Прослеживание истории полимерных материалов:часть 10

Некоторое время назад я смотрел онлайн-презентацию физика, который обсуждал процесс синтеза тяжелых элементов. Это элементы периодической таблицы, которые тяжелее урана. Многие из тех, что появляются в строке внизу периодической таблицы, были созданы «естественным образом» во время исследований по разработке и испытанию первого атомного оружия. Но чем выше атомный номер, тем труднее производить эти элементы. Выход становится очень низким, иногда всего несколько атомов, и они быстро распадаются, что очень затрудняет определение того, что именно было произведено.

Цель и практическая ценность такого рода исследований не всегда очевидны для тех, кто финансирует проекты, поэтому необходимо их обосновать, что физик и сделал в конце своего выступления, проведя аналогию с космической программой. Он пересказал аргумент одного из ключевых сотрудников НАСА о том, что, хотя может показаться, что полет на Луну не был примером хорошо потраченных денег, если бы мы не предприняли такое предприятие, мы никогда бы не изобрели тефлон. Идея, конечно же, заключается в том, что крупные технологические разработки приносят дополнительные выгоды на своем пути, потому что они необходимы для поддержки основной цели.

Тефлон - это, конечно, торговое название материала, известного как поли (тетрафторэтилен) или ПТФЭ. У него очень необычный набор свойств, некоторые из которых знакомы широкой публике. ПТФЭ также дал начало широкому спектру других фторполимеров. Но как бы хорошо ни звучал аргумент официального представителя НАСА, он неверен. ПТФЭ был обнаружен, как оказалось случайно, в 1938 году, почти за два десятилетия до того, как мы даже начали думать о том, чтобы отправить ракеты из нашей атмосферы на орбиту Земли, и более чем за 30 лет до того, как мы высадили человека на поверхность Луны.

История открытия ПТФЭ похожа на историю открытия полиэтилена. Если вы посмотрите на химию полиэтилена и ПТФЭ, вы увидите некоторое сходство. Полиэтиленовая цепь представляет собой углеродную основу с атомами водорода, занимающими все места, которые отходят от этих атомов углерода. В PTFE все атомы водорода заменены атомами фтора, отсюда и название материала. Как и этилен, тетрафторэтилен представляет собой газ при комнатной температуре. Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон случайно полимеризовали полиэтилен из газообразного этилена во время экспериментов, в которых газообразный этилен находился под очень высоким давлением. Открытие PTFE шло по аналогичному пути, однако в этом случае создатель материала не пытался создать новый полимер, а просто пытался создать недавно открытый хладагент.

Рой Планкетт, человек, которому приписывают открытие ПТФЭ, был химиком, нанятым DuPont почти сразу после получения докторской степени в штате Огайо. Он учился на бакалавриате в Манчестерском колледже, где, по крайней мере, часть времени его соседом по комнате был Пол Флори. Как вы помните, Флори помог Уоллесу Карозерсу понять химическую реакцию, связанную с полимеризацией нейлоновых материалов, и провел революционные фундаментальные исследования полимеров, за которые он был удостоен Нобелевской премии по химии 1974 года.

В то время как Флори изучал материалы на теоретическом уровне, Планкетт провел всю свою карьеру в мире практических занятий в DuPont. Его первым проектом было исследование нового химического состава хладагентов. Они приняли форму хлорированных фторуглеродов, тех же самых ХФУ, которые с тех пор стали символом негативного воздействия на окружающую среду. Легко забыть, что до появления ХФУ в основе хладагентов лежали химические вещества, такие как аммиак и диоксид серы, которые часто отравляли работников пищевой промышленности, а также людей, которым повезло иметь холодильники в своих домах.

Планкетт синтезировал около 100 фунтов тетрафторэтилена и хранил этот газ в небольших баллонах при очень низких температурах, готовясь к хлорированию для создания новых хладагентов. Однажды, настраивая один из баллонов, помощник Планкетта Джек Ребок обнаружил, что при открытии клапана на баллоне газ не выходит. Однако баллон имел такой же вес, как и баллон, заполненный газом. Когда Планкетт и Ребок открутили клапан от цилиндра, они обнаружили небольшое количество белого воскообразного вещества с некоторыми замечательными свойствами. Материал имел очень высокую температуру плавления, был химически инертным и имел чрезвычайно низкий коэффициент трения. При разрезании цилиндра получилось большее количество нового вещества. Анализ показал, что под давлением тетрафторэтилен полимеризовался в ПТФЭ.

У Планкетта никогда не было возможности превратить ПТФЭ в коммерческий продукт, который в конечном итоге стал тефлоном (это семейство фторполимеров было выделено из DuPont в 2013 году в компанию Chemours). Коммерциализация была отложена до 1945 года из-за высокой стоимости производства полимера. и тот факт, что его сочетание свойств сделало его важным материалом для военных усилий Второй мировой войны. В частности, PTFE решил насущную проблему, связанную с очисткой делящегося урана. Процесс конверсии урана включает производство гексафторида урана (UF ₆ ), который является очень коррозионным и вызывал серьезные проблемы при обращении с ним в Лос-Аламосе и Национальных лабораториях Ок-Ридж, где работы по обогащению урана проводились в рамках разработки первого атомного оружия. ПТФЭ обладал химической стойкостью, необходимой для предотвращения коррозии под действием UF ₆ .

Патенты на ПТФЭ были поданы в 1941 году. К тому времени Планкетт был переведен в другое подразделение DuPont, производившее присадку к бензину тетраэтилсвинец. Это иллюстрирует интересные отношения между DuPont и General Motors в этот период времени и произвело интересное пересечение между карьерой Планкетта и химиком Томасом Миджели.

Миджели был химиком, который начал работать в General Motors в 1916 году и в 1921 году сделал открытие, что добавление тетраэтилсвинца к бензину предотвращает детонацию в двигателях внутреннего сгорания. В 1923 году GM создала General Motors Chemical Company, чтобы контролировать производство тетраэтилсвинца компанией DuPont. В конце 1920-х годов Frigidaire была подразделением General Motors. Исследовательское подразделение GM увидело необходимость в разработке хладагента, который был бы негорючей и нетоксичной альтернативой действующим веществам, таким как аммиак, диоксид серы и пропан.

Они определили алкилгалогениды как идеальные материалы, поскольку эти соединения были летучими и химически инертными. Миджели был частью команды, которая синтезировала первый CFC, дихлордифторметан, ныне известный как фреон 12. Это было соединение, которое Планкетт создавал, когда открыл ПТФЭ. Его участие в CFC будет продолжаться, когда он будет назначен руководить производством фреона в DuPont позже в своей карьере.

Открытие ПТФЭ в конечном итоге привело к созданию ряда перерабатываемых в расплаве фторполимеров, которые позволяют производить сложное литье под давлением, а также экструзию и выдувное формование. (Фото:Performance Plastics Ltd.)

ПТФЭ предоставил платформу для разработки широкого спектра фторполимеров, которые более податливы, чем чистый ПТФЭ, и обычно могут обрабатываться в расплаве. Некоторые из этих материалов, такие как фторированный этиленпропилен (FEP) и перфторалкокси (PFA), формуются в очень сложных условиях. Сополимеры с более низким содержанием фтора, такие как этилен-тетрафторэтилен (ETFE) и этилен-хлортрифторэтилен (ECTFE), могут работать при несколько более низких температурах, а поливинилиденфторид (PVDF) можно формовать при относительно мягких температурах из-за его температуры плавления приблизительно 160 С (320 F).

Некоторые из этих материалов являются эластомерами, а другие - относительно мягкими полужесткими материалами, которые часто заполнены минералами или углеродом. Все эти материалы в той или иной степени выигрывают от присутствия фтора, который способствует химической стойкости, стойкости к горению и низкому коэффициенту трения. Многие из этих материалов также обладают прекрасными электроизоляционными свойствами и широко используются в электротехнике и электронике. ПТФЭ также находит применение в качестве наполнителя во многих других полимерах, чтобы придать более низкий коэффициент трения и улучшить износостойкость.

Свойство, которым наиболее известен ПТФЭ, его антипригарный характер, не использовалось в коммерческих целях до середины 1950-х годов, когда его впервые применили в металлической посуде. На сегодняшний день ПТФЭ - единственный известный материал, к которому не могут прикрепиться лапы геккона, и он является предметом большего количества патентов, чем любой другой продукт, который когда-либо разрабатывала DuPont. Хотя Планкетт никогда не участвовал в коммерциализации полимера, его имя указано в большинстве этих патентов, и он остается самым известным человеком, связанным с ПТФЭ.

Он продолжал получать признание за свое счастливое открытие в течение многих лет. Учитывая то, что мы знаем сегодня, история может не одобрять его дальнейшее участие в работе с этилированным бензином и хладагентами CFC, но бесспорно, что создание PTFE и его производных полимеров оказало значительное положительное влияние на состояние наших современных технологий.

В нашей следующей статье мы обратим наше внимание на продолжающееся развитие семейства инженерных термопластов с обсуждением другого очень влиятельного материала - поликарбоната.

ОБ АВТОРЕ:Майкл Сепе является независимым консультантом по материалам и обработке из Седоны, штат Аризона, с клиентами по всей 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]