímero levemente polar. Los grupos carbonatos son extremadamente sensibles a la hidrólisis y como están en la cadena principal, pueden provocar degradación en las propiedades del termoplástico. Debido a esta reacción el policarbonato debe estar siempre seco para el proceso, de otra forma el material vería su peso molecular reducido drásticamente y las propiedades y apariencia deterioradas. Las piezas de policarbonato, en permanente contacto con el agua, tienen su vida útil reducida si la temperatura de trabajo supera 60ºC. En aplicaciones donde el contacto con el agua no es constante, este problema no aparece.

Generalmente el policarbonato no es sensible a ácidos orgánicos e inorgánicos en condiciones normales de temperatura y concentración, sin embargo su resistencia a los demás compuestos orgánicos es baja. Esta baja resistencia se ve aún más afectada con la aparición del microfisuramiento sobre tensión, que provoca porosidad en la superficie del material, facilitando el ataque químico.

El policarbonato posee óptima estabilidad a las radiaciones UV. Los tipos normales de policarbonato poseen una cierta estabilidad natural. El ataque de la radiación es evidenciado por una degradación en los primeros 50-100 micrómetros de la superficie de la pieza.

Esta estabilidad mantiene las propiedades del policarbonato hasta un cierto límite, sin embargo no es suficiente para mantener la coloración y el  acabado superficial de las piezas moldeadas. Por eso, el policarbonato es indicado para aplicaciones interiores. En aplicaciones para exteriores, donde el ataque de radiaciones del tipo UV son más severas, es necesario establecer una protección extra al policarbonato, agregándole un absorbente de UV.

Compatibilidad química del policarbonato ante diversos compuestos químicos:

Acidos:	No causan efectos en condiciones de temperatura y concentración normales.
Alcohol:	Generalmente no causan problemas a bajas concentraciones y temperatura ambiente. Altas temperaturas y concentraciones resultan perjudiciales para el material
Alcalis:	Generalmente no causan problemas a bajas concentraciones y temperatura ambiente. Altas temperaturas y concentraciones resultan perjudiciales para el material
Hidrocarbonatos Alifáticos:	Generalmente compatibles
Aminas:	Causan ataque químico. Evitar.
Detergentes y agentes de limpieza:	Soluciones de jabón neutro son compatibles, materiales fuertemente alcalinos deben ser evitados.
Esteres:	Solventes parciales, causan cristalización parcial. Evitar
Aceites y grasas:	Derivados de petróleo puro generalmente son compatibles, pero los aditivos usados en ellos no lo son.
Hidrocarbonatos Halogenados	Son solventes. Evitar.
Cetonas:	Son solventes. Evitar.
Aceite de siliconas y grasas:	Generalmente compatibles hasta 85ºC algunos contienen hidrocarbonatos aromáticos que deben ser evitados.
Aceite de siliconas y grasas:	Generalmente compatibles hasta 85ºC algunos contienen hidrocarbonatos aromáticos que deben ser evitados.

Como hemos comentado antes, las propiedades del policarbonato se pueden modificar utilizando distintos aditivos o realizando tratamientos superficiales sobre el policarbonato, así que para conocer las propiedades de un material concreto hay que recurrir a las tablas que proporcionan los fabricantes. Por ejemplo Bayer ha logrado fabricar un policarbonato que trabaja correctamente a temperaturas de hasta 220ºC frente a los 130ºC del policarbonato normal, es el Apec®, que se utiliza para la fabricación de faros para vehículos. En la siguiente tabla aparecen descritas las propiedades físicas, químicas, mecánicas,... para un policarbonato de bisfenol A general:

Propiedades Eléctricas
Constante Dieléctrica @1MHz	2,9
Factor de Disipación a 1 MHz	0,01
Resistencia Dieléctrica ( kV mm-1 )	15-67
Resistividad Supeficial ( Ohm/sq )	1015
Resistividad de Volumen ( Ohmcm )	1014-1016

Propiedades Mecánicas
Alargamiento a la Rotura ( % )	100-150
Coeficient de Fricción	0,31
Dureza - Rockwell	M70
Módulo de Tracción ( GPa )	2,3-2,4
Relación de Poisson	0,37
Resistancia a la Abrasión - ASTM D1044 ( mg/1000 ciclos )	10-15
Resistencia a la Compresión ( MPa )	>80
Resistencia a la Tracción ( MPa )	55-75
Resistencia al Impacto Izod ( J m-1 )	600-850

Propiedades Físicas
Absorción de Agua - Equilibrio ( % )	0,35
Absorción de Agua - en 24 horas ( % )	0,1
Densidad ( g cm-3 )	1,2
Indice Refractivo	1,584-6
Indice de Oxígeno Límite ( % )	25-27
Inflamabilidad	V0-V2
Número Abbe	34,0
Resistencia a los Ultra-violetas	Aceptable

Propiedades Térmicas
Calor Específico ( J K-1 kg-1 )	aprox. 1200
Coeficiente de Expansión Térmica ( x10-6 K-1 )	66-70
Conductividad Térmica ( W m-1 K-1 )	0,19-0,22 a 23C
Temperatura Máxima de Utilización ( C )	115-130
Temperatura Mínima de Utilización ( C )	-135
Temperatura de Deflección en Caliente - 0.45MPa ( C )	140
Temperatura de Deflección en Caliente - 1.8MPa ( C )	128-138

Propiedades del Policarbonato en Película
Propiedad		Valor
Alargamiento a la Rotura - Longitudinal	%	aprox. 100 - grado N,DE1, aprox. 40 - grado KG
Alargamiento a la Rotura - Transversal	%	aprox. 100 - grado N,DE1, >100 - grado KG
Factor de Disipación a 1 MHz		0,010
Permeabilidad al Agua a 25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	1050
Permeabilidad al Dióxido de Carbono a 25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	4,8
Permeabilidad al Hidrógeno a 25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	9,0
Permeabilidad al Nitrógeno a 25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	0,23
Permeabilidad al Oxígeno a 25C	x10-13 cm3. cm cm-2 s-1 Pa-1	1,05
Resistencia Dieléctrica a 25µm de grosor	kV mm-1	350 a 40µm
Resistencia a la Tracción - Longitudinal	MPa	>80 - grado N,DE1, >220 - grado KG
Resistencia a la Tracción - Transversal	MPa	>80
Resistencia al Desgarro Inicial	g µm-1	12-29
Temperatura de Sellado en Caliente	C	204-221

Proveedores de resinas de policarbonato
API-Kolon Engineered Polymers
Ardor Machinery Works Co., Ltd
Arkema México, S.A. de C.V.
Bayer de México, S.A. de C.V.
Bayer MaterialScience LLC
Commercial Plastics Recycling, Inc.
Dow LA
Dow Química de Colombia S.A.
DSM Engineering Plastics
Dyna-Purge Division of
Shuman Plastics, Inc.
Herrmann Ultrasonics, Inc.
Iberochem
New Particle Chemical Colors Corp.
Nexeo Solutions
Orion International
Parabor Colombia Ltda.
Quimicoplásticos Ltda.
RTP Company
SABIC
SABIC Innovative Plastics México
Uniflon Fluoromasters

APLICACIONES DE LOS POLICARBONATOS.

El policarbonato es un material que permite su utilización en innumerables aplicaciones. Como hemos visto sus propiedades de transparencia, resistencia al impacto y su capacidad de soportar temperaturas de hasta 130ºC, son comunes a todas las variedades de policarbonato. Pero lo que es mejor es que podemos superar esas propiedades para casos particulares; podemos obtener un policarbonato que aguante hasta 220ºC, otro que impida el paso de gran parte de los rayos UV, otro que soporte la abrasión, otro que tenga un excelente comportamiento frente a compuestos químicos.

Estas modificaciones se consiguen mediante "aleación" con otros polímeros como el ABS, mediante recubrimiento exterior con otros materiales, por medio de tratamientos tras su conformado con rayos UV y otras técnicas ingenieriles.

Gracias a estas magníficas propiedades, el policarbonato es el material más adecuado para sustituir al vidrio en muchísimas aplicaciones, lo que representa un importante ahorro de peso, porque el policarbonato es mucho más ligero que el vidrio. Además el policarbonato puede adoptar formas curvas con mucha facilidad, se puede tener en colores transparentes u opacos y en caso de rotura, ésta no se produce de modo frágil estallando en mil pedazos.

El principal inconveniente de este magnífico material es su elevado precio. Esto ha impedido que su utilización haya sido aún más extensa, como en el caso de otros polímeros como el polipropileno.

De todos modos, en el ámbito del automóvil está empezando a utilizarse para construir las ventanillas, los techos transparentes, los faros.

El policarbonato se puede conseguir en dos versiones:

1.- Policarbonato en planchas: que a su vez pueden ser.

1.1.- Compacto:(Lexan, Makrolon, Apec)

El policarbonato compacto en placas se utiliza en construcciones en los casos en que se desee obtener transparencia de superficies, tanto horizontales como verticales o curvas.

Dado que no tiene tanta rigidez como el vidrio, su modo más eficiente de utilización es en superficies curvas, donde la forma es fácilmente obtenible dada su elasticidad.

El policarbonato compacto se obtiene en color gris (llamado también nube o fumée), en color castaño (llamado oro o bronce) y transparente.

1.2.- Celular o Alveolar:

En los casos en que no sea imprescindible una superficie transparente sino sólo translúcida, el policarbonato alveolar resulta más económico que el compacto, tanto por su precio por unidad de superficie como por la ventaja de abonarse generalmente por la superficie neta adquirida, sin los recortes sobrantes, en razón de la mayor demanda que tiene.

2.- Policarbonato en películas o films:(Makrofol, Bayfol, Lexan)

El policarbonato en su modalidad de película se utiliza para recubrir productos fabricados con otros plásticos o como producto independiente en la fabricación de displays, de tarjetas, para la fabricación de tableros de mando como en el Ford Mondeo.

El policarbonato presenta utilidad en el campo de la construcción, para realizar cerramientos verticales y horizontales de seguridad, porque son "irrompibles" y porque se pueden moldear fácilmente para dar resultados con una estética mucho más agradable que el vidrio con menos peso. Así mismo existen en el mercado distintos tipos de policarbonatos que filtran el paso de rayos UV:

El policarbonato comienza así mismo a estar presente de manera importante en el mundo de la automoción. De policarbonato se fabrican los faros más transparentes (Apec), se están empezando a montar ventanillas laterales en policarbonato compacto, se está avanzando con sistemas que permitan utilizarlo también para el parabrisas delantero. El policarbonato también esta presente en el interior del vehículo, en los cuadros de mando y Bayer ha inventado un sistema de electroluminiscencia para la consola central de los vehículos basado en el uso de films de policarbonato Makrofol/Bayfol.

Si hay un campo que ha hecho de este plástico un auténtico "best seller", ese es el campo del almacenamiento óptico, es decir la fabricación de CD y DVD. Cada año las principales empresas productoras de policarbonato, General Electric y Bayer presentan en el mercado materiales de policarbonato destinados únicamente a este mercado.

Hablando del campo de la óptica, ¿Quién no ha oido hablar de los "cristales orgánicos" de las gafas?, pues efectivamente también son de policarbonato.

Debido a su gran ligereza, resistencia y versatilidad, el policarbonato ha tenido una gran aceptación en el ámbito de la electrónica, la informática y los productos de consumo. Así no es de extrañar que en muchos teléfonos móviles, teclados de ordenador e incluso las carcasas de los i-Mac estén construidas con PC.

Más ejemplos de las aplicaciones del policarbonato son la fabricación de botellas de agua, biberones de bebés que pueden ser esterilizados, ya que el PC soporta sin problemas temperaturas superiores a 100-110ºC, también se fabrican viseras para cascos protectores, material deportivo y gran cantidad de mobiliario urbano antivandálico. Así mismo está sustituyendo a los materiales metálicos en multitud de aplicaciones como buzones de correos.

Métodos de fabricación

Los métodos mas utilizados para la obtención de los diferentes productos de policarbonato son la inyección, el soplado y la extrusión. La inyección se aplica a la fabricación de piezas con geometrías complejas o a elementos que necesiten una elevada transparencia como los CD's o DVD's.

El soplado es el método de fabricación utilizado para la obtención de botellas. También se producen por soplado los "films" de policarbonato.

Mientras que la extrusión se aplica a la fabricación de planchas de policarbonato celular y compacto.

Desventajas del PC

Comenzamos observando la situación del policarbonato en la "pirámide de los plásticos".

Ella nos ordena los plásticos de mayor a menor perjuicio medio ambiental. El más perjudicial sería el PVC, mientras que los menos nocivos serían los bioplásticos. El policarbonato se sitúa un escalón por debajo del PVC, junto con el poliestireno, el poliuretano y el ABS, es decir no es un polímero tan inocuo como se podría pensar, pero nuevos procesos de síntesis podrían bajar su posición en dicha pirámide.

El policarbonato (PC) se usa en multitud de productos como ya hemos visto. Para su síntesis se utiliza fosgeno como materia prima, sustancia toxica derivada del cloro gas. El policarbonato no necesita aditivos pero necesita disolventes para su producción, como el carcinógeno cloruro de metileno. Otros posibles disolventes que se emplean son el cloroformo, 1,2-dicloroetileno, tetracloroetano y clorobenceno. Se está desarrollando un nuevo proceso de producción de policarbonato no clorado, en este proceso no se utiliza ni cloro, ni fosgeno, ni otros hidrocarburos clorados. Pero el gran problema del PC es la utilización de bisfenol A en su composición, un disruptor hormonal que está siendo objeto de una gran controversia. Se ha comprobado que el bisfenol A puede migrar desde los botes de policarbonato en el autoclave (Krishnan et al., 1993); la migración de esta sustancia también se ha verificado en los test destinados a simular el uso y limpieza de los objetos de alimentación elaborados con este plástico, como los biberones.

Tradicionalmente se ha pensado que el bisfenol A sólo era nocivo en altas dosis, pero un estudio que ha sido publicado en la última edición de Current Biology evidencia por primera vez que dosis muy bajas de este compuesto son suficientes para causar anormalidades en el desarrollo embrionario de ratones.

"Curso de Introducción a los Disruptores Endocrinos": http://www.istas.net

Recientemente se ha desarrollado una nueva línea para la síntesis del PC libre de cloro basada en la carbonilación oxidativa que utiliza fenol en vez de bisfenol A, (Comline News Service, 16 de diciembre 1997). Este nuevo proceso significa una mejora medioambiental, ya que evitaría el uso de cloro, fosgeno y bisfenol A, y podría situar este plástico más cerca de la base en la pirámide de plásticos peligrosos.

RECICLAJE.

Se han llevado a la práctica experiencias para recuperar el policarbonato de CD's y botellas de leche y agua, transformándolos a través de su bajociclaje en productos de baja calidad, como cajas o aplicaciones en la construcción; o bien mezclarlo en cantidades determinadas con material virgen y obtener productos de más calidad como botellas. Bayer AG realiza el reciclado de discos ópticos y de bidones de agua en policarbonato siguiendo una serie de pasos, para la separación de los materiales metálicos y los distintos tipos de plásticos que puedan llevar como tapones, pegatinas. Esos residuos de policarbonato se mezclan con nueva granza y se le añaden los aditivos que hagan falta para la obtención de nuevos productos de calidad controlada. La principal limitación de este proceso son los colorantes que llevara añadido el residuo y que lo pueden hacer no válido para algunas aplicaciones en las que se utiliza como productos de electrónica, etc.

De momento este proceso no resulta muy ventajoso económicamente.