Polycarbonate: A escolha ideal para sustentabilidade e versatilidade em materiais modernos.

A História do Material Polimérico: Policarbonato

O desenvolvimento e a comercialização de novos polímeros na década de 1930 passaram por um ritmo acelerado. Materiais como PVC, poliestireno, polietileno, acrílico e celulósicos moldáveis atingiram sua maturidade nesse período. Na década de 1940, as propriedades do poliestireno foram aprimoradas ao se adicionar borracha de butadieno, o que melhorou sua resistência ao impacto, mas afetou a transparência. As características do poliestireno também foram ampliadas pela copolimerização com acrilonitrilo, resultando no SAN, um material claro com melhor resistência ao calor e produtos químicos. Este material também foi fortalecido pela adição de borracha de butadieno para criar o ABS, além de outras propriedades que afetaram sua transparência.

O policarbonato se tornou um material de escolha sempre que transparência, resistência ao calor e durabilidade são necessários. (Foto: PolyOne)

Hoje, consideramos os primeiros polímeros transparentes geralmente como duros e frágeis, como o SAN e o acrílico, ou macios e resistentes, como os celulósicos. Durante esse período inicial de desenvolvimento, muitos desses materiais foram oferecidos como uma alternativa segura ao vidro. Isso foi particularmente verdade para os acrílicos, que se desenvolveram em grande parte por esforços de químicos como Otto Rohm. Os acrílicos permanecem uma alternativa muito versátil ao vidro, em grande parte devido à sua notável resistência às condições climáticas e à radiação ultravioleta. No entanto, o compromisso entre materiais transparentes que eram macios e aqueles que eram duros e quebradiços mudou dramaticamente no início da década de 1950, com a criação de uma nova química que conhecemos hoje como policarbonato.

As Primeiras Pesquisas e Descobertas

O desenvolvimento do policarbonato compartilha temas comuns com muitos dos materiais discutidos anteriormente. Seu desenvolvimento ocorreu ao longo de um período prolongado, com vários começos frustrados. A descoberta do material que acabaria sendo bem-sucedido comercialmente foi acidental e ocorreu quase simultaneamente em diferentes partes do mundo. Embora associemos o início da produção de policarbonato ao final da década de 1950, o material foi criado pela primeira vez em laboratório em 1898 pelo químico alemão Alfred Einhorn, que trabalhou e lecionou na Universidade de Munique com Adolf von Baeyer, o químico ganhador do Prêmio Nobel que primeiro sintetizou e depois abandonou os fenólicos.

Einhorn é mais conhecido como a primeira pessoa a sintetizar o anestésico local procaína, mais conhecido como Novocain. Porém, na década de 1890, Einhorn estava tentando sintetizar carbonatos cíclicos e produziu policarbonato ao reagir hidroquinona com fosgênio. Trinta anos de experimentação em laboratório por vários químicos não resultaram em sucesso comercial.

Avanços Marcam a Produção do Policarbonato

Porém, a reação química foi o protótipo do que, por fim, produziu o polímero que usamos hoje. Em 1928, Wallace Carothers e sua equipe na DuPont também produziram policarbonatos enquanto trabalhavam no desenvolvimento de poliésteres e nylons. Quimicamente, o policarbonato e o poliéster possuem muitas semelhanças, e as reações de condensação que Carothers estava empregando para produzir seus materiais eram muito similares às que foram usadas para polimerizar o policarbonato.

No entanto, os materiais que Carothers produziu tinham uma estrutura de backbone alifática, em vez da estrutura aromática que caracterizou o produto comercial. Consequentemente, as propriedades térmicas, mecânicas e químicas desses primeiros policarbonatos não foram consideradas úteis, levando esses materiais a serem descartados.

O Papel Crucial de Hermann Schnell e Dan Fox

Foi somente em 1953 que Hermann Schnell e sua equipe, trabalhando na instalação da Bayer em Uerdingen, na Alemanha, criaram a versão do policarbonato que se tornaria a base para seu atual sucesso comercial. Uma semana depois, Dan Fox, da General Electric, descobriu independentemente o mesmo composto enquanto trabalhava para desenvolver um novo material isolante para fios. As duas versões do polímero eram quimicamente as mesmas, mas diferiam estruturalmente. O material da Bayer, nome comercial Makrolon em 1955, era um polímero linear, enquanto a descoberta da GE era um material ramificado.

As propriedades dos dois materiais eram muito similares, ambos transparentes, embora as versões iniciais tivessem uma tonalidade âmbar que só foi resolvida em 1971, quando as impurezas químicas foram eliminadas. Os materiais também apresentavam um ponto de amolecimento aproximadamente 50ºC (90ºF) superior a qualquer um dos materiais transparentes conhecidos, confortavelmente acima do ponto de ebulição da água. Além disso, possuíam um nível de ductilidade que superava qualquer outro material transparente conhecido naquela época. Em outras palavras, o policarbonato ampliou o alcance de aplicações que poderiam ser atendidas por polímeros claros além do que era anteriormente possível.

Desafios Legais e Avanços da Indústria

O desenvolvimento quase simultâneo do polímero por duas grandes empresas poderia ser esperado gerar um nível significativo de atividade legal. Mas, ao contrário da saga de 30 anos de ações legais que caracterizaram o desenvolvimento de HDPE e PP, a batalha potencial sobre os direitos ao policarbonato foi resolvida relativamente rápido com um acordo onde a empresa que teria prioridade concederia uma licença à outra. A prioridade foi dada à Bayer, embora, se você lesse a literatura de vendas que saía da General Electric nas décadas de 1970 e 1980, ou visitasse Pittsfield, Massachusetts, naquela época, poderia concluir que toda a propriedade intelectual associada ao policarbonato residia nos corredores da GE.

Em 1978, visitei Pittsfield durante as festas de Natal. Naquele momento, a GE empregava mais de 5.000 pessoas em uma cidade com uma população ligeiramente superior a 50.000. Esses funcionários trabalhavam nas Divisões de Transformadores de Energia, Divisão de Ordinanças Navais ou na Divisão de Plásticos. Ao dirigir pela instalação da GE, notei que as decorações natalinas em frente aos dois primeiros complexos eram decididamente discretas, enquanto a frente do prédio da Divisão de Plásticos parecia a casa de Chevy Chase no filme “Natal de um Sonho Americano.” A pessoa com quem viajei comentou que era fácil perceber qual divisão estava gerando todos os lucros.

O Legado do Policarbonato

Hoje, nem a Bayer nem a GE possuem os direitos sobre este 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 dos Materiais da Bayer desmembraram seu interesse em polímeros para a Covestro, sob a direção de um líder que havia realizado uma pesquisa brilhante em misturas de polímeros para a GE nas décadas de 1980 e 1990. Isso evidencia como a indústria de plásticos mudou de um negócio de crescimento acelerado para um empreendimento mais maduro ao longo das últimas 20 anos, e como o foco de grandes corporações em investimentos de capital se afastou do mundo dos polímeros.

No entanto, os anos após a descoberta foram tempos animados. A produção de policarbonato começou na Bayer em 1958 e na General Electric em 1960. As aplicações se desenvolveram rapidamente nas áreas de eletrônica, construção e iluminação, embalagens alimentícias, indústrias automotiva e aeroespacial, e dispositivos médicos. Em qualquer aplicação onde clareza e resistência fossem requeridas, o policarbonato se tornou o material preferido. Isso incluía óculos, para-brisas, carenagens e escudos de segurança para motocicletas e ATVs, e até mesmo canopies de cockpit para aeronaves. O polímero provou ser extremamente versátil, podendo ser fabricado na forma de filme, onde se mostrou um isolante elétrico muito eficaz, além de ser adequado para moldagem por sopro, extrusão, injeção e termoformagem.

A Entrada do Policarbonato no Mercado de Dados

Em 1981, o material entrou no mercado de armazenamento de dados com a criação dos primeiros discos compactos, seguidos logo depois pelos DVDs. A alta temperatura de transição vítrea do material o tornava adequado para esterilização por técnicas a vapor e autoclave, e a química aromática da estrutura do polímero, junto com a estrutura amorfa, também fez dele um candidato de destaque para técnicas de esterilização de alta energia, como gama e feixe de elétrons. Foram desenvolvidas categorias que atendiam a normas de biocompatibilidade e também para contato com alimentos. Grades estabilizadas UV foram desenvolvidas para ampliar a utilidade do material em aplicações externas. As primeiras grades retardantes de chama foram desenvolvidas em 1970.

O policarbonato também se destacou como um dos polímeros mais utilizados em blends. Estas misturas melhoram algumas propriedades em áreas onde o material é considerado vulnerável. Misturas foram criadas com ABS, SAN, ASA, poliésteres e poliuretanos. A capacidade global de produção alcançou 10 bilhões de libras em 2016. Copolímeros com poliésteres elevaram as temperaturas operacionais próximas a 200ºC (392°F), e a incorporação da química de siloxano na estrutura do polímero melhorou a resistência à hidrólise e a fissuração por estresse ambiental, dois fatores que sempre foram fraquezas notáveis no perfil de desempenho do material.

Apesar de todo esse sucesso, a história do policarbonato não esteve isenta de desafios. Analisaremos alguns deles em nosso próximo capítulo.

SOBRE O AUTOR: Michael Sepe é um consultor independente em materiais e processamento baseado em Sedona, Arizona, com clientes em toda a América do Norte, Europa e Ásia. Ele possui mais de 45 anos de experiência na indústria de plásticos e auxilia clientes na seleção de materiais, design para a fabricabilidade, otimização de processos, resolução de problemas e análise de falhas. Contato: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com