Menelusuri Sejarah Bahan Polimer:Bagian 11

Sepanjang tahun 1930-an pengembangan dan komersialisasi polimer baru terjadi dengan pesat. PVC, polistirena, polietilen, akrilik, dan selulosa yang dapat dicetak semuanya muncul dalam dekade ini. Pada tahun 1940-an, sifat-sifat polistirena telah diperluas dengan menambahkan karet butadiena untuk meningkatkan dampak bahan serba guna dengan mengorbankan transparansinya. Sifat polistirena juga diperluas dengan kopolimerisasi dengan akrilonitril untuk membuat SAN, bahan bening dengan peningkatan ketahanan panas dan kimia. Bahan ini juga diperkuat dengan penambahan karet butadiena untuk membuat ABS, sekali lagi dengan transparansi sebagai korban.

Polikarbonat telah menjadi bahan pilihan di mana pun transparansi, ketahanan panas, dan ketangguhan diperlukan. (Foto:PolyOne)

Hari ini kami menganggap polimer transparan awal umumnya keras dan rapuh, seperti SAN dan akrilik, atau lunak dan tangguh, seperti selulosa. Tetapi selama periode pengembangan awal ini, banyak dari bahan-bahan ini ditawarkan sebagai alternatif yang aman untuk kaca. Ini terutama berlaku untuk akrilik, yang sebagian besar dikembangkan melalui upaya ahli kimia seperti Otto Rohm. Akrilik tetap menjadi alternatif yang sangat serbaguna untuk kaca, sebagian besar karena ketahanannya yang luar biasa terhadap efek pelapukan dan radiasi ultraviolet. Namun kompromi antara bahan transparan yang lembut dan yang keras dan rapuh berubah secara dramatis di awal 1950-an dengan terciptanya bahan kimia yang sama sekali baru yang kita kenal sekarang sebagai polikarbonat.

Pengembangan PC berbagi tema yang sama dengan banyak materi yang telah kita bahas sebelumnya. Perkembangannya terjadi selama periode waktu yang lama dengan beberapa awal yang salah. Penemuan materi yang pada akhirnya sukses secara komersial adalah kebetulan, dan terjadi hampir bersamaan di berbagai belahan dunia. Sementara kami mengaitkan awal produksi PC dengan akhir 1950-an, materi pertama kali dibuat di laboratorium pada tahun 1898 oleh ahli kimia Jerman Alfred Einhorn, yang bekerja dan mengajar di Universitas Munich dengan Adolf von Baeyer, ahli kimia pemenang Hadiah Nobel yang pertama disintesis dan kemudian ditinggalkan fenolik.

Einhorn paling dikenal sebagai orang pertama yang mensintesis prokain anestesi lokal, yang kemudian lebih dikenal sebagai Novocain. Tetapi pada tahun 1890-an, Einhorn mencoba mensintesis karbonat siklik dan menghasilkan polikarbonat dengan mereaksikan hidrokuinon dengan fosgen. Tiga puluh tahun percobaan di laboratorium oleh berbagai ahli kimia tidak menghasilkan kesuksesan komersial.

Tapi reaksi kimia adalah prototipe yang akhirnya menghasilkan polimer yang kita gunakan saat ini. Pada tahun 1928, Wallace Carothers dan timnya di DuPont juga memproduksi PC saat mengerjakan pengembangan poliester dan nilon. Secara kimia, PC dan poliester memiliki banyak kesamaan, dan reaksi kondensasi yang digunakan Carothers untuk memproduksi bahannya sangat mirip dengan yang digunakan untuk mempolimerisasi polikarbonat.

Tetapi bahan yang diproduksi Carothers memiliki struktur tulang punggung alifatik yang bertentangan dengan tulang punggung aromatik yang menjadi ciri produk komersial. Akibatnya, sifat termal, mekanik, dan kimia dari polikarbonat awal ini tidak dianggap berguna dan bahan-bahan ini juga disimpan.

Baru pada tahun 1953 Hermann Schnell dan timnya, yang bekerja di fasilitas Bayer di Uerdingen, Jerman, menciptakan versi polikarbonat yang menjadi platform untuk kesuksesan komersialnya saat ini. Satu minggu kemudian, Dan Fox di General Electric secara independen menemukan senyawa yang sama saat bekerja untuk mengembangkan bahan isolasi kawat baru. Kedua versi polimer secara kimiawi sama tetapi berbeda secara struktural. Bahan Bayer, yang diperdagangkan bernama Makrolon pada tahun 1955, adalah polimer linier, sedangkan penemuan GE adalah bahan bercabang.

Sifat kedua bahan itu sangat mirip. Mereka transparan, meskipun versi awal memiliki warna kuning yang hanya diselesaikan pada tahun 1971 ketika kotoran kimia dihilangkan. Bahannya juga memiliki titik lunak sekitar 50º C (90º F) lebih tinggi dari bahan transparan mana pun, nyaman di atas titik didih air. Dan mereka memiliki tingkat keuletan yang jauh melebihi bahan transparan lainnya yang dikenal pada saat itu. Dengan kata lain, polikarbonat memperluas jangkauan aplikasi yang dapat dipenuhi oleh polimer bening melampaui apa pun yang sebelumnya dimungkinkan.

Pengembangan polimer yang hampir bersamaan oleh dua perusahaan besar diharapkan dapat menghasilkan tingkat aktivitas hukum yang signifikan. Namun tidak seperti kisah 30 tahun tindakan hukum yang menjadi ciri pengembangan HDPE dan PP, potensi pertempuran atas hak atas PC diselesaikan relatif cepat dengan kesepakatan bahwa perusahaan yang pada akhirnya diprioritaskan akan memberikan lisensi kepada perusahaan lain. . Prioritas diberikan kepada Bayer, meskipun jika Anda membaca literatur penjualan dari General Electric pada tahun 1970-an dan 1980-an atau jika Anda mengunjungi Pittsfield, Mass., selama waktu itu, Anda dapat dimaafkan karena menyimpulkan bahwa semua kekayaan intelektual yang terkait dengan PC berada di dalam aula GE.

Pada tahun 1978 saya mengunjungi Pittsfield selama liburan Natal. Pada saat itu GE mempekerjakan lebih dari 5000 orang di sebuah kota dengan populasi lebih dari 50.000. Para karyawan ini bekerja di Divisi Trafo Tenaga, Divisi Ordonansi Angkatan Laut, atau di Divisi Plastik. Saat kami melewati fasilitas GE, saya melihat bahwa dekorasi liburan di depan dua kompleks pertama jelas-jelas dikecilkan sementara bagian depan gedung Divisi Plastik tampak seperti rumah Chevy Chase dalam film "Liburan Natal." Orang yang bepergian dengan saya berkomentar bahwa mudah untuk mengetahui divisi mana yang menghasilkan semua keuntungan.

Saat ini baik Bayer maupun GE tidak memiliki hak atas materi terobosan ini. Pada tahun 2006 GE menjual seluruh Divisi Plastiknya ke Saudi Arabia Basic Industries (SABIC). Pada tahun 2015 Divisi Ilmu Material Bayer mengalihkan minatnya pada polimer ke Covestro sementara di bawah arahan seorang pemimpin yang telah melakukan penelitian brilian dalam campuran polimer untuk General Electric pada 1980-an dan awal 1990-an. Ini adalah komentar tentang bagaimana industri plastik telah berubah dari bisnis pertumbuhan jalur cepat menjadi usaha yang lebih matang selama 20 tahun terakhir, dan bagaimana fokus perusahaan besar pada investasi modal telah bergeser dari dunia polimer.

Namun demikian, tahun-tahun setelah penemuan itu adalah masa-masa yang memabukkan. Produksi polikarbonat dimulai di Bayer pada tahun 1958 dan di General Electric pada tahun 1960. Aplikasi berkembang pesat di bidang listrik dan elektronik, konstruksi dan penerangan, pengemasan makanan, industri otomotif dan dirgantara, dan peralatan medis. Dalam aplikasi apa pun yang membutuhkan kejelasan dan ketangguhan, PC menjadi bahan pilihan. Ini termasuk kacamata, kaca depan, fairing dan pelindung keselamatan untuk sepeda motor dan ATV, dan bahkan kanopi kokpit untuk pesawat. Polimer terbukti sangat serbaguna, dapat diproduksi dalam bentuk film, di mana ia digunakan sebagai isolator listrik yang sangat efektif, tetapi juga cocok untuk blow molding, ekstrusi, injection molding, dan thermoforming.

Pada tahun 1981 materi memasuki pasar penyimpanan data dengan penciptaan compact disk pertama, segera diikuti oleh DVD. Temperatur transisi gelas yang tinggi membuatnya cocok untuk sterilisasi dengan teknik uap dan autoklaf, dan kimia aromatik tulang punggung polimer yang digabungkan dengan struktur amorf juga menjadikannya kandidat utama untuk teknik sterilisasi energi tinggi seperti gamma dan E-balok. Kelas telah dikembangkan yang memenuhi standar untuk biokompatibilitas serta kontak makanan. Nilai UV-stabil dikembangkan untuk memperluas kegunaan material ke dalam aplikasi luar ruangan. Nilai tahan api pertama dikembangkan pada tahun 1970.

Polikarbonat juga telah menjadi salah satu polimer yang paling sering digunakan dalam campuran. Ini meningkatkan beberapa properti di area di mana material dianggap rentan. Campuran telah dibuat dengan ABS, SAN, ASA, poliester, dan poliuretan. Kapasitas produksi global mencapai 10 miliar lb pada tahun 2016. Kopolimer dengan poliester telah memperpanjang suhu pengoperasian hingga mendekati 200 C (392 F) dan penggabungan kimia siloksan ke dalam tulang punggung polimer telah meningkatkan ketahanan terhadap hidrolisis dan perengkahan tegangan lingkungan, dua pengaruh yang selalu menjadi kelemahan penting dalam profil kinerja material.

Terlepas dari semua kesuksesan ini, sejarah PC bukannya tanpa tantangan. Kami akan melihat beberapa di antaranya dalam angsuran kami berikutnya.

TENTANG PENULIS:Michael Sepe adalah konsultan bahan dan pemrosesan independen yang berbasis di Sedona, Arizona, dengan klien di seluruh Amerika Utara, Eropa, dan Asia. Dia memiliki lebih dari 45 tahun pengalaman di industri plastik dan membantu klien dengan pemilihan material, merancang untuk manufakturabilitas, optimasi proses, pemecahan masalah, dan analisis kegagalan. Hubungi:(928) 203-0408 •[email protected]