Polykarbonaatit ovat polymeerejä, joissa orgaaniset funktionaaliset ryhmät on yhdistetty toisiinsa karbonaattiryhmillä. Käytetyin on kestomuovi, jolla on pitkät molekyyliketjut.

Polykarbonaattien käyttötarkoitukset

Polykarbonaatteja on monia, joiden ominaisuudet vaihtelevat molekyylimassan ja rakenteen mukaan. Molekyylimassan kasvaessa polymeeristä tulee jäykempi. Lisäksi ominaisuuksia muutetaan sekoittamalla sitä muihin polymeereihin, esimerkiksi ABS:ään ja polyestereihin, kuten PET:hen.

Huomattavien ominaisuuksiensa vuoksi (ne ovat liekin- ja lämmönkestäviä, sitkeitä ja läpinäkyviä) polymeerejä käytetään hyvin laajalti.

Kuvio 1 Polykarbonaatteja käytetään polykarbonaattien ominaisuuksiensa, lujuutensa ja huomattavan läpinäkyvyytensä vuoksi, sekä niiden biologisen yhteensopivuuden vuoksi, ne ovat ihanteellisia materiaaleja lääketieteellisiin laitteisiin. Niitä käytetään dialyysilaitteissa, joilla hoidetaan munuaisongelmia, ja, kuten tässä kuvassa, hapettimissa, jotka ottavat hoitaakseen sydämen ja keuhkojen työn niihin kohdistuvien vakavien leikkausten aikana, esimerkiksi ohitusleikkauksissa. Polykarbonaatti steriloituu helposti epoksietaanilla, säteilyllä tai höyryssä kuumentamalla. Bayer MaterialScience AG:n ystävällisellä luvalla.

Polykarbonaattien ja niiden seosten käyttökohteita ovat muun muassa:

• lääketieteelliset (esim. dialyysikotelot ja silmälasien linssit)
• elektroniikka (esim. pistorasiat, lamppujen suojukset,
• sulakekotelot, tietokoneiden ja televisioiden kotelot)
• rakentaminen (esim. stadionien katot, kyltit, kattoikkunat)
• optiset varastoinnit (CD-levyt, DVD, HD-DVD)
• autot (sisävalaistus ja ajovalot, kattoluukut, sivuikkunat, jäähdyttimet, säleiköt, puskurit)
• pakkaukset (esimerkiksi suuret vesipullot)

Kuva 2 Nämä DVD-levyt on valmistettu polykarbonaatista. Bayer MaterialScience AG:n ystävällisellä luvalla. Kuva 3 Polykarbonaatista valmistetaan tämän kuuluisan sveitsiläisen muotoilijan Frank M Rinderknechtin luoman zaZan-nimisen kokeiluauton kattokupu. Bayer MaterialScience AG:n ystävällisellä luvalla.

Polykarbonaattien vuosituotanto

Maailma	4.4 miljoonaa tonnia1
Aasia	2.0 miljoonaa tonnia2
Eurooppa	1.5 miljoonaa tonnia2
Yhdysvallat	0,9 miljoonaa tonnia2

1. 2016 arvio Merchant and Research Consulting, 2014

2. 2016 arvio viitteestä 1 ja PlasticsEurope, 2015

Polykarbonaattien valmistus

Käytetyin polykarbonaatti valmistetaan kondensaatiopolymeroinnilla bisfenoli A:n ja joko karbonyylikloridin tai difenyylikarbonaatin välillä.

Bisfenoli A valmistetaan fenolin ja propanonin kondensoimalla.

Karbonyylikloridi valmistetaan hiilimonoksidista ja kloorista:

Difenyylikarbonaatti valmistetaan dimetyylikarbonaatista, joka valmistetaan usein metanolista, hapesta ja hiilimonoksidista nestemäisessä faasissa kuparisuolan, kuten kupari(II)kloridin, läsnä ollessa:

Polymeeri muodostuu yleensä bisfenoli A:n ja karbonyylikloridin reaktiosta emäksisessä liuoksessa.

Valmistetaan bisfenoli A:n liuos natriumhydroksidiin (eli fenolin natriumsuolan liuos). Se sekoitetaan karbonyylikloridin liuokseen orgaanisessa liuottimessa (dikloorimetaani). Polymerisaatio tapahtuu vesi- ja orgaanisen kerroksen rajapinnassa katalyytin (amiini) avulla:

Polykarbonaatti pidetään liuoksena orgaanisessa kerroksessa. Tämä liuos valutetaan sitten pois vesikerroksesta ja joko haihdutetaan muodostaen polymeerirakeita tai lisätään etanolia kiinteän polymeerin saostamiseksi.

Mutta yhä suurempi osa polykarbonaateista valmistetaan difenyylikarbonaatin välityksellä, jotta voidaan välttää erittäin myrkyllisen kaasun, karbonyylikloridin, käyttö.

Bisfenoli A ja esteri kuumennetaan yhdessä muodostaen sulaa polymeerimassaa:

Fenoli ja ylimääräiset reagenssit poistetaan tislaamalla alennetussa paineessa. Tämän jälkeen polykarbonaattisula puristetaan hienojen suuttimien läpi pitkiksi ”spagettimaisiksi” säikeiksi, jotka jäähdytetään ja rakeistetaan.

Jatkokehitys

Vaikka bisfenoli A:sta johdettu polykarbonaatti on helposti yleisimmin käytetty polykarbonaatti, on kehitetty kopolymeerejä, joihin on lisätty substituoituja bisfenoleja ja jotka on reagoineet difenyylikarbonaatin kanssa.

Esimerkiksi tetrabromobisfenoli A:ta lisätään ennen polymerointia. Tuloksena syntyvän polymeerin liekinkestävyys on parantunut.

Toinen käytetty ko-monomeri on tetrametyylibisfenoli A, joka parantaa polykarbonaatin lämmönkestävyyttä.