Was ist Polycarbonat?

 

Polycarbonat(PC) gehört zu einer Familie thermoplastischer Polymere, die durch Carbonatbindungen (−O−(C=O)−O−) innerhalb ihres molekularen Rückgrats gekennzeichnet sind. Dieser technische Kunststoff wurde 1953-1955 erstmals unabhängig voneinander von Hermann Schnell bei Bayer und Daniel Fox bei General Electric synthetisiert und weist eine ungewöhnliche Kombination aus optischer Klarheit von nahezu 90 % Lichtdurchlässigkeit, einer mehr als 250-fach höheren Schlagfestigkeit als Glas und thermischer Stabilität über einen Arbeitsbereich von -40 bis 120 Grad auf. Die amorphe Struktur des Materials-, was bedeutet, dass seinen Molekülen keine weitreichende kristalline Ordnung fehlt, ist sowohl für seine Transparenz als auch für seine Fähigkeit verantwortlich, eine erhebliche plastische Verformung zu erfahren, ohne zu brechen.

Das Zeug ist überall

Hier ist die Sache: Sie haben heute wahrscheinlich mindestens dreimal Polycarbonat berührt, ohne es zu merken. Deine Handyhülle? Wahrscheinlich Polycarbonat oder eine PC-Mischung. Diese Schutzbrille bei der Arbeit? Polycarbonat. Die Scheinwerferabdeckungen an Ihrem Auto? Ja. Sogar der Wasserspender, der in Ihrer Büroküche steht.

Und das ist, bevor wir zu den seltsamen Dingen kommen: -Schutzschilde, Flugzeugdächer, kugelsicheres „Glas“ bei Ihrer Bank. Die CD, die du letztes Wochenende im Keller deiner Eltern gefunden hast. Gewächshäuser. Babyflaschen (obwohl das kompliziert geworden ist-dazu später mehr).

Warum Ingenieure immer wieder darauf zurückkommen

Die Sache mit der Schlagfestigkeit verdient mehr Aufmerksamkeit als in den meisten Artikeln. Wir reden hier nicht von „ziemlich stark für einen Kunststoff“. Wir sprechen von einem Material, das bei richtiger Schichtung eine Kugel aufhalten kann. Standard-Polycarbonatplatten können einem direkten Hammerschlag standhalten, ohne zu reißen. -Versuchen Sie es mit Acryl oder Glas, und Sie werden Scherben auffegen.

Was diese Funktion ausmacht, ist die molekulare Struktur. Diese Carbonatgruppen, die ich zuvor erwähnt habe? Sie ermöglichen es den Polymerketten, Energie durch Verformung und nicht durch Rissausbreitung zu absorbieren. Die Ketten können sich dehnen und aneinander vorbeirutschen, bevor sie brechen. Aus diesem Grund kann Polycarbonat kalt gebogen werden.-Man kann es in vielen Fällen tatsächlich auf einer Blechbremse formen, ohne es zu erhitzen.

Die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 147 Grad. Darunter ist es starr. Oben wird es allmählich weicher und wird verarbeitbar. Dies gibt Herstellern ein breites Verarbeitungsfenster, das anspruchsvollere technische Kunststoffe nicht bieten.

Lichtdurchlässigkeit

 

Unbeschichtetes Polycarbonat lässt etwa 88 % des sichtbaren Lichts durch und liegt damit in Reichweite von optischem Glas. Einige Noten erreichten 92 %. Der Brechungsindex liegt etwa 1,58 -höher als bei Standardglas-, was es tatsächlich für Brillengläser mit dünnem Profil nützlich macht.

Was die Datenblätter jedoch nicht immer verraten: Das Material vergilbt mit der Zeit unter UV-Einstrahlung, sofern es nicht stabilisiert wird. Rohes Polycarbonat, das dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, verfärbt sich innerhalb von ein oder zwei Jahren bernsteinfarben. Aus genau diesem Grund sind die meisten handelsüblichen Platten mit UV-stabilisierten Oberflächen ausgestattet.

Die BPA-Frage

Wir müssen über Bisphenol A reden.

Standard-Polycarbonat wird durch Reaktion von BPA mit Phosgen hergestellt. BPA ist ein endokriner Disruptor-es ahmt Östrogen im Körper nach. Und ja, Spuren können aus Polycarbonatbehältern austreten, insbesondere wenn sie erhitzt oder säurehaltigen Inhalten ausgesetzt werden.

Dies wurde etwa 2008-2012 zu einem erheblichen Problem, was in mehreren Ländern zu regulatorischen Maßnahmen für Babyflaschen führte und die Entwicklung von BPA-freien Alternativen wie Tritan (bei dem verschiedene Monomere verwendet werden) vorangetrieben hat. Die FDA hält den Kontakt von Polycarbonat mit Lebensmitteln bei den aktuellen Expositionsniveaus immer noch für sicher, aber die Debatte geht weiter.

Bei industriellen Anwendungen-Maschinenschutzvorrichtungen, Verglasungen und Schutzabdeckungen-ist die Auslaugung von BPA im Wesentlichen kein-Problem. Anwendungen, die mit Lebensmitteln- in Berührung kommen, bleiben jedoch umstrittenes Gebiet. Einfach wissenswert.

Arbeiten mit dem Material

Polycarbonatmaschinen wunderschön. Standard-Hartmetallwerkzeuge funktionieren einwandfrei. Sie können es bohren, sägen und fräsen.-Die wichtigste Vorsichtsmaßnahme besteht darin, eine Überhitzung zu vermeiden, die zu lokalem Schmelzen und Gummibildung an den Werkzeugkanten führt. Scharfe Werkzeuge und moderate Geschwindigkeiten sind die Antwort.

Beim Thermoformen muss die Folie zunächst getrocknet werden. Polycarbonat ist hygroskopisch (absorbiert Luftfeuchtigkeit) und eingeschlossenes Wasser erzeugt beim Erhitzen Blasen. Die meisten Hersteller trocknen Bleche vor dem Formen zwei bis vier Stunden lang bei 120 Grad.

Zum Zusammenfügen von Teilen:

Lösungsmittelschweißen funktioniert, erfordert jedoch Sorgfalt.{0}}Die verwendeten Lösungsmittel sind aggressiv und können bei zu großzügiger Anwendung Spannungsrisse verursachen

Für die mechanische Befestigung sind übergroße Löcher erforderlich, um der Wärmeausdehnung Rechnung zu tragen

Am fehlerverzeihendsten ist die Verklebung mit Polyurethan- oder Silikonklebstoffen

Spritzguss ist der Ansatz für hohe Stückzahlen. Fasstemperaturen um 280-320 Grad, Formtemperaturen 80-120 Grad. Das Material verträgt Feuchtigkeitsverunreinigungen nicht – Restwasser führt während der Schmelzverarbeitung zu einem hydrolytischen Abbau, wodurch das Molekulargewicht und die mechanischen Eigenschaften zerstört werden.

Wie es sich schlägt

Gegen Acryl (PMMA)

Acryl ist optisch überlegen{0}}klarer, weniger anfällig für Trübungen, bessere Kratzfestigkeit nach dem Auspacken. Es ist auch günstiger. Aber Acryl zerbricht bei Stößen, während sich Polycarbonat verbiegt. Wenn etwas auf Ihr Verglasungsmaterial trifft, gewinnt Polycarbonat.

Gegen Glas

 

Glas kratzt weniger. Glas vergilbt nicht. Glas ist bei Flachbildschirmen günstiger. Glas sorgt für eine bessere optische Klarheit.

Aber Glas wiegt bei gleicher Dicke etwa doppelt so viel pro Quadratfuß. Glas zerbricht in gefährliche Scherben. Glas lässt sich nicht kalt biegen. Für zuverlässige Ergebnisse sind bei Glas spezielle Werkzeuge und klimatisierte Schneidumgebungen erforderlich.

Für alles, wo es auf das Gewicht ankommt oder Bruch Konsequenzen hat-was sich bei vielen Anwendungen herausstellt-ist Polycarbonat sinnvoller, als der Datenblattvergleich vermuten lässt-.

Die Noten, über die niemand spricht

Das Kratzerproblem

Hier liegt die Achillesferse des Materials: Polycarbonat zerkratzt leicht. Peinlich einfach, wenn man alles andere bedenkt, was es gut macht.

Dies lässt sich auf molekularer Ebene nicht beheben. Die gleiche Kettenbeweglichkeit, die für Schlagfestigkeit sorgt, macht die Oberfläche weich genug, um mit den Fingernägeln Spuren zu hinterlassen.

Die Branchenlösung sind Hartbeschichtungen-normalerweise Schichten auf Silikon--- oder Acrylbasis-, die durch Tauchen, Fluten oder Plasmaabscheidung aufgetragen werden. Gute Hartbeschichtungssysteme erreichen bei Polycarbonat Bleistifthärten von 2H–4H, die an Glas herankommen. Durch die Beschichtung entstehen jedoch zusätzliche Kosten und Verarbeitungsschritte.

Bei Brillen werden im Wesentlichen alle Polycarbonat-Gläser mit Hartbeschichtungen geliefert. Für Industrieverglasungen gibt es sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Versionen, abhängig von der Toleranz der Anwendung für Oberflächenmarkierungen.

Recycling-Realität

Polycarbonat ist technisch recycelbar. Es ist thermoplastisch, -schmelzen Sie es ein und formen Sie es neu. Harzcode 7 („Sonstiges“) deckt dies ab.

Die Realität ist chaotischer. Das Material reagiert empfindlich auf thermischen Abbau und verliert mit jedem Verarbeitungszyklus an Molekulargewicht. Kontamination ist ein Problem-Vermischte Kunststoffe machen Chargen unbrauchbar. Und die Volumina sind im Vergleich zu PET oder HDPE einfach nicht vorhanden. Die meisten Bordsteinprogramme akzeptieren dies nicht.

Es gibt industrielle Recyclingprogramme für Dinge wie Wasserflaschen und optische Datenträger, aber der Prozentsatz, der tatsächlich bei den Recyclern ankommt, bleibt gering. Chemisches Recycling (Depolymerisation zurück zu BPA und Carbonat) ist technisch machbar, aber im Maßstab noch nicht wirtschaftlich.

Wohin es geht

Die Produktionskapazität wächst weiter-und liegt mittlerweile bei über 6 Millionen Tonnen pro Jahr. Asien dominiert sowohl die Produktion als auch den Konsum.

Zu den Forschungstrends gehören:

Bio-basierte Alternativen mit Isosorbid anstelle von BPA

Nanokomposite für verbesserte Kratzfestigkeit ohne Einbußen bei der Transparenz

Selbstheilende Beschichtungssysteme

Bessere optische Klarheit für LED-Beleuchtungsanwendungen

Der Übergang zu Elektrofahrzeugen führt zu einer erheblichen neuen Nachfrage nach Automobilbeleuchtung und Batteriegehäusen. Anforderungen an die Gewichtsreduzierung bevorzugen Kunststoffe gegenüber Glas und Metall, sofern die Eigenschaften dies zulassen.

Fazit

Polycarbonat besetzt eine ungewöhnliche Nische: stark genug für anspruchsvolle strukturelle Anwendungen, klar genug für optische Zwecke und mit nahezu allen plastischen Formgebungsverfahren verarbeitbar. Die Kombination gibt es anderswo nicht.

Es ist nicht perfekt. Die Kratzempfindlichkeit schränkt die Verwendung im unbeschichteten Zustand ein. Die BPA-Sache erschwert Anwendungen mit Lebensmittelkontakt-. UV-Stabilität erfordert Additive oder Beschichtungen.

Aber wenn Sie eine transparente Panzerung, eine leichte Verglasung, schlagfeste-Linsen oder hundert andere Anwendungen benötigen, bei denen „klar und robust“ ganz oben auf der Anforderungsliste steht-, dann ist Polycarbonat meist das Richtige für Sie. Fünfzig Jahre nach der Kommerzialisierung gibt es nichts Vergleichbares.