Отслеживание истории полимерных материалов, часть 4

В 1863 году, через год после того, как пластик Parkesine на основе нитроцеллюлозы был удостоен бронзовой медали на Большой международной выставке в Лондоне, в Бельгии родился Лео Бекеланд. Сын неграмотных родителей, Бекеланд получил докторскую степень в возрасте 21 года, обучаясь у Теодора Свартса, главного помощника Фридриха Августа Кекуле в Боннском университете, Германия. Кекуле приписывают разработку структуры бензола, химического вещества, которое является центральным для большей части химии полимеров и тесно связано с фенолом, одним из химических веществ, которые являются ключевыми в истории первого по-настоящему синтетического полимера. Бэкеланд был также энтузиастом фотографии, и во время учебы в средней школе и колледже он работал с местным химиком, который основал фабрику по производству первых фотографических сухих пластин, сделанных в Европе.

В первых сухих пластинах использовались химические проявители, которые пахли неприятно и с которыми можно было работать. Бэкеланд осознал это и вскоре после получения докторской степени изобрел сухую пластину, покрытую водорастворимой эмульсией, которую можно было погрузить в воду для активации проявителя. Он получил патент на это изобретение в Бельгии в 1887 году.

В 1889 году Бэкеланд и его жена отправились в Нью-Йорк, где они встретились и пошли работать на Ричарда Энтони, директора компании, производившей фотопленки, бумаги и фотоаппараты. Это была та же компания, которая десять лет спустя купила Goodwin Camera and Film Company у Ганнибала Гудвина. Гудвин разработал работоспособную целлулоидную пленку за два года до Джорджа Истмана (основателя Eastman Kodak), но выдача его патента была отложена на 11 лет, что привело к судебному процессу, который мы обсуждали в статье в прошлом месяце.

Бэкеланд проработал у Энтони два года, а затем после болезни и некоторых трудных времен, пытаясь заработать на жизнь в качестве независимого консультанта, он сосредоточился на разработке фотобумаги для печати увеличенных изображений. В ранней истории фотографии печать осуществлялась с помощью естественного света, обеспечиваемого солнцем. Прорыв Бэкеланда, последовавший за двумя годами исследований, позволил получить бумагу с эмульсией хлорида серебра в коллоидном состоянии, которая была достаточно чувствительной к свету, чтобы ее можно было проявить с помощью искусственного света, не требующего солнечного света. Он назвал продукт Velox.

Телефоны были одними из первых применений бакелита (фенола).

Для большинства людей в то время источником искусственного света был газовый свет. Однако появление электрического света Эдисоном, которое также является ключевой фигурой в развитии целлулоида, вскоре изменило это. Хотя профессиональные фотографы обычно не приветствовали эту новую бумагу, она стала очень популярной среди фотографов-любителей и создала рынок, который привлек внимание никого, кроме Джорджа Истмана. В 1898 году Истман купил компанию, основанную Бэкеландом с двумя партнерами, за 750 000 долларов, что составляет около 22 миллионов долларов в сегодняшних ценах.

Все эти пересечения с другими крупными игроками в химической и энергетической промышленности просто подготовили почву для исследования, которым Бэкеланд теперь мог заниматься благодаря своей значительной финансовой безопасности. Условия продажи его компании Истману включали соглашение об отказе от конкуренции, которое не позволяло Бэкеланду заниматься какими-либо исследованиями в области фотографии в течение 20 лет.

Обладая химическим образованием, чутьем к экспериментам, хорошим чутьем для выявления нерешенных проблем и отсутствием необходимости зарабатывать себе на жизнь, Бэкеланд основал поместье в Йонкерсе, штат Нью-Йорк, и приступил к работе над насущной проблемой, похожей на ту, которая возникла. привело к развитию целлулоида. Целлулоид был разработан, чтобы решить проблему нехватки слоновой кости. Быстрый рост электротехнической промышленности в последние два десятилетия 19 ^-го века и вплоть до начала 20-го ^-го Век создал новое узкое место в другом материале природного происхождения - шеллаке.

Шеллак производится лаковыми жуками, когда они извлекают сок деревьев и выделяют смолу. Его соскабливают с деревьев и обрабатывают путем нагревания и фильтрации для получения чистого соединения. Подсчитано, что для производства одного килограмма (2,2 фунта) шеллака требуется более 100 000 моллюсков. В доэлектрифицированную эпоху низких темпов производства традиционного шеллака было достаточно, чтобы удовлетворить спрос на лаки и консерванты для изделий из дерева. Но электротехническая промышленность создала огромный спрос на шеллак из-за его прекрасных электроизоляционных свойств и способности защищать от влаги. Спрос возрос еще в большей степени, когда шеллак стал предпочтительным материалом для изготовления грампластинок, что стало еще одним перекрестком с миром Эдисона. (Он изобрел фонограф в 1877 году.) ПВХ заменит шеллак в этом приложении в 1940-х годах.

Промышленная история шеллака поразительно напоминает историю каучука. Природный полимер, который можно получить только в небольших количествах и который можно найти в основном в Юго-Восточной Азии, стал ключевым препятствием на пути быстрого развития технологий, происходящих в Европе и Северной Америке, далеко от источника. И, как и натуральный каучук, шеллак не обладал некоторыми желаемыми эксплуатационными характеристиками. Во-первых, это термопласт с температурой плавления около 75 C (167 F). Таким образом, он размягчается даже при умеренных температурах. Изоляторы высокого напряжения, генерирующие относительно высокие температуры, плавят шеллак. И хотя его можно смешивать с наполнителями, такими как древесная мука, чтобы получить формуемый состав, он имеет относительно низкую твердость поверхности, и его нанесение может быть трудоемким.

Пять лет исследований, проведенных Бэкеландом, привели к получению в 1907 г. патента на «Усовершенствования методов получения нерастворимых продуктов конденсации фенолов и формальдегида». Бакеланд назвал продукт бакелитом, и это имя до сих пор время от времени встречается в отраслевой литературе. В 1983 году в Сомерсете, Англия, был даже открыт Бакелитовый музей, в котором представлена ​​история изделий из бакелита. Хотя сейчас он закрыт и ищет новый дом, у него все еще есть веб-сайт. Реактор, который Бэкеланд спроектировал для производства смолы, был назван Бакелизатором.

Сегодня этот материал известен под более общим названием - фенол. Это конденсационный полимер, как следует из названия патента, и природа этой химической реакции способствовала возникновению многих проблем при создании материала. Но в результате появился первый по-настоящему синтетический полимер, материал, не основанный на натуральном продукте, который затем был модифицирован. И это был термореактивный полимер, похожий на вулканизированный каучук, но не содержащий серы, и имел гораздо более высокую прочность, жесткость, термостойкость и долговечность. Он сразу же зарекомендовал себя как электрический изолятор, который имел лучшее электрическое сопротивление, чем слюда или фарфор, был более термостойким, чем шеллак, имел лучшую ударопрочность, чем стекло или керамику, и обладал превосходной стойкостью к широкому спектру кислот, спиртов, жиров и масел. .

И в результате замечательного пересечения с целлулоидом было обнаружено, что фенол обладает тем, что мы сегодня называем вязкоупругими свойствами, аналогичными свойствам слоновой кости, что делает его идеальным материалом для бильярдных шаров. Таким образом была достигнута цель John Wesley Hyatt по созданию синтетической замены слоновой кости. Хаятт продолжал управлять своей компанией по производству бильярдных шаров с момента ее основания в 1868 году, постепенно улучшая свои рецептуры на основе целлулоида. Однако в 1912 году он перешел на фенол, признав его превосходные характеристики.

Хотя Бэкеланд получил патент, положивший начало коммерческой разработке фенола, химическая реакция, в результате которой был получен прототип этого соединения, была открыта более 30 лет назад. Через серию тупиков и удачных несчастных случаев химия, в которой использовалась реакция между формальдегидом и другими органическими соединениями для производства полезных термореактивных материалов, развивалась благодаря усилиям нескольких талантливых химиков и изобретателей. А после изобретения последовали проблемы коммерциализации и неизбежные судебные процессы. Мы рассмотрим эту часть истории в нашей следующей статье.

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]