De polycarbonaten zijn polymeren die organische functionele groepen hebben die met elkaar verbonden zijn door carbonaatgroepen. De meest gebruikte is een thermoplast die lange moleculaire ketens heeft.

Toepassingen van polycarbonaten

Er zijn vele polycarbonaten die variëren in eigenschappen afhankelijk van hun moleculaire massa en structuur. Naarmate de molecuulmassa toeneemt, wordt het polymeer stijver. Verder worden de eigenschappen veranderd door het te mengen met andere polymeren, bijvoorbeeld met ABS en polyesters zoals PET.

Omwille van hun opmerkelijke eigenschappen (zij zijn vlam- en hittebestendig, taai en doorzichtig) worden de polymeren op zeer grote schaal gebruikt.

Figuur 1 De eigenschappen van polycarbonaten, hun sterkte en opmerkelijke doorzichtigheid en hun biocompatibiliteit maken ze tot ideale materialen voor medische apparatuur. Zij worden gebruikt in dialysemachines voor nierproblemen en, zoals hier afgebeeld, voor zuurstofapparaten die het werk van hart en longen overnemen bij ernstige ingrepen aan deze organen, bijvoorbeeld bij bypass-operaties. Het polycarbonaat kan gemakkelijk worden gesteriliseerd met epoxyethaan, bestraling of verhitting in stoom. Met vriendelijke toestemming van Bayer MaterialScience AG.

Tot de toepassingen van de polycarbonaten en hun mengsels behoren:

• medisch (bijvoorbeeld voor dialysebehuizingen en brillenglazen)
• elektro-elektronisch (bijvoorbeeld stopcontacten, lampdeksels,
• zekeringsdozen, computer- en televisiebehuizingen)
• bouw (bijvoorbeeld stadiondaken, uithangborden, lichtkoepels)
• optische opslag (CD’s, DVD’s, HD-DVD’s)
• auto’s (binnenverlichting en koplampen, zonnedaken, zijruiten, radiatoren, grilles, bumpers)
• verpakking (bijvoorbeeld grote waterflessen)

Figuur 2 Deze DVD’s zijn gemaakt van een polycarbonaat. Met vriendelijke toestemming van Bayer MaterialScience AG. Figuur 3 Een polycarbonaat wordt gebruikt om de dakkoepel te maken van deze experimentele auto, genaamd zaZan, ontworpen door de beroemde Zwitserse ontwerper, Frank M Rinderknecht. Met vriendelijke toestemming van Bayer MaterialScience AG.

Jaarlijkse productie van polycarbonaten

Wereld	4.4 miljoen ton1
Azië	2,0 miljoen ton2
Europa	1.5 miljoen ton2
US	0,9 miljoen ton2

1. 2016 schatting Merchant and Research Consulting, 2014

2. 2016 schatting uit referentie 1 en PlasticsEurope, 2015

Vervaardiging van polycarbonaten

Het meest gebruikte polycarbonaat wordt vervaardigd door condensatiepolymerisatie tussen bisfenol A en hetzij carbonylchloride hetzij difenylcarbonaat.

Bisfenol A wordt geproduceerd door de condensatie van fenol met propanon.

Carbonylchloride wordt geproduceerd uit koolmonoxide en chloor:

Difenylcarbonaat wordt geproduceerd uit dimethylcarbonaat, dat vaak wordt gemaakt uit methanol, zuurstof en koolmonoxide in de vloeistoffase in de aanwezigheid van een koperzout zoals koper(II)chloride:

Het polymeer wordt gewoonlijk gevormd door de reactie van bisfenol A en carbonylchloride in een basische oplossing.

Een oplossing van bisfenol A in natriumhydroxide (d.w.z. een oplossing van het natriumzout van het fenol) wordt bereid. Deze wordt gemengd met een oplossing van carbonylchloride in een organisch oplosmiddel (dichloormethaan). De polymerisatie vindt plaats op het grensvlak tussen de waterige en de organische laag met behulp van een katalysator (een amine):

Het polycarbonaat wordt in oplossing gehouden in de organische laag. Deze oplossing wordt vervolgens uit de waterige laag afgevoerd en ofwel verdampt tot korrels van het polymeer, ofwel wordt ethanol toegevoegd om het vaste polymeer neer te slaan.

Een steeds groter deel van de polycarbonaten wordt echter gemaakt via difenylcarbonaat, om het gebruik van carbonylchloride, een uiterst giftig gas, uit te schakelen.

Bisfenol A en de ester worden samen verhit tot een gesmolten massa polymeer:

Het fenol en overtollige reactanten worden verwijderd door destillatie onder verminderde druk. De polycarbonaatsmelt wordt vervolgens door fijne spuitmonden geperst tot lange “spaghetti-achtige” draden, die worden afgekoeld en gegranuleerd.

Volgende ontwikkelingen

Hoewel het van bisfenol A afgeleide polycarbonaat gemakkelijk het meest gebruikte polycarbonaat is, zijn co-polymeren ontwikkeld waarin gesubstitueerde bisfenolen zijn toegevoegd en gereageerd met difenylcarbonaat.

Bijv. tetrabroombisfenol A is toegevoegd, voorafgaand aan de polymerisatie. Het resulterende polymeer is beter bestand tegen vlammen.

Een ander gebruikt co-monomeer is tetramethylbisfenol A, dat de hittebestendigheid van het polycarbonaat verbetert.