Эволюция полимерных материалов: пионерские инновации 19 века (часть 2)

В середине 19 века мир материалов пережил волну трансформационных прорывов. В один год — 1846 — гутта-перча была адаптирована для изоляции телеграфа, резиновые шины изготовили для кареты королевы Виктории, Александр Паркс усовершенствовал технику холодной вулканизации при комнатной температуре, и случайный эксперимент Кристиана Фридриха Шенбейна зажгал развитие взрывчатого материала, который стал пороховатой ватой.

Шенбейн, профессор химии в Базельском университете, открыл озон и распознал окислительную силу смеси азотной и серной кислот. Во время дистилляции этого раствора на кухне, пролив на хлопковый фартук, вызвал его мгновенное воспламенение. Полученная нитрированная целлюлоза — обычно известная как пороховатая вата — спровоцировала краткий, но интенсивный вооружённый гонку в Европе и России, с подачей патентов и усилиями по реверс-инженерингу. Экстремальная летучесть материала привела к зрелищным авариям и, в конечном счете, к запретам и спаду экспериментов.

Посреди этой турбулентности исследователи, изучающие нитрат целлюлозы, обнаружили, что растворение его в смеси эфира и спирта производит вещество, называемое коллодий. При сушке коллодий становился крепкой, прозрачной пленкой, которая могла функционировать как лак, водоотталкивающее покрытие или формовочный твердый материал. Он предлагал свойства, подобные резине и гутта-перче, но обещал более низкие затраты.

Александр Паркс, пионер холодной вулканизации, запатентовал этот формовочный материал в 1856 году как Паркезин. Он дебютировал на Великой выставке Лондона в 1862 году, завоевав бронзовую медаль. Паркезин представил ряд продуктов — включая билярдный шар — но его коммерческая жизнеспособность потерпела неудачу. Высокие затраты растворителей, необходимых для производства коллодия, вместе с использованием Парксом низкокачественных хлопковых отходов и чрезмерным касторовым маслом как пластификатором, привели к продукту, лишенному размерной стабильности и страдающему от серьезной лот-то-лот вариабельности.

Примерно в то же время, билярдный чемпион Майкл Фелан предложил приз $10 000 за материал, который мог заменить слоновую кость в билярдных шарах. Джон Уэсли Хайят, типограф, заинтересованный этим вызовом, начал эксперименты с тканью, древесиной и бумажными композитами, покрытыми шеллаком, слоновой костью или костной пылью. Его патент 1865 года дал неудовлетворительный имитационный слоновой костью шар, приводя к патенту 1868 года для смеси бумаги и древесной целлюлозы, обработанной под высоким теплом и давлением.

Знакомство Хайята с коллодием — используемым в уходе за ранами и полиграфической отрасли — оказалось ключевым. Пролитая бутылка коллодия оставила твердую пленку, вдохновив его покрыть свои билярдные шары материалом. Через итеративные уточнения он увеличил вязкость коллодия и, к 1869 году, произвел композит, который мог оболочить деревянное ядро под теплом и давлением. Этот прорыв заработал ему патент на улучшенный билярдный шар, позже известный как целлулоид.

Хотя целлулоид никогда не вошел в коммерческое производство для билярдных шаров и не получил приз Фелана, работа Хайята заложила основу для будущих достижений. Пересматривая патенты Паркса, он обнаружил, что камфора, когда используется одна как пластификатор, может сделать коллодий полностью формовочным. Этот инсайт позволил ему трансформировать коллодий Паркса в универсальный материал — целлулоид — чьи свойства могли быть настроены варьированием содержания камфоры.

Параллельные разработки происходили в Англии, где Даниэль Стилл — партнер Паркса — взял на себя неудачное предприятие Паркса и придумал название Ксилонит для камфоро-базированного материала. Полученный патентный спор охватил 1877-1884 годы, в конечном счете признав Паркса изобретателем и разрешив продолжение производства целлулоидных продуктов.

В нашей следующей колонке мы проследим расширяющиеся применения целлулоида и рождение новой техники обработки пластиков, которая сформирует современное производство.

ОБ АВТОРЕ: Майк Сепе — независимый глобальный консультант по материалам и обработке из Седоны, штат Аризона. С более чем 40-летним опытом в пластиковой индустрии он советует клиентов по выбору материалов, дизайну для производственности, оптимизации процессов, устранению неисправностей и анализу отказов. Контакт: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com.