Traçando a História de Materiais Poliméricos:Parte 11

Ao longo da década de 1930, o desenvolvimento e a comercialização de novos polímeros ocorreram em um ritmo rápido. PVC, poliestireno, polietileno, acrílico e celulósicos moldáveis, todos atingiram a maioridade nesta década. Na década de 1940, as propriedades do poliestireno foram estendidas com a adição de borracha de butadieno para melhorar o impacto do material de uso geral em detrimento de sua transparência. As propriedades do poliestireno também foram estendidas pela copolimerização com acrilonitrila para formar o SAN, um material transparente com resistência aprimorada ao calor e aos produtos químicos. Este material também foi temperado com a adição de borracha de butadieno para fazer o ABS, novamente com a transparência como vítima.

O policarbonato se tornou um material indispensável sempre que transparência, resistência ao calor e tenacidade são necessárias. (Foto:PolyOne)

Hoje consideramos os primeiros polímeros transparentes como geralmente duros e quebradiços, como SAN e acrílico, ou macios e resistentes, como os celulósicos. Mas durante este período de desenvolvimento inicial, muitos desses materiais foram oferecidos como uma alternativa segura ao vidro. Esse foi particularmente o caso dos acrílicos, desenvolvidos em grande parte por meio dos esforços de químicos como Otto Rohm. Os acrílicos continuam sendo uma alternativa muito versátil ao vidro, em grande parte devido à sua excelente resistência aos efeitos das intempéries e da radiação ultravioleta. Mas o compromisso entre materiais transparentes que eram macios e aqueles que eram duros e quebradiços mudou drasticamente no início dos anos 1950 com a criação de uma química completamente nova que conhecemos hoje como policarbonato.

O desenvolvimento do PC compartilha temas comuns com muitos dos materiais que discutimos anteriormente. Seu desenvolvimento ocorreu durante um longo período de tempo com múltiplas partidas falsas. A descoberta do material que acabou tendo sucesso comercial foi acidental e ocorreu quase simultaneamente em diferentes partes do mundo. Embora associemos o início da produção de PCs com o final dos anos 1950, o material foi criado em laboratório em 1898 pelo químico alemão Alfred Einhorn, que trabalhou e ensinou na Universidade de Munique com Adolf von Baeyer, o químico ganhador do Prêmio Nobel que primeiro sintetizado e depois abandonado fenólico.

Einhorn é mais conhecido como o primeiro a sintetizar o anestésico local procaína, que ficou mais conhecido como Novocaína. Mas na década de 1890, Einhorn estava tentando sintetizar carbonatos cíclicos e produziu policarbonato pela reação de hidroquinona com fosgênio. Trinta anos de experimentação em laboratório por vários químicos não produziram sucesso comercial.

Mas a reação química foi o protótipo daquela que acabou produzindo o polímero que usamos hoje. Em 1928, Wallace Carothers e sua equipe na DuPont também produziram PCs enquanto trabalhavam no desenvolvimento de poliésteres e nylons. Quimicamente, o PC e o poliéster possuem muitas semelhanças, e as reações de condensação que Carothers estava empregando para produzir seus materiais eram muito semelhantes às usadas para polimerizar o policarbonato.

Mas os materiais que Carothers produziu tinham uma estrutura de base alifática em oposição à estrutura de base aromática que caracterizava o produto comercial. Conseqüentemente, as propriedades térmicas, mecânicas e químicas desses primeiros policarbonatos não foram consideradas úteis e esses materiais também foram arquivados.

Foi somente em 1953 que Hermann Schnell e sua equipe, trabalhando nas instalações da Bayer em Uerdingen, Alemanha, criaram a versão de policarbonato que se tornou a plataforma para seu atual sucesso comercial. Uma semana depois, Dan Fox, da General Electric, encontrou independentemente o mesmo composto enquanto trabalhava para desenvolver um novo material isolante de fio. As duas versões do polímero eram quimicamente iguais, mas diferiam estruturalmente. O material da Bayer, denominado comercialmente Makrolon em 1955, era um polímero linear, enquanto a descoberta da GE era um material ramificado.

As propriedades dos dois materiais eram muito semelhantes. Eles eram transparentes, embora as versões iniciais tivessem uma tonalidade âmbar que só foi resolvida em 1971, quando as impurezas químicas foram eliminadas. Os materiais também tinham um ponto de amolecimento de aproximadamente 50º C (90º F) mais alto do que qualquer um dos materiais transparentes conhecidos, confortavelmente acima do ponto de ebulição da água. E eles possuíam um nível de ductilidade que excedia em muito qualquer outro material transparente conhecido na época. Em outras palavras, o policarbonato estendeu a gama de aplicações que podiam ser cumpridas por polímeros transparentes além de qualquer coisa que antes era possível.

O desenvolvimento quase simultâneo do polímero por duas grandes empresas poderia produzir um nível significativo de atividade legal. Mas, ao contrário da saga de 30 anos de ação legal que caracterizou o desenvolvimento de HDPE e PP, a batalha potencial sobre os direitos do PC foi resolvida de forma relativamente rápida com um acordo de que a empresa que recebeu prioridade concederia uma licença à outra empresa . A prioridade foi dada à Bayer, embora se você lesse a literatura de vendas publicada pela General Electric nas décadas de 1970 e 1980 ou se fosse visitar Pittsfield, Massachusetts, durante esse tempo, você poderia ser perdoado por concluir que todos a propriedade intelectual associada ao PC residia nos corredores da GE.

Em 1978, visitei Pittsfield durante o feriado de Natal. Naquela época, a GE empregava mais de 5.000 pessoas em uma cidade com uma população de pouco mais de 50.000. Esses funcionários trabalhavam na Divisão de Transformadores de Força, na Divisão de Ordenação Naval ou na Divisão de Plásticos. Enquanto passávamos pelas instalações da GE, percebi que a decoração do feriado na frente dos dois primeiros complexos era decididamente discreta, enquanto a frente do prédio da Divisão de Plásticos parecia a casa de Chevy Chase no filme "Férias de Natal". A pessoa com quem eu estava viajando comentou que era fácil saber qual divisão estava gerando todo o lucro.

Hoje, nem a Bayer nem a GE detêm os direitos desse material inovador. Em 2006, a GE vendeu toda a sua Divisão de Plásticos para a Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). Em 2015, a Divisão de Ciência de Materiais da Bayer desviou seu interesse em polímeros para a Covestro, enquanto estava sob a direção de um líder que havia realizado pesquisas brilhantes em misturas de polímeros para a General Electric na década de 1980 e início de 1990. É um comentário sobre como a indústria de plásticos mudou de um negócio de rápido crescimento para um empreendimento mais maduro nos últimos 20 anos, e como o foco de grandes corporações em investimento de capital mudou do mundo dos polímeros.

No entanto, os anos após a descoberta foram tempos inebriantes. A produção de policarbonato começou na Bayer em 1958 e na General Electric em 1960. As aplicações se desenvolveram rapidamente nos campos elétrico e eletrônico, construção e iluminação, embalagens de alimentos, indústrias automotivas e aeroespaciais e dispositivos médicos. Em qualquer aplicação em que clareza e tenacidade fossem necessárias, o PC tornou-se o material de escolha. Isso incluiu óculos, para-brisas, carenagens e escudos de segurança para motocicletas e ATVs, e até mesmo velames de cabine de pilotagem para aeronaves. O polímero se mostrou extremamente versátil, podendo ser fabricado na forma de filme, onde encontrou uso como um isolante elétrico muito eficaz, mas também se prestou à moldagem por sopro, extrusão, moldagem por injeção e termoformação.

Em 1981 o material entrou no mercado de armazenamento de dados com a criação dos primeiros discos compactos, seguidos logo em seguida pelos DVDs. A alta temperatura de transição vítrea do material o tornou adequado para esterilização por técnicas de vapor e autoclave, e a química aromática da estrutura do polímero acoplada à estrutura amorfa também o tornou um candidato líder para técnicas de esterilização de alta energia, como gama e Feixe E. Foram desenvolvidos graus que atendem aos padrões de biocompatibilidade e também ao contato com alimentos. Classes estabilizadas por UV foram desenvolvidas para estender a utilidade do material em aplicações externas. Os primeiros tipos de retardantes de chama foram desenvolvidos em 1970.

O policarbonato também tem sido um dos polímeros mais utilizados em misturas. Isso melhora algumas das propriedades em áreas onde o material é considerado vulnerável. As misturas foram criadas com ABS, SAN, ASA, poliésteres e poliuretanos. A capacidade de produção global atingiu 10 bilhões de libras em 2016. Copolímeros com poliésteres aumentaram as temperaturas operacionais para cerca de 200 C (392 F) e a incorporação da química do siloxano na estrutura do polímero melhorou a resistência à hidrólise e ao cracking por estresse ambiental, duas influências que sempre foram fraquezas notáveis ​​no perfil de desempenho do material.

Apesar de todo esse sucesso, a história do PC teve seus desafios. Vamos dar uma olhada em alguns deles em nossa próxima edição.


SOBRE O AUTOR:Michael Sepe é um consultor independente de materiais e processamento com sede em Sedona, Arizona, com clientes na América do Norte, Europa e Ásia. Ele tem mais de 45 anos de experiência na indústria de plásticos e auxilia clientes na seleção de materiais, projetos para capacidade de fabricação, otimização de processos, solução de problemas e análise de falhas. Contato:(928) 203-0408 •[email protected]