hochkant=1.0|Allgemeine Struktur von Polycarbonaten. R steht für den „Rest“ der zur Synthese eingesetzten Dihydroxyverbindung.|rechts Polycarbonate (Kurzzeichen PC) sind thermoplastische Kunststoffe. Sie sind formal Polyester der Kohlensäure. Polycarbonate können durch Polykondensation von Phosgen mit Diolen oder durch ringöffnende Polymerisation von cyclischen Carbonaten hergestellt werden. Praktische Bedeutung haben sie zur Synthese aromatischer Bishydroxyverbindungen, wie beispielsweise Bisphenol A, woraus das sogenannte Bisphenol A-Polycarbonat als wichtigster Vertreter der Polycarbonate synthetisiert wird. Als Alternative zu Phosgen kann auch eine Umesterung mit Kohlensäurediestern stattfinden. Der Recycling-Code für Polycarbonate ist 07 (Andere Kunststoffe).
Geschichte Obwohl bereits 1898 Alfred Einhorn aromatische Polycarbonate entdeckte, wurde das erste industriell relevante Polycarbonat erst 1953 von Hermann Schnell bei der Bayer AG entwickelt.Hans Domininghaus (Hrsg.): Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. 8. Auflage, Springer-Verlag Heidelberg 2012, S. 714ff. Dieses basierte auf 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan (Bisphenol A). Fast zeitgleich entdeckte Dr. Daniel Fox bei General Electric den Werkstoff Lexan®. 1955 gab es die Patentanmeldung durch General Electric, kurz nachdem Bayer ein ähnliches Patent eingereicht hatte. 1958 erfolgte die offizielle Markteinführung des Kunststoffs unter dem Markennamen Lexan® durch GE Plastics (heute gehört sie dem Hersteller SABIC). Die Bayer AG begann 1958 mit der großtechnischen Produktion unter dem Handelsnamen Makrolon. Später wurde diese Markenbezeichnung von Bayer auch auf andere Polycarbonate ausgedehnt.
Synthese Die weitestverbreiteten Polycarbonate sind jene, welche Bisphenol A als Dihydroxykomponente und Phosgen verwenden.
700px|Darstellung von Polycarbonaten aus Bisphenol A als Diolkomponente und Phosgen
Die Herstellung geschieht über Grenzflächenkondensation. Die wässrige Phase besteht aus Natronlauge, in der sich Bisphenol A als Natriumsalz löst. In die organische Phase aus beispielsweise Dichlormethan wird das gasförmige Phosgen eingeleitet. Als Katalysatoren wirken tertiäre Amine; die Reaktion setzt bereits bei Raumtemperatur ein. Chlorwasserstoff wird unmittelbar mit der Natronlauge zu Natriumchlorid umgesetzt.Wolfgang Kaiser: Kunststoffchemie für Ingenieure. 3. Auflage. Carl Hanser, München 2011, S. 331 ff.
Alternativ können Polycarbonate über Umesterung mit Diphenylcarbonat hergestellt werden. Bei dieser Schmelzkondensation verläuft die Reaktion unter Schutzgas bei niedrigem Druck, das Reaktionsprodukt Phenol wird durch den Unterdruck aus der Reaktionsmasse entfernt:
550px|Darstellung von Polycarbonaten aus Bisphenol A mit Diphenylcarbonat
Die Reaktion wird bei 180 bis 220 °C begonnen, als Katalysatoren dienen Basen. Bei bis zu 300 °C und Unterdruck wird die Polykondensation abgeschlossen.
Varianten Anstatt Bisphenol A werden auch folgende Hydroxyverbindungen eingesetzt:
{| class="wikitable" style="text-align:center; font-size:90%" |- | 200px Bisphenol S | 220px Dihydroxydiphenylsulfid | rowspan="2" | 160px 1,1,1-Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan (THPE) |- | 220px Tetramethylbisphenol A | 210px 1,1-Bis(4-hydroxyphenyl)- 3,3,5-trimethylcyclohexan (BPTMC)
Durch Verwendung von Gemischen obiger Komponenten können Eigenschaften des entstehenden Polycarbonats z. T. stufenlos variiert werden. Cokondensate aus Bisphenol A und BPTMC führen zu hochtransparenten, wärmeformbeständigen Kunststoffen. THPE erlaubt den Einbau von Kettenverzweigungen, die die Strukturviskosität bei der Verarbeitung des Materials (beispielsweise bei der Extrusion) positiv beeinflussen. Dihydroxydiphenylsulfid führt zu einem hohen Brechungsindex des Kunststoffs, was für die Herstellung von optischen Linsen vorteilhaft ist.
Eine andere Syntheseroute kommt beim Duroplast Polyallyldiglycolcarbonat zum Einsatz, dort ist bereits das Monomer ein Carbonat, und wird radikalisch polymerisiert.
Eigenschaften Polycarbonate weisen in der Regel einen Kristallitanteil von weniger als 5 % auf und gelten daher als amorph. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Schlagzähigkeit, Steifigkeit und Härte aus. Außerdem sind Polycarbonate gute Isolatoren gegen elektrische Spannung.
Polycarbonate sind entflammbar, die Flamme erlischt jedoch nach Entfernen der Zündquelle. Polycarbonat erfüllt die Anforderungen der Baustoffklasse B2 nach DIN 4102. In Schichtdicken zwischen 1 und 6 mm ist es im Falle von Innenanwendungen in die Baustoffklasse B1, „schwer entflammbar“ eingestuft. Auch die Anforderungen an das Brandverhalten von PC-Fahrzeugscheiben gemäß Zulassungsrichtlinien wie TA29 (national), ECE43 oder ANSI Z26.1 (USA) werden erfüllt.
Der wasserklare Kunststoff zeichnet sich durch Glas-ähnliche Licht-Transmissionsgrade (88 % bei 3 mm Dicke nach DIN 5036-1) und Brechungsindizes (1,59 nach ISO 489-A) aus.
Polycarbonate mit aromatischen Segmenten sind empfindlich gegenüber UV-Licht im Wellenlängen-Bereich um 340 nm. Bestrahlung mit Licht dieser Wellenlänge, u. a. durch Einsatz unter freiem Himmel, führt ohne Schutzbeschichtung zu Brüchen und Umlagerungen im Polymermolekül, die das Material mit der Zeit verspröden und vergilben lassen.
Die maximale Gebrauchstemperatur liegt bei 125 °C, kurzzeitig bis zu 135 °C. Die Glasübergangstemperatur ist 148 °C. Wie alle amorphen Kunststoffe hat Polycarbonat keinen Schmelzpunkt.
Chemikalienbeständigkeit
Polycarbonate haben eine Beständigkeit gegenüber: Wasser, Alkoholen (mit der Ausnahme von Methanol), Fetten, Ölen, Glycol, verdünnte Säuren, verdünnte Basen, vielen Mineralsäuren und wässrigen Lösungen von neutralen Salzen und Oxidationsmitteln.
Keine Beständigkeit haben sie gegen: Benzol, Toluol, Xylol, chlorierte Kohlenwasserstoffen, Methanol, starke Säuren, starke Laugen, alkalische wässrige Lösungen, Amine und Ammoniak.
Außerdem führt das längere Wirken von heißem Wasser zur Hydrolyse.
Zu den spannungsrissauslösenden Medien für Polycarbonat zählen: Aceton, Ether, Anilin, Ester, Kaliumhydroxid, Ketone, Kohlenwasserstoffe, Methanol, Natriumhydroxid, chlorhaltige Quellmittel, Terpentin und Tetrachlorkohlenstoff.
Anwendungen mini|CD-Rohling aus Polycarbonat
Polycarbonate sind transparent und farblos. Sie können jedoch eingefärbt werden.
Polycarbonat ist verhältnismäßig teuer. Es wird daher fast nur dort eingesetzt, wo andere Kunststoffe zu weich, zu zerbrechlich, zu kratzempfindlich, zu wenig formstabil oder nicht transparent genug sind. Darüber hinaus wird Polycarbonat als transparenter Kunststoff wie auch Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Styrol-Acrylnitril (SAN) häufig als Glas-Alternative eingesetzt. Im Vergleich zum spröden Glas ist Polycarbonat leichter und deutlich schlagfester. Außerdem besteht bei moderaten Aufprallenergien bzw. Geschwindigkeiten keine Gefahr durch Splitterbildung.
Die Anwendbarkeit als transparente Glas-Alternative kann durch die geringere Abriebbeständigkeit des Polycarbonats eingeschränkt sein. Im Taber-Test nach ASTM D1044 (DIN 52347 bzw. ISO 15082 für Kunststoff-Verglasung) erreicht der Kunststoff nach 100 Zyklen lediglich ∆Haze-Werte um 30 %, d. h., er trübt durch Kontakt mit abrasiven Medien wie z. B. Flugsand deutlich ein. Dieses Manko kann durch Beschichtungen, etwa auf Basis von Polysiloxanen, Polyepoxiden oder Polyurethanacrylaten, ausgeglichen werden. Bereits Polysiloxan-Lackschichten von 5 bis 8 µm Dicke können Polycarbonat-Halbzeuge oder -Werkstücke mit einer glasähnlich-harten Oberfläche (∆Haze nach 100 Zyklen < 4 %) ausstatten.
Mittels geeigneter Lacke lässt sich auch die Chemikalien- und UV-Beständigkeit des Werkstoffs deutlich erhöhen.Korinna Brammer et al.: (Glas)klare Sache. In: Kunststoffe, Heft 8/2006, S. 84–87. Spezialisierte Beschichtungen können Polycarbonate darüber hinaus mit selbstreinigenden oder wasserabweisenden Oberflächen ausstatten. Auch die Ableitung statischer Elektrizität ist möglich, die Polycarbonat-Scheiben den Einsatz etwa als Maschinenabdeckung in explosionsgeschützten Bereichen erlauben.
Im Verbund mit transparenten thermoplastischen Polyurethanen (TPU) lassen sich aus Polycarbonat leichte, UV-beständige Verbundsicherheits-Verscheibungen fertigen, die auch im Blick auf das wichtige Head Injury Criterion (HIC) nach DIN 52310 gut abschneiden. Der von der TA29 bzw. ECE 43 (Richtlinie für Fahrzeugverscheibungen) geforderte Grenzwert HIC < 1000 wird von diesen Verbundsicherheitsscheiben unterschritten.
Polycarbonate werden unter anderem eingesetzt zur Herstellung von: CDs, DVDs und Blu-ray Discs Brillengläsern und optischen Linsen Abschlussscheiben (Streuscheiben) von Autoscheinwerfern Fenstern von Strahlflugzeugen Koffern einbruchhemmender Verglasung Unterwassergehäusen für Kameras Hinterseitenabdeckungen von Mobiltelefonen (meist Smartphones) und Tabletcomputern Verscheibungen von Wintergärten und Gewächshäusern Verkleidungen avantgardistischer Bauwerke Solarmodule Schutzhelmen und Visieren Campinggeschirr wegen guter Biokompatibilität bei einer Vielzahl medizinischer Einmalprodukte Mikrofasern mit dem elektrostatischen SprühverfahrenWalter Loy: Chemiefasern für technische Textilprodukte. 2., grundlegende überarbeitet und erweiterte Auflage. Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main 2008, ISBN 978-3-86641-197-5, S. 258.
Der Weltverbrauch an Polycarbonat lag im Jahr 2009 bei etwa drei Millionen Tonnen, was etwa einem Wert von sechs Milliarden Euro entsprach. Dietrich Braun: Kleine Geschichte der Kunststoffe, 2. Auflage. Carl Hanser Verlag, München 2017, ISBN 978-3-446-44832-2, S. 290.
Verarbeitung Polycarbonate lassen sich mit allen für Thermoplaste üblichen Verfahren verarbeiten. Beim Spritzgießen wird wegen der hohen Viskosität der Schmelze ein hoher Spritzdruck benötigt. Die Verarbeitungstemperaturen liegen zwischen 280 und 320 °C und beim Extrudieren zwischen 240 und 280 °C. Vor der Verarbeitung muss allerdings die Restfeuchte durch Trocknung (4 bis 24 Stunden bei 120 °C) auf unter 0,01 Prozent gebracht werden. Die Verarbeitungsschwindung von Polycarbonat liegt bei 0,6 bis 0,8 Prozent. Polycarbonat weist so gut wie keine Nachschwindung auf. Es lässt sich mit Lösungsmitteln wie beispielsweise Dichlormethan und Reaktionsharzklebstoffen kleben und ist Ultraschall- und hochfrequenzschweißbar.
Sicherheitshinweise Amerikanischen und japanischen Untersuchungen zufolge kann aus bestimmten Polycarbonaten, für deren Herstellung das Monomer Bisphenol A verwendet wurde, dieses bei Erhitzung wieder freigesetzt werden. Bisphenol A steht im Verdacht, erhebliche gesundheitliche Schädigungen hervorrufen zu können.. In der EU ist deshalb der Einsatz von Polycarbonat, das Bisphenol A enthält, beispielsweise als Material für Babyflaschen, verboten.EU-Koordination Deutscher Naturschutzring (DNR): Meldung vom 26. November 2010.Europäische Kommission: Bisphenol A: EU-Verbot von Säuglingsflaschen tritt morgen in Kraft. Pressemitteilung vom 31. Mai 2011. Die seither verwendeten Ersatzstoffe Bisphenol S, Bisphenol F und Bisphenol HPF haben laut des Ausschusses für Risikobewertung (RAC) der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) jedoch die gleichen gesundheitsschädigenden Nebenwirkungen wie BPA.
Recycling mini|hochkant=0.5|Recycling-Code für Polycarbonate 07 (Andere Kunststoffe) Der Recycling-Code für Polycarbonate ist 07.
Trivia Die 180 Fenster des Brüsseler Atomiums bestehen seit der Restaurierung im Jahr 2006 aus beschichtetem Polycarbonat.
Das Dach des Olympiastadions Athen besteht aus rund 25.000 Quadratmetern Polycarbonat-Platten, die in einem Unternehmen in Geesthacht (bei Hamburg) zuvor mit einer UV-beständigen Lackschicht versehen wurden. mini|Lamy 2000 mit einem Gehäuse aus Makrolon. Als Klassiker des deutschen Designs gilt der Füllfederhalter Lamy 2000 der von Gerd A. Müller gestaltet wurde. Für einen Füller war die Wahl des Werkstoffes Makrolon ungewöhnlich.