Polykarbonát
Obsah boxu
Polykarbonát (běžně zkracováno jako PC) je termoplastický polymer, který patří do skupiny polyesterů. Jeho název je odvozen od skutečnosti, že se jedná o polymery obsahující karbonátové (uhličitanové) skupiny (-O-(C=O)-O-) ve své hlavní struktuře. Nejběžnější typ polykarbonátu je založen na bisfenolu A (BPA), což z něj činí jeden z nejrozšířenějších a nejuniverzálnějších technických plastů na světě.
Polykarbonáty jsou známé především pro svou mimořádnou kombinaci vlastností: vysokou rázovou houževnatost (jsou prakticky nerozbitné), vysokou průhlednost srovnatelnou se sklem a dobrou tepelnou odolnost. Díky těmto vlastnostem se používají v široké škále aplikací, od neprůstřelných skel a kompaktních disků až po automobilové světlomety a skleníky. Mezi nejznámější obchodní značky polykarbonátu patří Lexan™ (původně General Electric, nyní SABIC) a Makrolon® (Covestro, dříve Bayer MaterialScience).
📜 Historie
Objev polykarbonátu je připisován dvěma nezávislým týmům v Německu a Spojených státech.
🔬 Nezávislé objevy
V roce 1953 syntetizoval Dr. Hermann Schnell, pracující pro německou společnost Bayer AG v Uerdingenu, první lineární polykarbonát. Jeho objev byl výsledkem výzkumu polyesterů. Téměř ve stejnou dobu, jen o několik dní později, objevil stejný materiál Dr. Daniel Fox ve společnosti General Electric v Schenectady, New Yorku. Fox pracoval na vývoji nového izolačního materiálu pro vodiče a narazil na tuhý, průhledný materiál, který se nedal snadno zničit.
Obě společnosti si uvědomily obrovský komerční potenciál materiálu a požádaly o patentovou ochranu. Následný patentový spor byl nakonec vyřešen a obě firmy se dohodly na sdílení licence.
🏭 Komerční výroba
Společnost Bayer zahájila komerční výrobu polykarbonátu v roce 1958 pod obchodním názvem Makrolon. General Electric následovala v roce 1960 se svým produktem nazvaným Lexan. Od té doby se polykarbonát stal jedním z nejdůležitějších technických plastů a jeho výroba a využití neustále rostly. V průběhu let byly vyvinuty nové typy a směsi polykarbonátů s vylepšenými vlastnostmi, jako je odolnost proti UV záření, poškrábání nebo ohni.
⚙️ Fyzikální a chemické vlastnosti
Polykarbonát je ceněn pro svou unikátní kombinaci vlastností, která ho odlišuje od ostatních plastů.
💪 Mechanické vlastnosti
Hlavní předností PC je jeho extrémní rázová houževnatost. Je přibližně 250krát odolnější proti nárazu než standardní sklo a asi 30krát odolnější než akrylátové sklo (PMMA). Tato vlastnost ho činí ideálním materiálem pro bezpečnostní aplikace. I při nízkých teplotách si zachovává dobrou houževnatost. Je také rozměrově stabilní, což znamená, že si drží tvar i při změnách teploty a vlhkosti.
🌡️ Tepelné vlastnosti
Polykarbonát má dobrou tepelnou odolnost. Jeho teplota skelného přechodu (Tg) je přibližně 147 °C, což mu umožňuje zachovat si tuhost až do této teploty. Může být používán pro dlouhodobé aplikace při teplotách do zhruba 120 °C. Má také dobré samozhášecí vlastnosti, což je výhodné pro použití v elektronice a stavebnictví.
💡 Optické vlastnosti
Standardní polykarbonát je vysoce transparentní a propouští až 90 % viditelného světla, což je srovnatelné se sklem. Má vyšší index lomu (cca 1,585) než sklo, což umožňuje výrobu tenčích a lehčích čoček pro brýle. Nevýhodou je náchylnost k poškrábání, proto se povrchy často opatřují speciálními ochrannými vrstvami.
🧪 Chemická odolnost
PC je odolný vůči zředěným kyselinám, olejům, tukům a mnoha alkoholům. Je však citlivý na silné zásady, ketony, estery a aromatické uhlovodíky, které mohou způsobit jeho popraskání nebo rozpuštění. Dlouhodobé vystavení UV záření způsobuje žloutnutí a křehnutí materiálu, proto se pro venkovní aplikace přidávají UV stabilizátory nebo se povrch opatřuje ochrannou vrstvou.
🏭 Výroba
Existují dva hlavní průmyslové procesy pro výrobu polykarbonátu z bisfenolu A.
Polymerizace s fosgenem
Tradiční a historicky nejstarší metoda využívá reakci bisfenolu A (BPA) s fosgenem (COCl₂), což je vysoce toxický plyn. Reakce probíhá v přítomnosti hydroxidu sodného a organického rozpouštědla (např. dichlormethan). Tento proces je velmi efektivní, ale nese s sebou značná bezpečnostní a ekologická rizika spojená s manipulací s fosgenem.
Transesterifikace (bezfosgenový proces)
Modernější a ekologičtější metoda je založena na transesterifikaci. V tomto procesu reaguje bisfenol A s difenylkarbonátem (DPC) při vysokých teplotách (až 300 °C) a ve vakuu. Jako vedlejší produkt vzniká fenol, který je méně nebezpečný než fosgen a může být recyklován zpět do výroby difenylkarbonátu. Tento proces je dnes preferován mnoha výrobci kvůli vyšší bezpečnosti a menšímu dopadu na životní prostředí.
🌐 Využití a aplikace
Díky svým vlastnostem nachází polykarbonát uplatnění v mnoha odvětvích.
🏗️ Stavebnictví a architektura
- Zasklívání: Bezpečnostní zasklení budov, protihlukové stěny, zastřešení stadionů, skleníků, zimních zahrad a zastávek veřejné dopravy.
- Desky: Komůrkové (dutinkové) polykarbonátové desky se používají pro svou nízkou hmotnost a dobré tepelně izolační vlastnosti.
🚗 Automobilový průmysl
- Světlomety: Kryty předních světlometů jsou téměř výhradně z polykarbonátu kvůli jeho odolnosti proti nárazu, nízké hmotnosti a možnosti tvarování.
- Interiérové díly: Přístrojové desky, vnitřní obložení a další komponenty.
- Zasklení: Panoramatické střechy, zadní a boční okna u některých sportovních vozů.
🔌 Elektronika
- Datové nosiče: CD, DVD a Blu-ray Disc jsou vyrobeny z vysoce čistého polykarbonátu.
- Kryty a těla zařízení: Těla chytrých telefonů, notebooků, tiskáren a další elektroniky.
- Elektrické komponenty: Izolátory, konektory, kryty jističů.
🩺 Lékařství
Polykarbonát se používá pro výrobu zdravotnických prostředků, které vyžadují průhlednost, odolnost a možnost sterilizace (např. párou nebo gama zářením).
- Pouzdra na dialyzátory, kanyly, jednorázové chirurgické nástroje, inkubátory.
🛡️ Bezpečnostní aplikace
- Ochranné štíty: Policejní těžkooděnci používají štíty z polykarbonátu.
- Neprůstřelné sklo: Vrstvené panely z polykarbonátu a skla se používají jako neprůstřelné bariéry v bankách nebo vládních budovách.
- Ochranné pomůcky: Ochranné brýle, obličejové štíty, helmy a hledí.
🍴 Spotřební zboží
- Nádobí a lahve: Opakovaně použitelné lahve na vodu, kojenecké lahve (dnes již méně kvůli obavám z BPA), kuchyňské nádobí.
- Brýlové čočky: Díky vysoké odolnosti proti nárazu jsou ideální pro dětské a sportovní brýle.
- Zavazadla: Skořepinové kufry jsou často vyrobeny z polykarbonátu pro jejich odolnost a nízkou hmotnost.
♻️ Recyklace a ekologie
Polykarbonát je recyklovatelný materiál. V systému identifikačních kódů plastů je označen číslem 7 (Ostatní). Recyklace PC může probíhat dvěma způsoby:
- Mechanická recyklace: Materiál je rozdrcen, přetaven a použit k výrobě nových, méně náročných produktů (např. směsi s jinými plasty).
- Chemická recyklace: Polymer je rozložen zpět na své původní monomery (např. bisfenol A), které mohou být znovu použity k výrobě nového, vysoce kvalitního polykarbonátu.
Přestože je recyklovatelný, míra recyklace polykarbonátu je nižší než u běžnějších plastů jako PET nebo HDPE, a to kvůli menšímu objemu sběru a složitějšímu zpracování.
⚠️ Zdravotní aspekty a kontroverze (BPA)
Největší kontroverze spojená s polykarbonátem se týká jeho základní stavební složky, bisfenolu A (BPA). BPA je známý jako endokrinní disruptor, což je látka, která může narušovat funkci hormonálního systému v těle.
Existují obavy, že se z polykarbonátových výrobků, zejména těch, které přicházejí do styku s potravinami (např. lahve, nádoby), může uvolňovat malé množství BPA. Toto uvolňování se může zvýšit při zahřívání, poškrábání povrchu nebo při kontaktu s kyselými či zásaditými potravinami.
V reakci na tyto obavy a tlak veřejnosti mnoho zemí, včetně Evropské unie, Kanady a USA, zakázalo používání polykarbonátu obsahujícího BPA pro výrobu kojeneckých lahví. Výrobci také začali nabízet širokou škálu "BPA-free" produktů, které používají alternativní plasty jako Tritan nebo polykarbonáty vyrobené z jiných bisfenolů. Vědecká debata o bezpečnosti nízkých dávek BPA pro dospělé stále probíhá.
💡 Pro laiky
Představte si materiál, který je průhledný a čirý jako sklo, ale prakticky ho nelze rozbít. Když do něj udeříte kladivem, nepraskne na tisíc kousků, ale jen se promáčkne. To je v kostce polykarbonát. Je to druh "super-plastu", který kombinuje to nejlepší ze světa skla (průhlednost) a plastu (lehkost a extrémní odolnost).
Díky těmto vlastnostem ho najdete všude tam, kde je potřeba něco průhledného a zároveň velmi pevného:
- Ochranné štíty pro policisty.
- Nerozbitné brýlové čočky.
- Kryty na světlometech aut, které musí odolávat letícím kamínkům.
- Průhledné střechy na stadionech nebo autobusových zastávkách.
- Disky CD a DVD, kde je potřeba chránit data a zároveň je musí laser přečíst.
Je to tedy materiál volby pro aplikace, kde by běžné sklo bylo příliš křehké a nebezpečné a jiné plasty by nebyly dostatečně pevné nebo průhledné.