Retracer l'histoire des matériaux polymères :11e partie

Le polycarbonate est devenu un matériau incontournable partout où la transparence, la résistance à la chaleur et la ténacité sont requises. (Photo :PolyOne)

Aujourd'hui, nous considérons les premiers polymères transparents comme généralement soit durs et cassants, comme le SAN et l'acrylique, soit mous et résistants, comme les cellulosiques. Mais au cours de cette période de développement précoce, bon nombre de ces matériaux ont été proposés comme une alternative sûre au verre. Ce fut particulièrement le cas pour les acryliques, développées en grande partie grâce aux efforts de chimistes comme Otto Rohm. Les acryliques restent une alternative très polyvalente au verre, en grande partie en raison de leur résistance exceptionnelle aux effets des intempéries et des rayons ultraviolets. Mais le compromis entre les matériaux transparents qui étaient mous et ceux qui étaient durs et cassants a radicalement changé au début des années 1950 avec la création d'une toute nouvelle chimie que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de polycarbonate.

Le développement de PC partage des thèmes communs avec de nombreux matériaux dont nous avons discuté précédemment. Son développement s'est produit sur une longue période de temps avec de multiples faux départs. La découverte du matériau qui a finalement été un succès commercial était accidentelle et s'est produite presque simultanément dans différentes parties du monde. Alors que nous associons le début de la production de PC à la fin des années 1950, le matériau a été créé pour la première fois en laboratoire en 1898 par le chimiste allemand Alfred Einhorn, qui a travaillé et enseigné à l'Université de Munich avec Adolf von Baeyer, le chimiste lauréat du prix Nobel qui d'abord synthétisé puis abandonné phénolique.

Einhorn est surtout connu comme la personne qui a été le premier à synthétiser l'anesthésique local procaïne, qui est devenu plus connu sous le nom de Novocain. Mais dans les années 1890, Einhorn tentait de synthétiser des carbonates cycliques et produisait du polycarbonate en faisant réagir de l'hydroquinone avec du phosgène. Trente ans d'expérimentation en laboratoire par divers chimistes n'ont produit aucun succès commercial.

Mais la réaction chimique était le prototype de celle qui a finalement produit le polymère que nous utilisons aujourd'hui. En 1928, Wallace Carothers et son équipe chez DuPont ont également produit des PC tout en travaillant sur le développement de polyesters et de nylons. Chimiquement, le PC et le polyester possèdent de nombreuses similitudes, et les réactions de condensation que Carothers employait pour produire ses matériaux étaient très similaires à celles utilisées finalement pour polymériser le polycarbonate.

Mais les matériaux produits par Carothers avaient une structure de squelette aliphatique par opposition au squelette aromatique qui caractérisait le produit commercial. Par conséquent, les propriétés thermiques, mécaniques et chimiques de ces premiers polycarbonates n'étaient pas considérées comme utiles et ces matériaux ont également été mis de côté.

Ce n'est qu'en 1953 que Hermann Schnell et son équipe, travaillant dans l'usine Bayer d'Uerdingen, en Allemagne, ont créé la version en polycarbonate qui est devenue la plate-forme de son succès commercial actuel. Une semaine plus tard, Dan Fox de General Electric est tombé de manière indépendante sur le même composé alors qu'il travaillait au développement d'un nouveau matériau isolant pour les fils. Les deux versions du polymère étaient chimiquement identiques mais différaient structurellement. Le matériau Bayer, nommé Makrolon en 1955, était un polymère linéaire, tandis que la découverte GE était un matériau ramifié.

Les propriétés des deux matériaux étaient très similaires. Ils étaient transparents, bien que les versions initiales aient une teinte ambrée qui n'a été résolue qu'en 1971 lorsque les impuretés chimiques ont été éliminées. Les matériaux avaient également un point de ramollissement d'environ 50 º C (90º F) plus élevé que n'importe lequel des matériaux transparents connus, confortablement au-dessus du point d'ébullition de l'eau. Et ils possédaient un niveau de ductilité qui dépassait de loin tout autre matériau transparent connu à l'époque. En d'autres termes, le polycarbonate a étendu la gamme d'applications pouvant être remplies par les polymères transparents au-delà de tout ce qui était auparavant possible.

On pourrait s'attendre à ce que le développement presque simultané du polymère par deux grandes entreprises produise un niveau important d'activité légale. Mais contrairement à la saga de 30 ans d'action en justice qui a caractérisé le développement du HDPE et du PP, la bataille potentielle pour les droits sur PC s'est réglée assez rapidement avec un accord selon lequel l'entreprise qui avait finalement la priorité accorderait une licence à l'autre société. . La priorité a été donnée à Bayer, bien que si vous lisiez la documentation commerciale publiée par General Electric dans les années 1970 et 1980 ou si vous deviez visiter Pittsfield, Mass., pendant cette période, vous pourriez être pardonné de conclure que tout la propriété intellectuelle associée au PC résidait dans les locaux de GE.

En 1978, j'ai visité Pittsfield pendant les vacances de Noël. À cette époque, GE employait plus de 5 000 personnes dans une ville d'un peu plus de 50 000 habitants. Ces employés travaillaient à la division des transformateurs de puissance, à la division des ordonnances navales ou à la division des plastiques. En passant devant les installations de GE, j'ai remarqué que les décorations de Noël devant les deux premiers complexes étaient résolument discrètes tandis que la façade du bâtiment de la division Plastics ressemblait à la maison de Chevy Chase dans le film « Vacances de Noël ». La personne avec qui je voyageais a déclaré qu'il était facile de dire quelle division faisait tous les bénéfices.

Aujourd'hui, ni Bayer ni GE ne possèdent les droits sur ce matériau révolutionnaire. En 2006, GE a vendu l'intégralité de sa division Plastics à Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). En 2015, la division Science des matériaux de Bayer a transféré son intérêt pour les polymères à Covestro sous la direction d'un leader qui avait effectué de brillantes recherches sur les mélanges de polymères pour General Electric dans les années 1980 et au début des années 1990. Il s'agit d'un commentaire sur la façon dont l'industrie des plastiques est passée d'une entreprise à croissance rapide à une entreprise plus mature au cours des 20 dernières années, et sur la façon dont l'attention des grandes entreprises sur les investissements en capital s'est éloignée du monde des polymères.

Néanmoins, les années qui ont suivi la découverte ont été grisantes. La production de polycarbonate a commencé chez Bayer en 1958 et chez General Electric en 1960. Les applications se sont développées rapidement dans les domaines de l'électricité et de l'électronique, de la construction et de l'éclairage, de l'emballage alimentaire, des industries automobile et aérospatiale et des dispositifs médicaux. Dans toutes les applications où la clarté et la ténacité étaient requises, le PC est devenu le matériau de choix. Cela comprenait des lunettes, des pare-brise, des carénages et des boucliers de sécurité pour les motos et les VTT, et même des auvents de cockpit pour les avions. Le polymère s'est avéré extrêmement polyvalent, pouvant être fabriqué sous forme de film, où il a trouvé une utilisation comme isolant électrique très efficace, mais se prêtant également au moulage par soufflage, à l'extrusion, au moulage par injection et au thermoformage.

En 1981, le matériel fait son entrée sur le marché du stockage de données avec la création des premiers disques compacts, suivis peu après par les DVD. La température de transition vitreuse élevée du matériau l'a rendu approprié pour la stérilisation par les techniques de vapeur et d'autoclave, et la chimie aromatique du squelette polymère couplée à la structure amorphe en a également fait un candidat de premier plan pour les techniques de stérilisation à haute énergie telles que gamma et E-faisceau. Des grades ont été développés qui répondent aux normes de biocompatibilité ainsi que de contact alimentaire. Des qualités stabilisées aux UV ont été développées pour étendre l'utilité du matériau aux applications extérieures. Les premiers grades ignifuges ont été développés en 1970.

Le polycarbonate a également été l'un des polymères les plus souvent utilisés dans les mélanges. Ceux-ci améliorent certaines des propriétés dans les zones où le matériau est considéré comme vulnérable. Des mélanges ont été créés avec de l'ABS, du SAN, de l'ASA, des polyesters et des polyuréthanes. La capacité de production mondiale a atteint 10 milliards de livres en 2016. Les copolymères avec des polyesters ont porté les températures de fonctionnement à près de 200 C (392 F) et l'incorporation de la chimie du siloxane dans le squelette polymère a amélioré la résistance à l'hydrolyse et à la fissuration sous contrainte environnementale, deux influences qui ont toujours été des faiblesses notables dans le profil de performance du matériau.

Malgré tout ce succès, l'histoire du PC n'a pas été sans défis. Nous en examinerons quelques-uns dans notre prochain article.

À PROPOS DE L'AUTEUR :Michael Sepe est un consultant indépendant en matériaux et en transformation basé à Sedona, en Arizona, avec des clients en Amérique du Nord, en Europe et en Asie. Il a plus de 45 ans d'expérience dans l'industrie des plastiques et assiste les clients dans la sélection des matériaux, la conception pour la fabrication, l'optimisation des processus, le dépannage et l'analyse des défaillances. Contact :(928) 203-0408 •[email protected]