Was ist Polycarbonat? Alles über Polycarbonat.

Erfahren Sie alles über dieses Material und seine verschiedenen Arten, Anwendungen, Vorteile, Einschränkungen und Toxizität.

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Was ist Polycarbonat?

Polycarbonat ist die Bezeichnung für eine Klasse von thermoplastischen Polymeren, die sich durch das Vorhandensein funktioneller Carbonatgruppen in ihrer chemischen Matrix auszeichnen. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. hohe Festigkeit, Härte und in einigen Fällen ausgezeichnete Transparenz, werden diese Materialien in vielen Bereichen des Ingenieurwesens und der Technik eingesetzt. Polycarbonate können effektiv bearbeitet, geformt und thermisch verformt werden, was sie zu äußerst vielseitigen Materialien macht. Sie werden bei der Herstellung von Bauteilen mit hohen funktionalen Anforderungen verwendet, darunter Polycarbonat-Dachfenster für unvergleichliche Klarheit. Es ist erwähnenswert, dass Polycarbonate Bisphenol A (BPA) als Vorläufermonomer enthalten können, was bei der Betrachtung ihrer Verwendung im Hinblick auf Gesundheit und Sicherheit von Bedeutung ist. Sie werden in der Regel in Plattenform hergestellt, was ihre Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen des Ingenieurwesens und der Architektur noch erweitert.

Polycarbonat ist als thermoplastischer Kunststoff aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und seines breiten Anwendungsspektrums in vielen Industriezweigen allgegenwärtig. Es ist ein Schlüsselmaterial bei der Herstellung von Brillen, medizinischen Geräten, Schutzausrüstungen, Automobilkomponenten, Datenträgern wie DVD und Blu-Ray sowie Oberlichtern und Dachluken. Dank seiner natürlichen Transparenz als amorpher Thermoplast bietet Polycarbonat eine Lichtdurchlässigkeit, die mit der von Glas vergleichbar ist, und gleichzeitig eine außergewöhnliche Schlagfestigkeit, die viele traditionell verwendete Kunststoffe übertrifft.

Aufgrund seiner Flexibilität kann es bei Raumtemperatur geformt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass es reißt oder bricht, und es lässt sich ohne Erhitzung umformen, was dem Polycarbonat seine charakteristischen amorphen Eigenschaften verleiht. Der Aspekt „thermoplastisch“ bezieht sich auf die Fähigkeit des Polycarbonats, bei seinem Schmelzpunkt in einen flüssigen Zustand überzugehen, was ein einfaches Spritzgießen und Recycling ermöglicht.

Polycarbonate werden durch Polymerisation von Bisphenol A (C15H16O2) und Phosgen (COCl2) synthetisiert, schmelzen bei 260-320°C und bleiben über einen weiten Temperaturbereich funktionsfähig. Ihre Schlagzähigkeit ist fast doppelt so hoch wie die der nächstgelegenen Analoga, wie ABS und PVC. Da sie einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben als Metalle wie Stahl und Aluminium, muss dies bei der Verwendung in Verbundstrukturen berücksichtigt werden.

Mit einer Zugfestigkeit von 8500 psi weist das Material nur eine minimale Schrumpfung auf, so dass eine Präzisionsbearbeitung möglich ist, einschließlich des traditionellen Bohrens, Sägens und Fräsen . Polycarbonat lässt sich bei Raumtemperatur leicht formen, und das Thermoformen ist ein wirtschaftliches Verfahren zur Formgebung von Polycarbonatplatten, insbesondere für mittelgroße und große Teile in begrenzten Produktionsserien.

Die amorphe Beschaffenheit von Polycarbonat, d. h. das Fehlen einer geordneten kristallinen Struktur, wirkt sich auf die Art und Weise aus, wie das Material erweicht – allmählich und über einen großen Temperaturbereich hinweg. Als Thermoplast ist Polycarbonat hygroskopisch und erfordert die Entfernung von eingeschlossener Feuchtigkeit vor dem Formen, typischerweise durch Erhitzen des Materials in einem Ofen.

Die chemische Beständigkeit von Polycarbonat ist variabel und hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der Einwirkungsdauer und der Temperatur. Obwohl es gegen viele Mineralsäuren, Alkohole und milde Seifen beständig ist, kann der Kontakt mit einigen Lösungsmitteln, wie Toluol oder Aceton, zu Schäden führen. Lösungen wie das Mischen mit Polyester oder ABS können seine Eigenschaften, einschließlich der chemischen Beständigkeit und Verformbarkeit, verbessern.

Herstellungsverfahren für Polycarbonatmaterialien

Der Prozess der Herstellung von Polycarbonat beginnt mit einer chemischen Reaktion zwischen Bisphenol A (BPA) und Phosgen (COCl2). Im ersten Schritt dieser Synthese wird Bisphenol A mit Natriumhydroxid behandelt, was zur Deprotonierung seiner Hydroxylgruppen führt, so dass aktivierte Phenoxyformen entstehen.

Diese aktivierten Phenoxyle reagieren dann mit Phosgen, wodurch Chloroforme entstehen. Diese Chloroforme werden von weiteren Phenoxylmolekülen angegriffen, was zu einer sukzessiven Polymerisation und Bildung von Polycarbonatketten führt. Dieses Verfahren ist für die Herstellung von rund einer Milliarde Kilogramm Polycarbonat pro Jahr verantwortlich, was seine industrielle Bedeutung unterstreicht.

Auch mit anderen Diolen als Bisphenol A, wie Bis(4-hydroxyphenyl)cyclohexan und Dihydroxybenzophenon, wurde experimentiert, um die Eigenschaften des Endprodukts zu verändern. Die Verwendung von Cyclohexan als Comonomer verringert die Kristallisationsneigung von BPA-basiertem Material und erhöht damit seine Verwendbarkeit in einer Vielzahl von Anwendungen. Darüber hinaus zielt die Verwendung von Tetrabrombisphenol A darauf ab, die feuerfesten Eigenschaften von Polycarbonat zu verbessern, was für viele technische und bauliche Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Verfügbarkeit von Polycarbonat

Auf dem heutigen Kunststoffmarkt wird Polycarbonat, das ursprünglich Mitte des 20. Jahrhunderts von GE und Bayer entwickelt wurde, heute von einer Vielzahl von Herstellern angeboten, die jeweils ihre eigenen einzigartigen Formulierungen und Produktionstechnologien einführen. Durch kontinuierliche Innovation sind verschiedene Polycarbonat-Typen verfügbar, die jeweils für spezifische technische und anwendungsbezogene Anforderungen entwickelt wurden.

Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit Informationen zu den verschiedenen Polycarbonatarten und ihren Anwendungen:

Jede dieser Polycarbonat-Varianten nutzt die einzigartigen Eigenschaften des Materials, um die spezifischen Anforderungen verschiedener Anwendungen zu erfüllen, vom Schutz vor Vandalismus bis hin zu Anwendungen, die eine hohe UV-Beständigkeit und Stabilität erfordern.

Verwendung von Polycarbonat

Polycarbonat wird aufgrund seiner einzigartigen Kombination aus Schlagzähigkeit, Haltbarkeit und Lichtdurchlässigkeit in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Seine Verwendung wird besonders dort geschätzt, wo eine hohe Transparenz bei gleichzeitiger Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beschädigungen erforderlich ist. Entdecken Sie einige der typischen Anwendungen von Polycarbonat-Kunststoffen:

• Autoscheinwerfer: Dank seiner Transparenz und Schlagfestigkeit ist Polycarbonat das ideale Material für Autoscheinwerfer, da es eine hervorragende Ausleuchtung und Schutz vor Steinen und anderen Elementen bietet.
• Sicherheitsscheiben und Motorradabdeckungen: Polycarbonat wird für Sicherheitsfenster und Motorradabdeckungen verwendet und bietet Aufprallschutz, ohne die Sicht zu beeinträchtigen.
• Korrektions- und Schutzbrillen: Seine hohe Transparenz und Kratzfestigkeit, insbesondere wenn es mit geeigneten Beschichtungen behandelt wird, machen es zum bevorzugten Material für optische Gläser und Schutzbrillen.
• Maschinenverkleidungen und Oberlichter: In der Industrie wird Polycarbonat für Maschinenverkleidungen und Oberlichter verwendet, wo seine Schlagfestigkeit und Lichtdurchlässigkeit entscheidend sind.
• Straßenlaternen: Seine Witterungs- und UV-Beständigkeit macht Polycarbonat in Verbindung mit speziellen Additiven zu einem hervorragenden Material für Außenleuchten.

Darüber hinaus wird Polycarbonat in medizinischen Geräten verwendet, die sterilisiert werden müssen, sowie in Konsumgütern wie Küchengeräten, Getränkeflaschen und Wasserfiltern, wo seine glasähnliche Ästhetik und sein geringes Gewicht geschätzt werden. Die Mineralwasserindustrie verwendet Polycarbonat für größere Behälter, obwohl es Bedenken wegen der möglichen Freisetzung von Bisphenol A (BPA) in Lebensmittel gibt, was zur Entwicklung von BPA-freien Versionen geführt hat.

Polycarbonatplatten werden aufgrund ihrer Durchlässigkeit für das Rapid Prototyping und die Inspektion verwendet, und Polycarbonatfilamente werden für den 3D-Druck eingesetzt. Seine Vielseitigkeit ermöglicht auch den Einsatz in Bushaltestellenstrukturen, wo seine Haltbarkeit und Transparenz praktische Vorteile bieten.

Vorteile von Polycarbonat-Elementen

Die Verwendung von Polycarbonatplatten bietet eine Reihe von bedeutenden Vorteilen, die das Material zur ersten Wahl für viele technische und architektonische Anwendungen machen. Die wichtigsten Vorteile von Polycarbonat sind im Folgenden aufgeführt:

1. FEUERBESTÄNDIGKEIT: Polycarbonat zeichnet sich durch seine hervorragenden feuerbeständigen Eigenschaften aus. Es ist als feuerbeständiges B1-Material eingestuft, was bedeutet, dass es sich bei direkter Einwirkung offener Flammen nicht entzündet und selbstverlöschend ist. Diese Eigenschaft macht es zu einer sichereren Wahl als Acryl bei Anwendungen, die höhere Brandschutzstandards erfordern.
2. Nachhaltigkeit: Polycarbonat ist ein nachhaltiges Material mit einer langen Lebensdauer und der Fähigkeit, am Ende seines Lebenszyklus vollständig recycelt zu werden. Darüber hinaus sind Polycarbonatplatten aufgrund ihrer natürlichen UV-Beständigkeit eine ausgezeichnete Wahl für Außenanwendungen, da sie eine lang anhaltende Leistung ohne Beeinträchtigung bieten.
3. Vandalismussicherheit: Die außergewöhnliche Schlagfestigkeit von Polycarbonat macht es zu einem nahezu unzerstörbaren und vandalismussicheren Material. Dies ist ein wichtiger Vorteil für Anwendungen, die vor Beschädigungen geschützt werden müssen, wie Bushaltestellen, Fahrradschuppen und Sicherheitsverglasungen.
4. Isolierende Eigenschaften: Polycarbonat hält die Wärme effektiv zurück und ist daher eine ausgezeichnete Wahl für Gewächshausstrukturen, die durch die Aufrechterhaltung eines idealen Mikroklimas optimale Bedingungen für das Pflanzenwachstum schaffen.
5. Leichte Verarbeitung: Trotz seiner höheren Festigkeit im Vergleich zu Acryl ist Polycarbonat leicht zu verarbeiten und zu formen. Es kann geschliffen, gesägt, graviert, gebohrt, geklebt, gebogen (heiß) und poliert werden, was komplexe Designs und Anwendungen ermöglicht.
6. Leichtigkeit des Materials: Polycarbonat ist wesentlich leichter als Glas und daher einfacher zu transportieren, zu handhaben und zu installieren, was besonders bei Projekten von Vorteil ist, die große Verglasungen oder Vorhangstrukturen wie Terrassenüberdachungen erfordern.

Diese Eigenschaften machen Polycarbonat zu einem vielseitigen Material, das in vielen Bereichen eingesetzt wird, vom Bauwesen bis hin zu hochentwickelten technischen Anwendungen, und das sowohl Funktionalität als auch Ästhetik bietet.

Was sind die Nachteile der Verwendung von Polycarbonat?

Trotz der vielen Vorteile von Polycarbonat gibt es auch einige Einschränkungen und Nachteile, die seine Verwendung in bestimmten Situationen beeinträchtigen können:

1. Kratzempfindlichkeit: Eine der größten Einschränkungen von Polycarbonat ist seine Neigung zu Kratzern. Dieses Material ist weniger kratzfest als einige andere Kunststoffe oder Glas, was ein Problem darstellen kann, wenn es Elementen ausgesetzt ist, die Kratzer verursachen können, wie z. B. herabfallende Äste auf einer Terrassenüberdachung. Dieses Problem kann teilweise durch das Auftragen geeigneter Schutzbeschichtungen oder das Polieren des Materials zur Beseitigung kleiner Kratzer behoben werden.
2. Thermische Ausdehnung: Polycarbonat hat einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,065 mm/m/°C, was bedeutet, dass sich das Material bei Temperaturänderungen stärker ausdehnt und zusammenzieht als einige andere Materialien. In der Praxis bedeutet dies, dass bei der Verlegung zusätzlicher Platz eingeplant werden muss, um eine freie Ausdehnung und Kontraktion zu ermöglichen, und dass flexible Kleb- und Dichtstoffe verwendet werden müssen, die diese Veränderungen ohne Beschädigung der Fugen aufnehmen können.

Bei der Planung und Installation von Konstruktionen aus Polycarbonat ist es daher wichtig, diese Eigenschaften zu berücksichtigen, um die langfristige Leistungsfähigkeit und Ästhetik ohne Kompromisse zu gewährleisten. Für Anwendungen, bei denen die Gefahr von Kratzern besonders problematisch ist, kann die Verwendung von Polycarbonat mit Schutzbeschichtungen in Betracht gezogen werden, oder es können alternative Materialien gewählt werden, die den Designanforderungen besser entsprechen.

Wie wirkt sich Polycarbonat auf die menschliche Gesundheit aus?

Polycarbonat, das häufig für die Herstellung von Behältern zur Aufbewahrung von Lebensmitteln und anderen Konsumgütern verwendet wird, ist wegen möglicher Risiken für die menschliche Gesundheit umstritten, die vor allem auf das Vorhandensein und die Freisetzung von Bisphenol A (BPA) zurückzuführen sind. BPA ist eine chemische Verbindung, die in einigen wissenschaftlichen Studien mit verschiedenen negativen Auswirkungen auf die Gesundheit in Verbindung gebracht wurde, einschließlich Störungen des Hormonsystems.

BPA-Bioaktivität

• Polycarbonat-Hydrolyse und BPA-Auslaugung: Hohe Temperaturen können den Abbau von Polycarbonaten beschleunigen, was zur Freisetzung von BPA in Lebensmitteln oder Getränken führen kann. Dieses Auslaugungsphänomen ist bei Produkten, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, von besonderer Bedeutung.
• Auswirkungen auf Versuchsorganismen: Studien an Labortieren, wie z. B. Mäusen, haben gezeigt, dass die Exposition gegenüber BPA zu Veränderungen in der Größe der Fortpflanzungsorgane führen kann, was auf mögliche Auswirkungen auf das Fortpflanzungssystem schließen lässt.
• Analyse der Auswirkungen der Finanzierung auf die Forschungsergebnisse: Es gibt Hinweise darauf, dass die Quelle der Forschungsfinanzierung die Ergebnisse beeinflussen kann, wobei von der Industrie geförderte Studien im Vergleich zu staatlich finanzierten Studien weniger wahrscheinlich negative Auswirkungen von BPA zeigen.

Chemische Wechselwirkungen und Empfehlungen

• Reaktionen mit Chemikalien: Einige Chemikalien, wie Natriumhypochlorit-Bleichmittel und andere Alkalien, können die Freisetzung von BPA aus Polycarbonatprodukten katalysieren. Polycarbonat ist auch unverträglich mit Ammoniak und Aceton, so dass bei der Auswahl von Reinigungsmitteln für diese Produkte Vorsicht geboten ist.
• Empfohlene Reinigungsmittel: Für die Reinigung von Polycarbonatprodukten wird Alkohol als sicheres Lösungsmittel empfohlen, um Fette und Öle zu entfernen und das Risiko der Freisetzung von BPA zu minimieren.

Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit

Die Besorgnis über BPA hat zur Entwicklung alternativer BPA-freier Materialien für die Herstellung von Lebensmittelbehältern und anderen Verbraucherprodukten geführt. Gleichzeitig werden weitere Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Auswirkungen von BPA auf die menschliche Gesundheit besser zu verstehen und mögliche Gegenmaßnahmen zur Verringerung der Exposition gegenüber dieser Verbindung zu ermitteln. Die Verbraucher werden ermutigt, sachkundige Produktentscheidungen zu treffen und Praktiken anzuwenden, die das Risiko einer BPA-Exposition minimieren, insbesondere im Zusammenhang mit der Lagerung und dem Erhitzen von Lebensmitteln.

Ist Polycarbonat giftig?

Der Werkstoff Polycarbonat wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Konsumgüter, Bauelemente sowie medizinische und Lebensmittelanwendungen. Ein wichtiges Problem im Zusammenhang mit der Verwendung von Polycarbonat ist das Vorhandensein von Bisphenol A (BPA), einer Verbindung, die bei der Herstellung vieler Polycarbonate verwendet wird und die bei hohen Temperaturen oder infolge des Materialabbaus in Lebensmittel oder Getränke gelangen kann.

Toxizität von Polycarbonat

• BPA-Freisetzung: Die größte Sorge im Hinblick auf die Toxizität von Polycarbonat ist die mögliche Freisetzung von BPA, insbesondere wenn Produkte aus diesem Kunststoff für die Lagerung von Lebensmitteln oder Getränken verwendet werden. BPA ist eine Verbindung, die das Hormonsystem stören kann, was Bedenken hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit weckt.
• Non-Food-Anwendungen: Polycarbonate, die in Non-Food-Anwendungen wie Baumaterialien, elektronischen Komponenten oder Brillengläsern verwendet werden, gelten im Allgemeinen als sicher, da das Risiko einer direkten Freisetzung von BPA in den Körper minimal ist.
• BPA-freie Polycarbonate: Als Reaktion auf die Besorgnis über BPA werden derzeit BPA-freie Polycarbonate entwickelt und vermarktet. Diese alternativen Formulierungen zielen darauf ab, die mit der Freisetzung von BPA verbundenen Risiken zu beseitigen, so dass sie für die direkte Verwendung in Lebensmitteln und Getränken sicherer sind.

Vorschriften und Sicherheit

In vielen Ländern gibt es Sicherheitsvorschriften für Materialien, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, darunter auch Polycarbonate, um die Exposition gegenüber BPA und anderen potenziell schädlichen Substanzen zu verringern. Hersteller und Regulierungsbehörden arbeiten an der Entwicklung und Umsetzung sichererer Alternativen und Produktionsmethoden, die die Gesundheitsrisiken minimieren.

Während herkömmliche Polycarbonate aufgrund der Freisetzung von BPA ein Risiko darstellen können, zielen die Entwicklung von BPA-freien Versionen und strenge Vorschriften darauf ab, diese Materialien sicherer zu machen. Den Verbrauchern wird empfohlen, auf die Produktkennzeichnung zu achten und sich für BPA-freie Produkte zu entscheiden, insbesondere für solche, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, um mögliche Gesundheitsrisiken zu minimieren.

Was sind die Unterschiede zwischen Polycarbonat und Acryl?

Vergleich der Eigenschaften von Polycarbonat (PC) und Acryl (PMMA):

Die Wahl zwischen Polycarbonat und Acryl sollte von den spezifischen Anforderungen des Projekts abhängen, einschließlich der Notwendigkeit von Schlagfestigkeit, Transparenz, Kosten und der Art der Verarbeitung und Formgebung.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Polycarbonat (PC) und Acryl (PMMA) zwei vielseitige und weit verbreitete Kunststoffe sind, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften in vielen Branchen Anwendung finden. Polycarbonat zeichnet sich durch seine hohe Schlagfestigkeit aus und ist damit ein ideales Material für Anwendungen, die eine hohe Festigkeit und Sicherheit erfordern, wie z. B. kugelsichere Fenster oder Schutzabdeckungen. Allerdings ist es auch anfälliger für Kratzer und kann bei UV-Strahlung vergilben.

Acrylglas hingegen, das sich durch außergewöhnliche Transparenz und Glanz auszeichnet, ist die bevorzugte Wahl für Anwendungen, bei denen es auf Ästhetik und Klarheit ankommt, wie z. B. bei Vitrinen oder Dekorationsstücken. Acryl lässt sich auch leichter verarbeiten und formen, was die Anwendungsmöglichkeiten noch erweitert. Acryl ist zwar weniger stoßfest als Polycarbonat, dafür aber kratzfester und günstiger in der Anschaffung.

Die Wahl zwischen den beiden Materialien sollte von den spezifischen Designanforderungen abhängen, wobei Aspekte wie Schlagfestigkeit, Transparenz, Kosten, Verarbeitung und Formgebung sowie Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen zu berücksichtigen sind. In diesem Zusammenhang ist es auch wichtig, auf die Besorgnis über BPA in Polycarbonaten hinzuweisen, die Hersteller und Verbraucher dazu veranlasst, nach sichereren Alternativen zu suchen, die frei von diesem Stoff sind. Daher sind sowohl Polycarbonat als auch Acrylglas nach wie vor wichtige Materialien in der modernen Technik und im Design, die jeweils einzigartige Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen bieten.

Autor: Tomasz Matuszek; Dział Marketingu - Firma Gulajski