Polycarbonate

Grundlagen und Herstellung

Polycarbonate (PC) sind thermoplastische Kunststoffe und formal Polyester der Kohlensäure. Ihre allgemeine Struktur enthält den Rest R der bei der Synthese eingesetzten Dihydroxyverbindung. Der wichtigste Vertreter ist Bisphenol-A-Polycarbonat, das aus Bisphenol A hergestellt wird.

Üblich ist die Grenzflächenkondensation von Bisphenol A und Phosgen: Bisphenol A liegt als Natriumsalz in Natronlauge vor, während Phosgen in einer organischen Phase, beispielsweise Dichlormethan, eingeleitet wird. Tertiäre Amine katalysieren die schon bei Raumtemperatur beginnende Reaktion. Entstehender Chlorwasserstoff wird durch Natronlauge zu Natriumchlorid umgesetzt.

Eine phosgenfreie Alternative ist die Umesterung mit Diphenylcarbonat. Diese Schmelzkondensation beginnt bei 180 bis 220 °C mit Basen als Katalysatoren; bei bis zu 300 °C und Unterdruck wird sie abgeschlossen. Das Nebenprodukt Phenol wird durch den Unterdruck entfernt.

Varianten und grundlegende Eigenschaften

Neben Bisphenol A können unter anderem Bisphenol S, Dihydroxydiphenylsulfid, 1,1,1-Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan (THPE), Tetramethylbisphenol A und BPTMC eingesetzt werden. Mischungen dieser Komponenten erlauben es, Eigenschaften teilweise stufenlos zu verändern: Cokondensate aus Bisphenol A und BPTMC sind hochtransparent und wärmeformbeständig; THPE ermöglicht Kettenverzweigungen und verbessert die Strukturviskosität bei der Extrusion; Dihydroxydiphenylsulfid erhöht den Brechungsindex und eignet sich damit für optische Linsen.

Polycarbonate haben meist weniger als 5 % Kristallitanteil und gelten deshalb als amorph. Sie sind fest, schlagzäh, steif und hart sowie gute elektrische Isolatoren. Die maximale Gebrauchstemperatur beträgt 125 °C, kurzzeitig 135 °C; die Glasübergangstemperatur liegt bei 148 °C. Als amorpher Kunststoff besitzt Polycarbonat keinen Schmelzpunkt.

PC ist entflammbar, doch die Flamme erlischt nach Entfernen der Zündquelle. Es erfüllt die Baustoffklasse B2 nach DIN 4102; bei Innenanwendungen und Schichtdicken von 1 bis 6 mm ist es als B1, „schwer entflammbar“, eingestuft. Wasserklare Typen erreichen 88 % Lichttransmission bei 3 mm Dicke nach DIN 5036-1 und einen Brechungsindex von 1,59 nach ISO 489-A. Aromatische Polycarbonate werden durch UV-Licht um 340 nm ohne Schutzbeschichtung mit der Zeit spröde und gelblich.

Beständigkeit gegenüber Chemikalien

Polycarbonat ist beständig gegen Wasser, Alkohole außer Methanol, Fette, Öle, Glycol, verdünnte Säuren und Basen, viele Mineralsäuren sowie wässrige Lösungen neutraler Salze und Oxidationsmittel.

Nicht beständig ist es gegen Benzol, Toluol, Xylol, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Methanol, starke Säuren und Laugen, alkalische wässrige Lösungen, Amine und Ammoniak. Heißes Wasser kann bei längerer Einwirkung Hydrolyse verursachen, also die Spaltung von Bindungen durch Wasser. Aceton, Ether, Anilin, Ester, Kalium- und Natriumhydroxid, Ketone, Kohlenwasserstoffe, chlorhaltige Quellmittel, Terpentin und Tetrachlorkohlenstoff können Spannungsrisse auslösen.

Einsatz als transparenter Werkstoff

Polycarbonat ist transparent und farblos, kann aber eingefärbt werden. Wegen seines vergleichsweise hohen Preises wird es vor allem verwendet, wenn andere Kunststoffe zu weich, zerbrechlich, kratzempfindlich, wenig formstabil oder nicht transparent genug sind. Als Glas-Alternative ist PC leichter und deutlich schlagfester als sprödes Glas; bei moderaten Aufprallenergien oder Geschwindigkeiten bildet es keine Splitter.

Ein Nachteil ist die geringe Abriebbeständigkeit: Im Taber-Test nach ASTM D1044 beträgt der ΔHaze-Wert nach 100 Zyklen etwa 30 %, das Material trübt also durch abrasive Medien wie Flugsand ein. Beschichtungen aus Polysiloxanen, Polyepoxiden oder Polyurethanacrylaten können dies ausgleichen. Polysiloxan-Lackschichten von 5 bis 8 µm erreichen nach 100 Zyklen ΔHaze-Werte unter 4 %. Lacke können außerdem die Chemikalien- und UV-Beständigkeit erhöhen sowie selbstreinigende, wasserabweisende oder elektrisch ableitfähige Oberflächen ermöglichen.

Typische Anwendungen sind CDs, DVDs und Blu-ray Discs, Brillengläser und optische Linsen, Autoscheinwerfer-Abschlussscheiben, Flugzeugfenster, Koffer, einbruchhemmende Verglasung, Kameragehäuse für Unterwasseraufnahmen, Schutzhelme und Visiere, Gewächshaus- und Wintergartenverglasungen, Solarmodule sowie medizinische Einmalprodukte. Verbunde mit transparentem thermoplastischem Polyurethan (TPU) können leichte, UV-beständige Verbundsicherheitsscheiben ergeben; sie unterschreiten den geforderten Grenzwert HIC < 1000 nach DIN 52310. Der Weltverbrauch lag 2009 bei etwa drei Millionen Tonnen im Wert von etwa sechs Milliarden Euro.

Verarbeitung, Sicherheit und Recycling

PC lässt sich mit den üblichen Thermoplast-Verfahren verarbeiten. Wegen der hohen Schmelzeviskosität erfordert Spritzgießen hohen Spritzdruck. Die Verarbeitungstemperatur liegt bei 280 bis 320 °C, beim Extrudieren bei 240 bis 280 °C. Vorher muss das Material 4 bis 24 Stunden bei 120 °C getrocknet werden, bis die Restfeuchte unter 0,01 % liegt. Die Verarbeitungsschwindung beträgt 0,6 bis 0,8 %; eine Nachschwindung tritt praktisch nicht auf. PC kann beispielsweise mit Dichlormethan oder Reaktionsharzklebstoffen geklebt sowie per Ultraschall oder Hochfrequenz geschweißt werden.

Aus bestimmten bisphenol-A-haltigen Polycarbonaten kann bei Erhitzung Bisphenol A freigesetzt werden. Bisphenol A steht im Verdacht, erhebliche Gesundheitsschäden hervorzurufen; deshalb ist bisphenol-A-haltiges PC in der EU beispielsweise für Babyflaschen verboten. Laut dem Ausschuss für Risikobewertung (RAC) der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) haben die Ersatzstoffe Bisphenol S, Bisphenol F und Bisphenol HPF dieselben gesundheitsschädigenden Nebenwirkungen wie BPA.

Der Recycling-Code für Polycarbonate lautet 07 („Andere Kunststoffe“).