Прослеживание истории полимерных материалов:часть 7

Химия на основе целлюлозы была одной из основных основ для зарождения полимерной промышленности. Но, как мы обсуждали ранее, исходные соединения на основе нитрата целлюлозы были легковоспламеняющимися и даже взрывоопасными, что ограничивало их использование. По мере того, как химики находили решения этих проблем, они расширили использование этой химии и форм, в которых можно было бы использовать этот материал. Одно из этих веществ, оказавших огромное влияние в первой половине 20-го ^-го века был целлофан.

Вдохновением для создания целлофана стал швейцарский химик Жак Бранденбергер. Как гласит история, обедая в ресторане в 1900 году, Бранденбергер заметил, как пролитое красное вино окрашивает белую скатерть, и начал думать о разработке защитного покрытия. Полученный материал был основан на химии целлюлозы и был основан на достижении, которое произошло в 1892 году, когда Чарльз Кросс и Эдвард Беван прореагировали на древесную целлюлозу с каустической содой и сероуглеродом с образованием вязкой жидкости золотистого цвета, которая стала известна как вискоза. В то время как в начале работы с этим материалом были созданы изделия, похожие на изделия из целлулоида, такие как гребни и ручки, Кросс и Беван сосредоточились на создании полезного волокна для текстильной промышленности.

Первоначальные эксперименты привели к получению волокна, которое было слишком хрупким, чтобы заменить натуральные волокна. Однако в результате серии удачных происшествий было обнаружено, что вязкость материала со временем увеличивается, и этот процесс получил название созревания. В результате получился гораздо более прочный и пластичный продукт, который можно было легко прядить, и который позже стал известен как вискоза. Но эта форма вискозы, известная как ксантогенат целлюлозы, была гораздо менее воспламеняемой, чем нитрат целлюлозы, который использовался для изготовления «тещиного шелка», о котором мы упоминали в части 3 этой серии.

Бранденбергер выбрал вискозу в качестве материала для покрытия хлопчатобумажной ткани, чтобы сделать ее устойчивой к пятнам. Он также столкнулся с проблемами, связанными с очень жесткой и хрупкой структурой. В течение нескольких лет он работал над созданием более тонких пленок из ксантогената целлюлозы, в результате чего получилось то, что он назвал целлофаном. К 1913 году Бранденбергер решил, что производство пленки дает лучшие возможности для бизнеса, чем производство тканевого покрытия, и разработал машину, которая могла производить длинные секции прозрачной пленки желаемой толщины.

Один материал, оказавший огромное влияние в первой половине 20-го ^-го века был целлофан.

Хорошо зная о проблемах воспламеняемости, связанных с целлулоидной пленкой для кинематографического использования, Бранденбергер первым попытался заменить целлулоид на этом рынке своим целлофаном. Однако вскоре он обнаружил, что целлофан плохо деформируется при повышенных температурах и слишком прочен, чтобы обеспечить образование точных отверстий для звездочек в пленке.

Но идеальным оберточным материалом оказался целлофан. Прозрачный, легкий и прочный, он намного превосходил любой из широко используемых в то время оберточных материалов, желатина и оловянной фольги. Первыми продуктами, обернутыми в целлофан, были духи, куски мыла и зубные пасты. Целью Бранденбергера была пищевая промышленность, но во время Первой мировой войны большая часть производства была направлена ​​на противогазы из-за непроницаемости материала для отравляющего газа, нового оружия массового поражения. Его также использовали в качестве прозрачной хирургической повязки для ран.

После окончания Первой мировой войны усилия по расширению потребительского рынка возобновились. В 1912 году компания Whitman's Chocolates уже использовала целлофан в качестве оберточного материала для некоторых своих шоколадных конфет, но по мере того, как в начале 1920-х годов использование материала расширилось до выпечки и таких продуктов, как табак, стало очевидно, что, хотя целлофан был отличным барьером против яда. газ, это был плохой барьер для влаги.

В течение этого периода французская компания, основанная Бранденбергером, продала права на целлофан DuPont, и именно химик из DuPont разработал решение проблемы влагонепроницаемости. По иронии судьбы, Уильям Хейл Чарч создал покрытие на основе нитроцеллюлозы. Он также включал пластификатор для улучшения свойств покрытия и воск, который способствовал созданию барьера для влаги. Эта разработка, завершенная в 1927 году, заняла три года и стала началом долгой истории химических инноваций, исходящих от DuPont. После того, как проблема водонепроницаемости была решена, использование целлофана резко возросло, что сделало его одним из самых успешных и известных продуктов DuPont.

В тот же период другая форма химически модифицированной целлюлозы заложила основу для разработки одного из первых термопластов. Ацетат целлюлозы был впервые синтезирован в 1865 году французским химиком Полем Шутценбергером, который прореагировал целлюлозу с уксусным ангидридом. Хотя ацетат целлюлозы по своей сути является термопластом, его нельзя было бы обрабатывать в расплаве, поскольку его температура разложения ниже, чем его температура размягчения. Однако растворимые формы ацетата целлюлозы были разработаны в 1903 году немецкими химиками Артуром Эйхенгруном и Теодором Беккером, когда они обнаружили, что этот материал растворяется в ацетоне.

Год спустя два брата, Камилла и Анри Дрейфус, начали работать в лаборатории в Базеле, Швейцария. Их внимание переключилось на ацетат целлюлозы, и они разработали пленку, которая стала менее горючей заменой целлулоидной пленки, которую целлофан не смог обеспечить. Они также создали лак, известный как смесь, который использовался для покрытия самолетов того времени, сделанных из ткани и дерева, что сделало их устойчивыми к воздействию влаги и огня. В 1913 году, когда совершенствовался процесс производства целлофана, братья Дрейфус основали компанию Cellonit, чтобы производить пленку и лаки на основе ацетата целлюлозы.

Прозрачные ручки отверток и по сей день отливаются из CAB.

Они только начали разрабатывать процесс изготовления волокна из ацетата, когда Первая мировая война направила все свои усилия на производство лаков из ацетата целлюлозы. Для этого они основали завод в Дербишире, Англия. Во время войны Камилла Дрейфус по просьбе правительства США поехала в Соединенные Штаты, чтобы основать целлюлозный завод. После окончания войны братья Дрейфус возобновили разработку ацетатного волокна, которое они назвали целанезом, и в 1923 году название британской компании было изменено на British Celanese. В 1927 году американская компания Amcelle, созданная Дрейфусом, приобрела целлулоид. Компания Ньюарк, штат Нью-Джерси, и компания была переименована в Celanese Corporation of America.

В 1931 году в компании Celanese была разработана версия ацетата целлюлозы, пригодная для плавления, путем включения того же класса химикатов, что и пластификаторы, которые Уолдо Семон использовал пятью годами ранее для решения проблем обработки ПВХ. В том же году было обнаружено, что путем замены большей части уксусного ангидрида пропионовой кислотой можно получить пропионат ацетата целлюлозы (CAP), соединение, которое было более ударопрочным и требовало меньше пластификатора, чтобы его можно было перерабатывать в расплаве. Дальнейшие усовершенствования были сделаны в 1938 году, когда в реакции для получения бутирата ацетата целлюлозы (САВ) использовалась масляная кислота. Этот материал не только продемонстрировал улучшенную ударную вязкость, но и имел более высокую термостойкость, чем CA и CAP.

Компания Celanese имеет долгую и богатую историю в мире полимеров, и несколько марок ацетата целлюлозы до сих пор входят в ее ассортимент. Но компания, которая предлагает широкий ассортимент целлюлозы, носит имя другого пионера эпохи ранних разработок целлюлозы, Eastman. Возможно, самое известное применение, которое сохранилось и по сей день, - это прозрачная ручка для отвертки.

Но целлюлоза по-прежнему вносит важный вклад в мир покрытий, красок и лаков. Эти материалы используются в виде волокон для изготовления одежды и портьер, а также для изготовления сигаретных фильтров. Оправы для очков по-прежнему изготавливаются из целлюлозы. Менее ориентированы на производительность, наградные ленты почти исключительно сделаны из ацетата целлюлозы, и многие игральные карты по-прежнему используют этот материал. Кирпичи Lego, которые теперь производятся из АБС-пластика, изначально были отлиты из ацетата целлюлозы. А для тех, кто все еще делает презентации на диапроекторе, вы, вероятно, используете материал на основе целлюлозы для своих слайдов.

Целлюлозные материалы потеряли большую часть своей рыночной доли из-за других материалов. Целлофан был в значительной степени заменен полиэтиленом, полипропиленом, ПВХ и поливинилиденхлоридом (PVdC), другим полимером, случайно обнаруженным в начале 1930-х годов, на этот раз в Dow Chemical. На смену волокну из ацетата целлюлозы пришли нейлон и полиэстер. Интересно, что теперь, когда промышленность пластмасс сосредоточена на устойчивости и круговой экономике, полимер, который может быть получен из всего, что содержит целлюлозу, начинает привлекать новый уровень внимания. В эпоху, когда исследователи пытаются сделать полимеры из всего, что имеет биологическое происхождение, будет интересно посмотреть, вернемся ли мы к нашим корням.

В том же году, когда Уильям Хейл Чарч решил проблему водонепроницаемости целлофана, компания DuPont наняла другого химика для проведения фундаментальных исследований материалов. Он возглавил команду, которая в конечном итоге разработала химию, связанную с первым легальным инженерным термопластом. Эта часть истории будет предметом нашей следующей статьи.

ОБ АВТОРЕ:Майкл Сепе является независимым консультантом по материалам и обработке из Седоны, штат Аризона, с клиентами в Северной Америке, Европе и Азии. Он имеет более чем 45-летний опыт работы в индустрии пластмасс и помогает клиентам в выборе материалов, проектировании с учетом технологичности, оптимизации процессов, устранении неисправностей и анализе отказов. Контакты:(928) 203-0408 •[email protected]