Прослеживание истории полимерных материалов:Часть 1

Периодически я получаю электронные письма с вопросом, слышал ли я об определенных исторических событиях, связанных с индустрией пластмасс. Одна из историй, которая привлекает много внимания, - это история о Джоне Уэсли Хаятте, американском изобретателе, которому приписывают создание материала, который часто называют первым пластиком. Материал был запатентован в 1869 году под названием Целлулоид. Часть истории, которая, кажется, привлекает наибольшее внимание, - это тот факт, что Хаятт был награжден призом в 10 000 долларов, учрежденным Майклом Феланом, мастером игры в бильярд, который в начале 1860-х годов был обеспокоен нехваткой слоновой кости и ее последствиями. это сказывалось на стоимости бильярдных шаров.

История очень интересна по нескольким причинам. Во-первых, это укрепляет идею, которая очень прочно укоренилась в нашей отрасли, что синтетические материалы, созданные гением химии, вытеснили и улучшили материалы, полученные из природных источников. Другой фактор - размер денежной премии, которая сегодня составляет почти 200 000 долларов.

Как обычно, история изобретения целлулоида намного сложнее и во многом опирается на предыдущие достижения. И его внедрение сопровождалось еще одним примечательным изобретением, которое оказало гораздо большее влияние на нашу промышленность, чем сам материал. И хотя достижения, связанные с созданием синтетических материалов, в первую очередь достигаются в науке, они тесно связаны с миром бизнеса и, как следствие, - поскольку здесь нужны деньги - с юристами. Эта серия статей будет посвящена более глубокому взгляду на историю нашей отрасли и то, как мы все сюда попали.

Мир синтетических материалов был вдохновлен миром материалов, которые можно найти в природе. Материалом, с которого, похоже, был начат весь процесс, был натуральный каучук, вещество, полученное из определенных деревьев и химически известное как полиизопрен. Химические структуры двух различных расположений атомов в молекуле, известных как изомеры, показаны на сопроводительном изображении.

Мир синтетических материалов, похоже, начался с натурального каучука, вещества, полученного из определенных деревьев и химически известного как полиизопрен. Здесь показаны химические структуры двух различных расположений атомов в молекуле, известных как изомеры.

Европейские исследователи, путешествовавшие в Карибский бассейн и Мезоамерику в 16-17 веках, обнаружили, что цивилизации использовали этот материал для изготовления твердых мячей, а также для создания водонепроницаемых тканей. Существование твердого шара, сделанного из материала с тем, что сегодня мы назвали бы эластомерными свойствами, было открытием для людей из Северной Европы, которым доводилось сталкиваться с шарами, сделанными только из надутого кожаного пузыря. Все эти продукты производились из-за цис-изомера. Мы скоро перейдем к транс-изомеру.

Французский исследователь столкнулся с подобным материалом, когда путешествовал в Перу в 1730-х годах, и к 1751 году была представлена ​​первая научная статья по этому новому материалу. Но на тот момент химический состав материала не был хорошо изучен. В частности, влияние температуры на свойства материала создало препятствия для коммерческого использования в Европе. В отличие от климата Мезоамерики, где колебания температуры на данной высоте были относительно небольшими, изменения температуры в Европе от зимы к лету были более значительными. При низких температурах материал становился твердым и хрупким, а жаркие летние температуры делали его очень мягким и липким. Наиболее творческое использование продукта во второй половине 18-го ^-го века был как ластик чернил карандашом с бумаги. Название "каучук" происходит от этого качества.

Прогресс в эту эпоху химии в основном был результатом случайных открытий, сделанных методом проб и ошибок. В 1820 году два предпринимателя из самых разных сфер деятельности независимо друг от друга обнаружили именно в таких случаях, что полиизопрен растворяется в нафте и скипидаре. Затем растворенный каучук можно нанести на хлопок, чтобы сделать водонепроницаемую одежду. Это работало хорошо, пока погода не становилась слишком жаркой. Когда это произойдет, ткани с покрытием станут липкими и потеряют форму.

Температурные ограничения для использования полиизопрена оставались проблемой до 1830-40-х годов, когда Чарльз Гудиер, используя экспериментальные методы, столь же случайные, как и методы его предшественников, наткнулся на два метода, которые сначала решали проблемы производительности при высоких температурах и затем, три года спустя, был применен более известный процесс вулканизации, улучшивший свойства материала при низких температурах. В Goodyear не было понимания химического состава процесса сшивки, который значительно улучшил характеристики материала. Даже термин вулканизация был придуман британским конкурентом, который понял подход Goodyear и подал заявку на патенты в Англии, в то время как Goodyear подавала заявки в США.

До смешения резиновых смесей, изменения свойств материала за счет добавления пластификаторов и наполнителей, еще остались десятилетия. Но фундамент мира полимеров был заложен. Интересно, что коренные жители Мезоамерики научились стабилизировать свойства каучука сотни лет назад путем курения необработанного латекса, предположительно вводя менее контролируемым, но столь же эффективным образом нитраты и соединения серы, необходимые для сшивания материала.

В то время, когда в 1850-х годах бушевали судебные дела между Гудиером и его британскими коллегами, британский хирург, практикующий в Юго-Восточной Азии, наблюдал, как коренные жители этой части мира извлекали сок из одного из деревьев, которые росли в этой части. мир. Они размягчали материал в горячей воде и превращали его в различные полезные изделия, такие как ручки для инструментов и трости. Гуттаперча, названная в честь вида дерева, производящего сок, химически является транс-изомером полиизопрена.

Это ранняя и прекрасная иллюстрация важности изомерии в определении свойств полимеров, принципа, который мы широко используем в современной химии полимеров. Цис-изомер аморфен и очень чувствителен к изменениям температуры. Это делает сшивание необходимым для того, чтобы материал был полезным. Транс-изомер способен кристаллизоваться. Следовательно, хотя он имеет ту же температуру стеклования в условиях окружающей среды, что и цис-изомер, он имеет полезные твердые свойства при температуре выше комнатной.

В то время как гуттаперча была еще одним материалом, который был известен и использовался коренными народами на протяжении сотен лет, в руках более целеустремленных европейцев она была быстро принята в качестве изоляционного материала для подводных телеграфных проводов. В этом отношении он показал некоторое сходство, но также и некоторые важные различия с цис-изомерным каучуком. Неполярная структура обоих материалов делает их хорошими электрическими изоляторами. Но аморфная структура каучука, даже в его сшитой форме, привела к тому, что материал не обладал химической стойкостью к соленой воде. Гуттаперча обладала желаемыми электрическими свойствами, но в то же время была устойчива к соленой воде, а также ко многим другим химическим веществам. Этот принцип улучшенной химической стойкости, обусловленной кристалличностью, также хорошо известен в мире полимеров, и он сделал возможным новые применения очень рано в истории нашей промышленности.

Это также привлекает внимание к другому очень важному аспекту, связанному с использованием материалов:взаимосвязи между развитием новой химии и изобретением методов обработки. Хотя этот материал использовался для покрытия электрических проводов, это стало возможным благодаря очень важному изобретению:экструдеру.

В нашей следующей статье мы продолжим рассказ о нашем прогрессе в направлении целлулоида и его пересечении с другим очень важным достижением в области обработки.

ОБ АВТОРЕ:Майк Сепе - независимый глобальный консультант по материалам и обработке, чья компания Michael P. Sepe, LLC базируется в Седоне, штат Аризона. Он имеет более чем 40-летний опыт работы в индустрии пластмасс и помогает клиентам в выборе материалов, проектировании с учетом технологичности и технологических процессов. оптимизация, устранение неполадок и анализ отказов. Контакты:(928) 203-0408 • [email protected].