Historia de los polímeros: policarbonato

A lo largo de la década del treinta, el desarrollo y la comercialización de nuevos polímeros se produjo a un ritmo rápido. El PVC, el poliestireno, el polietileno, el acrílico y la celulósica moldeable alcanzaron la mayoría de edad en esta década.

En la década del cuarenta, las propiedades del poliestireno se ampliaron mediante la adición de caucho de butadieno para mejorar el impacto del material de uso general a expensas de su transparencia.

También se extendieron por medio de la copolimerización con acrilonitrilo para hacer SAN, un material transparente con resistencia mejorada al calor y a los productos químicos. De igual manera, se endureció gracias a la adición de caucho de butadieno para hacer ABS, nuevamente con la transparencia como víctima.

Papel de los primeros polímeros transparentes como alternativa al vidrio

Hoy consideramos que los primeros polímeros transparentes fueron generalmente duros y quebradizos, como el SAN y el acrílico, o blandos y resistentes, como los celulósicos. Pero durante ese periodo inicial, muchos de estos materiales se ofrecieron como una alternativa segura al vidrio. Este fue particularmente el caso de los acrílicos, desarrollados en gran medida a través del trabajo de químicos como Otto Rohm.

Policarbonato: material revolucionario en transparencia, resistencia al calor y dureza

Los acrílicos siguen siendo una alternativa muy versátil al vidrio gracias, en gran parte, a su excelente resistencia a los efectos de la intemperie y la radiación ultravioleta. Pero el compromiso entre los materiales transparentes blandos y los que eran duros y frágiles cambió drásticamente a principios de la década del cincuenta con la creación de una química completamente nueva que hoy conocemos como policarbonato.

El avance del PC comparte temas comunes con muchos de los materiales que hemos discutido antes. Su desarrollo ocurrió durante un periodo prolongado con múltiples comienzos en falso. El descubrimiento del material que finalmente tuvo éxito comercial fue accidental y casi simultáneo en diferentes partes del mundo.

Aplicaciones y evolución del policarbonato en la industria

Aunque asociamos el comienzo de la producción de PC con el final de la década del cincuenta, el material fue creado por primera vez en el laboratorio en 1898 por el químico alemán Alfred Einhorn, quien trabajaba y enseñaba en la Universidad de Múnich con Adolf von Baeyer, el químico ganador del Premio Nobel que primero sintetizó y luego abandonó el fenólico.

Einhorn es más conocido por ser el primero en sintetizar el anestésico local procaína, generalmente llamado novocaína. Pero en la década de 1890, Einhorn intentaba sintetizar carbonatos cíclicos y produjo policarbonato al hacer reaccionar hidroquinona con fosgeno. Treinta años de experimentación en el laboratorio por parte de varios químicos no produjeron ningún éxito comercial.

Pero la reacción química fue el prototipo de la que finalmente produjo el polímero que usamos hoy. En 1928, Wallace Carothers y su equipo en DuPont también produjeron PC mientras trabajaban en el desarrollo de poliésteres y nailon.

Químicamente, el PC y el poliéster poseen muchas similitudes, y las reacciones de condensación que Carothers empleaba para producir sus materiales eran muy similares a las utilizadas en última instancia para polimerizar el policarbonato.

Primeros policarbonatos y sus limitaciones

Los materiales que Carothers produjo tenían una estructura troncal alifática en oposición a la columna principal aromática que caracterizaba el producto comercial. En consecuencia, las propiedades térmicas, mecánicas y químicas de estos primeros policarbonatos no se consideraron útiles y estos materiales también se archivaron.

Solo en 1953 Hermann Schnell y su equipo, en las instalaciones de Bayer en Uerdingen, Alemania, crearon la versión de policarbonato que se convirtió en la plataforma para su éxito comercial actual. Una semana más tarde, Dan Fox, en General Electric, tropezó independientemente con el mismo compuesto mientras trabajaba para desarrollar un nuevo material aislante de cables.

Las dos versiones del polímero eran químicamente iguales, pero diferían estructuralmente. El material de Bayer, con el nombre comercial de Makrolon en 1955, era un polímero lineal, mientras que el descubrimiento de GE era un material ramificado.

Transparencia y ductilidad del policarbonato

Las propiedades de ambos materiales resultaban muy similares. Eran transparentes, aunque las versiones iniciales tenían un tinte ámbar que solo se solucionó en 1971 cuando se eliminaron las impurezas químicas.

El punto de reblandecimiento aproximado de estos materiales era 50 °C (90 °F) más alto que cualquiera de los materiales transparentes conocidos, cómodamente por encima del punto de ebullición del agua.

Y poseían un nivel de ductilidad que superaba con creces cualquier otro material transparente conocido en ese momento. En otras palabras, el policarbonato amplió la gama de aplicaciones que podían ser satisfechas por polímeros transparentes más allá de lo que había sido posible hasta entonces.

Cambio de propiedad en los derechos del policarbonato

Era de esperar que el desarrollo casi simultáneo del polímero por parte de dos grandes empresas produjera un nivel significativo de actividad legal. Pero a diferencia de la historia de 30 años de acciones legales que caracterizó el desarrollo de HDPE y PP, la batalla potencial sobre los derechos de PC se resolvió relativamente rápido con un acuerdo por el que la empresa a la que finalmente se le daría prioridad otorgaría una licencia a la otra compañía.

La prioridad se le concedió a Bayer, aunque si se lee la documentación comercial de General Electric en los años setenta y ochenta, o si se visitaba Pittsfield, Massachusetts, durante esa época, se podría llegar a la conclusión de que toda la propiedad intelectual asociada al PC residía en los pasillos de GE.

En 1978 visité Pittsfield durante las vacaciones de Navidad. En ese momento, GE empleaba a más de 5000 personas en una ciudad con una población de poco más de 50.000. Estos empleados trabajaban en la división de transformadores de potencia, la división de ordenanza naval o en la división de plásticos.

Mientras conducíamos por las instalaciones de GE noté que las decoraciones navideñas frente a los dos primeros complejos eran decididamente discretas, mientras que la fachada del edificio de la división de plásticos se parecía a la casa de Chevy Chase en la película Vacaciones de Navidad. La persona con la que viajaba comentó que era fácil saber qué división estaba obteniendo todos los beneficios.

Cambio de propietarios y evolución de la industria del plástico

Hoy ni Bayer ni GE poseen los derechos de este material innovador. En 2006, GE vendió toda su división de plásticos a Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). En 2015, la división de ciencia de materiales de Bayer traspasó su negocio de polímeros a Covestro cuando estaba bajo la dirección de un líder que había realizado una brillante investigación en mezclas de polímeros para General Electric en la década de 1980 y principios de 1990.

Es una evidencia de cómo la industria del plástico ha cambiado de un negocio de crecimiento acelerado, a ser una industria más madura en los últimos 20 años, y cómo el enfoque de las grandes corporaciones en la inversión de capital se ha alejado del mundo de los polímeros.

Aplicaciones y versatilidad del policarbonato

Sin embargo, los años posteriores al descubrimiento fueron tiempos apasionantes. La producción de policarbonato comenzó en Bayer en 1958 y en General Electric en 1960. Las aplicaciones se desarrollaron rápidamente en los campos eléctrico y electrónico, en construcción e iluminación, en el envasado de alimentos, en las industrias automotriz y aeroespacial, y en dispositivos médicos. En cualquier aplicación que requiriera claridad y dureza, el PC se convirtió en el material de elección.

Esto incluía gafas, parabrisas, carenados y escudos de seguridad para motocicletas y vehículos todoterreno, e incluso cubiertas de cabina para aviones. El polímero demostró ser extremadamente versátil, fabricable en forma de película, donde encontró uso como aislante eléctrico muy efectivo, pero también se prestaba al moldeo por soplado, al moldeo por inyección, así como al proceso por extrusión y termoformado.

En 1981 el material entró en el mercado de almacenamiento de datos con la creación de los primeros discos compactos, seguidos poco después por los DVD.

La alta temperatura de transición vítrea del material lo hizo adecuado para la esterilización por vapor y técnicas de autoclave, y la química aromática de la columna principal del polímero, junto con la estructura amorfa, también lo ha convertido en un candidato líder para técnicas de esterilización de alta energía, como los rayos gamma y el haz electrónico.

Se han desarrollado grados que cumplen con los estándares de biocompatibilidad, así como los de contacto con alimentos. Se desarrollaron grados estabilizados contra los rayos UV para extender la utilidad del material a aplicaciones al aire libre. Los primeros grados con retardancia a la llama se desarrollaron en 1970.

El policarbonato también ha sido uno de los polímeros más utilizados en mezclas. Estos mejoran algunas de las propiedades en áreas donde el material se considera vulnerable. Las mezclas se han creado con ABS, SAN, ASA, poliésteres y poliuretanos. La capacidad de producción global alcanzó los 10 mil millones de libras en 2016.

Los copolímeros con poliésteres han ampliado las temperaturas de operación cerca de 200 °C (392 °F) y la incorporación de la química del siloxano en la columna principal del polímero ha mejorado la resistencia a la hidrólisis y al agrietamiento por estrés ambiental, dos factores que siempre han sido debilidades notables en el perfil de rendimiento del material.

A pesar de todo este éxito, la historia de PC no ha estado exenta de desafíos. Echaremos un vistazo a algunos de ellos en nuestra próxima entrega.