L'ascension du polycarbonate : comment une innovation des années 1950 a façonné les matériaux modernes (Partie 11)

Durant les années 1930, l'industrie polymère a connu un essor, avec le PVC, le polystyrène, le polyéthylène, l'acrylique et les cellulosiques moulables passant de curiosités de laboratoire à produits commerciaux.

Dans les années 1940, la résistance à l'impact du polystyrène a été améliorée par mélange avec du caoutchouc butadiène — au prix de sa transparence. La copolymérisation du polystyrène avec l'acrylonitrile a produit le SAN, un matériau clair, résistant à la chaleur et chimiquement. L'ajout de butadiène a de nouveau donné l'ABS, qui a sacrifié la clarté pour la ténacité.

Le polycarbonate est devenu le matériau de choix là où transparence, résistance à la chaleur et ténacité sont requises. (Photo: PolyOne)

Les premiers polymères transparents se divisaient en deux camps : types durs et fragiles comme le SAN et l'acrylique, et types mous et tenaces comme les cellulosiques. Les acryliques, pionniers par des chimistes comme Otto Rohm, sont apparus comme une alternative sûre et résistante aux intempéries au verre. Les années 1950 ont toutefois apporté une chimie révolutionnaire qui redéfinirait le domaine — le polycarbonate.

Le chemin du polycarbonate vers le marché ressemble à celui de nombreux autres polymères : un cycle de développement prolongé ponctué de fausses pistes et découvertes fortuites qui ont convergé mondialement. Bien que ses débuts commerciaux remontent à la fin des années 1950, la première synthèse en laboratoire date de 1898, quand le chimiste allemand Alfred Einhorn — connu pour l'invention de la procaïne — a fait réagir l'hydroquinone avec le phosgène pour créer un pré‑polymère. Des décennies d'expérimentation n'ont toutefois pas abouti à un produit commercial.

En 1928, Wallace Carothers et son équipe DuPont ont produit de premiers polycarbonates en travaillant sur les polyesters et nylons. Bien que les matériaux de Carothers possédaient une chaîne principale aliphatique, leurs propriétés thermiques, mécaniques et chimiques étaient insatisfaisantes, menant à l'abandon de la recherche.

Le tournant est survenu en 1953 quand l'équipe d'Hermann Schnell à l'usine Bayer d'Uerdingen a synthétisé le polymère commercialisable qui sera plus tard marqué Makrolon. Une semaine plus tard, Dan Fox chez General Electric a découvert indépendamment le même composé en développant un nouveau matériau d'isolation de fil. Les deux polymères étaient chimiquement identiques mais différaient structurellement : le Makrolon de Bayer était linéaire, la version de GE était ramifiée.

Les deux variants étaient clairs — initialement teintés ambré jusqu'en 1971, quand les impuretés furent éliminées. Leur température de transition vitreuse dépassait celle de tout polymère transparent existant d'environ 50 °C (90 °F), et ils exhibaient une ductilité sans précédent. Le polycarbonate a ainsi élargi le champ des matériaux clairs et tenaces au-delà des limites antérieures.

Les découvertes simultanées ont déclenché des négociations juridiques, mais contrairement aux longs litiges sur le PEHD et le PP, un règlement rapide a accordé la priorité à Bayer et une licence à GE. Bien que le marketing de GE dans les années 1970 et 1980 ait fait croire qu'il était le seul propriétaire, Bayer détenait finalement les premiers droits.

Lors d'une visite à Pittsfield (Massachusetts) en 1978, j'ai noté le contraste saisissant entre les divisions transformateurs de puissance et armement naval discrètes de GE et la division plastiques flamboyamment décorée, un indice visuel de l'endroit où se trouvaient réellement les profits.

Aujourd'hui, ni Bayer ni GE ne détiennent de droits exclusifs. GE a vendu sa division Plastiques à Saudi Arabia Basic Industries (SABIC) en 2006, et Bayer a scindé ses intérêts polymères vers Covestro en 2015, reflétant un changement industriel plus large de croissance rapide vers des opérations matures et capital‑intensives.

La production a débuté chez Bayer en 1958 et chez GE en 1960. Le polycarbonate a rapidement trouvé des applications en électronique, construction, emballage alimentaire, automobile, aérospatial et dispositifs médicaux — toute application exigeant clarté et ténacité. Lunettes, pare-brise, écrans de sécurité et canopées de cockpit d'avion sont devenus des composants PC standards. La flexibilité de fabrication permettait films, pièces soufflées, extrudées, injectées et thermoformées.

En 1981, le PC a entrouvert l'arène du stockage de données avec les premiers disques compacts, suivis par les DVD. Sa haute température de transition vitreuse le rendait idéal pour la stérilisation à la vapeur, tandis que sa chaîne aromatique et structure amorphe convenaient à la stérilisation gamma et faisceau d'électrons. Des grades spécialisés répondent désormais aux normes de biocompatibilité et contact alimentaire ; les grades stabilisés UV prolongent l'usage extérieur, et les grades ignifuges furent introduits dès 1970.

Le polycarbonate est fréquemment mélangé pour améliorer la performance. Les mélanges avec ABS, SAN, ASA, polyesters et polyuréthanes ont élargi son spectre d'applications. La production mondiale a atteint 10 milliards de livres en 2016. Les copolymères avec polyesters poussent les températures d'utilisation près de 200 °C (392 °F), et l'incorporation de chimie siloxane améliore la résistance à l'hydrolyse et à la fissuration sous contrainte environnementale.

Malgré ses triomphes, le parcours du polycarbonate n'a pas été exempt de défis — ceux que nous explorerons dans le prochain volet.

À PROPOS DE L'AUTEUR : Michael Sepe est consultant indépendant en matériaux et procédés basé à Sedona (Arizona), avec clients en Amérique du Nord, Europe et Asie. Fort de plus de 45 ans dans l'industrie plastique, il conseille sur la sélection de matériaux, design pour fabricabilité, optimisation de process, dépannage et analyse de défaillance. Contact : (928) 203‑0408 • mike@thematerialanalyst.com