Geschiedenis van polymeergrondstof - kunststofhars

Geschiedenis van polymeergrondstoffen - kunststofhars  ①

In deze serie zullen we de geschiedenis van de kunststofindustrie onderzoeken en hoe we het heden hebben bereikt.   De ontdekking van guttapercha, gebruikt door inheemse volkeren van Zuidoost-Azië in de jaren 1850, is een belangrijk feit dat isomeren de eigenschappen van polymeren bepalen, en is een goed voorbeeld van een vroeg voorbeeld van een principe dat veel wordt gebruikt in moderne polymeren scheikunde.

Ik krijg van tijd tot tijd e-mails met de vraag of ik ooit heb gehoord van bepaalde historische gebeurtenissen met betrekking tot de kunststofindustrie. Een van de dingen die veel aandacht krijgt, is het verhaal van de Amerikaanse uitvinder John Wesley Hyatt, die voor het eerst een materiaal creëerde dat gewoonlijk het eerste plastic wordt genoemd.

Dit materiaal werd in 1869 gepatenteerd onder de naam Celluloid. Met name Hyatt is het materiaal dat de meeste aandacht trekt, en vanwege de schaarste aan ivoor in het begin van de jaren 1860, was men bezorgd over de impact die dit zou hebben op de prijs van biljartballen.

Het is waar dat hij een prijs van 10.000 dollar heeft gewonnen.

Dit verhaal is om verschillende redenen erg interessant. Ten eerste versterkt het het idee dat diep geworteld is in de kunststofindustrie dat synthetische materialen gemaakt door chemische genieën materialen die afkomstig zijn van natuurlijke bronnen hebben vervangen en verbeterd. Een andere factor is de omvang van die geldelijke beloning, die vandaag bijna $ 200.000 is.

Zoals meestal het geval is, is het eigenlijke verhaal van de uitvinding van celluloid niet alleen veel complexer dan dit, het is ook sterk afhankelijk van de prestaties die eraan voorafgingen. En de daadwerkelijke introductie van dit materiaal was mogelijk dankzij een andere opmerkelijke uitvinding die een veel grotere impact had gehad op de kunststofindustrie dan het materiaal zelf.

Het werk bij het maken van synthetische stoffen is grotendeels een onderdeel van de wetenschap, maar het is meestal verwikkeld met advocaten, omdat dit op het spel staat in de zakenwereld en dus geld. In deze serie wil ik de geschiedenis van de kunststofindustrie onderzoeken en hoe we het heden hebben bereikt.

De wereld van synthetische materialen is geïnspireerd op materialen uit de natuur. Het materiaal dat het uitgangspunt voor dit alles lijkt te zijn geweest, is natuurlijk rubber, chemisch polyisopreen genoemd, een grondstof die is afgeleid van een specifieke boom. De chemische structuren van twee verschillende rangschikkingen van atomen in een natuurrubbermolecuul, isomeren genoemd, worden weergegeven in figuur 1 hieronder.

Europese ontdekkingsreizigers die in de 16e en 17e eeuw naar het Caribisch gebied en Meso-Amerika (Midden-Amerika) reisden, ontdekten een beschaving die dit materiaal niet alleen gebruikte om stevige ballen te maken, maar ook om textiel waterdicht te maken. Het bestaan ​​van een stijve bal gemaakt van een materiaal van een eigenschap die we tegenwoordig het elastomeer noemen, of elastomeereigenschap, was een schok voor de Noordse mensen die alleen ballen zagen die gemaakt werden door lucht in hun leren zakken te blazen. Het was de cis-isomeer die al deze producten maakte. De trans-isomeer wordt later besproken.

De wereld van synthetische materialen is geïnspireerd op materialen uit de natuur, plastic hars.

Een Franse ontdekkingsreiziger reisde in de jaren 1730 naar Peru om een ​​soortgelijke stof te ontdekken, maar in 1751 werden de eerste wetenschappelijke artikelen over deze nieuwe stof gepubliceerd. Maar zelfs op dit punt werden de chemische eigenschappen van dit materiaal niet goed begrepen. Met name het effect van temperatuur op de eigenschappen van grondstoffen was een belemmering voor commercieel gebruik in Europa.

In tegenstelling tot het Meso-Amerikaanse klimaat waar de temperatuurschommelingen bij bepaalde hoge temperaturen relatief klein zijn, kent Europa zeer grote temperatuurschommelingen in de winter en de zomer. Bij lage temperaturen in de winter werd het materiaal hard en broos, terwijl hoge temperaturen in de zomer het erg zacht en plakkerig maakten. Het meest creatieve product dat gebruik maakte van dit materiaal, dat aan het eind van de 18e eeuw verscheen, was een gum waarmee potloodstrepen van papier werden verwijderd. Het is voor deze eigenschap dat gummen rubber worden genoemd.

In 1820 ontdekten twee zakenlieden uit totaal verschillende vakgebieden ook bij toeval dat polyisopreen was opgelost in nafta en terpentijn. Opgelost rubber kan worden verwerkt tot katoen om waterdichte kleding te maken. Dit werkte goed zolang het weer niet te warm werd. Naarmate de temperatuur toenam, werd de gecoate stof echter plakkerig en vervormd.

De beperking van het gebruik van polyisopreen als gevolg van de temperatuur bleef een probleem van de jaren 1830 tot de jaren 40. In deze periode stuitte Charles Goodyear op twee technieken om het prestatieprobleem bij hoge temperaturen op te lossen door willekeurig anderhalf experimenten uit te voeren, zoals eerdere uitvinders deden.

Drie jaar later werd een vulkanisatieproces ontdekt, waarvan bekend is dat het de eigenschappen van het materiaal bij lage temperaturen verbetert. Goodyear had geen begrip van de chemie van het verknopingsproces, wat de prestaties van dit materiaal drastisch verbetert.

Zelfs de term 'vulkanisatie' werd bedacht door een Britse concurrent die de methode van Goodyear had uitgevonden door een patent aan te vragen in het VK terwijl Goodyear een patent aan het indienen was in de VS. Het moest nog enkele decennia wachten voordat er een technologie opkwam die de eigenschappen van grondstoffen wijzigt door weekmakers en vulstoffen (vulstoffen) in rubber toe te voegen.

De basis van de polymeerindustrie werd echter gelegd. Interessant is dat indianen honderden jaren geleden ontdekten hoe ze de eigenschappen van rubber konden stabiliseren door ruwe latex te roken. Dit was een methode om de nitraat- en zwavelverbindingen te leveren die nodig zijn voor de verknoping van het materiaal om praktisch hetzelfde effect te bereiken, hoewel de controle misschien minder geavanceerd is.

De vooruitgang die in dit tijdperk van chemiekunststofhars is geboekt, is grotendeels te danken aan toevallige ontdekkingen die met vallen en opstaan ​​zijn gedaan.

In de jaren 1850, in een tijd waarin de gerechtelijke strijd tussen Goodyear en zijn rivalen in Engeland heviger werd, zag een Engelse chirurg in Zuidoost-Azië de inheemse bevolking van de regio sap winnen van een van de inheemse boomsoorten in de regio.

Ze verzachtten de ingrediënten door ze in heet water te doen en vormden ze vervolgens tot een verscheidenheid aan nuttige voorwerpen, zoals handvaten en stokken. Chemisch gezien is deze stof, genaamd gutta-percha (gutta-percha) naar de wetenschappelijke naam van de boom die het sap heeft verkregen, de trans-isomeer van polyisopreen.

Dit is een goed voorbeeld van de vroege dagen waarin het belangrijke feit werd aangetoond dat isomeren de eigenschappen van polymeren bepalen (een principe dat veel wordt gebruikt in de moderne polymeerchemie). Het cis-isomeer is amorf en zeer gevoelig voor temperatuurveranderingen. Daarom is verknoping vereist om er een bruikbaar materiaal van te maken. Het trans-isomeer is een stof die kan kristalliseren. Dus hoewel het dezelfde glasovergangstemperatuur bij kamertemperatuur heeft als het cis-isomeer, heeft het de eigenschappen van een bruikbaar vast materiaal bij temperaturen boven kamertemperatuur.

Gutta Perca was een ander materiaal dat al honderden jaren bekend is en wordt gebruikt in inheemse beschavingen, maar toen het in handen kwam van meer doelgerichte Europeanen, werd het al snel geadopteerd als isolatiemateriaal voor telegraafdraden onder water. In dit opzicht vertoont dit materiaal niet alleen enkele overeenkomsten met cis isomere rubbers, maar ook belangrijke verschillen.

De niet-polaire structuur van de twee materialen maakt ze uitstekende elektrische isolatoren. In het geval van rubber, hoewel het een verknoopte vorm heeft, is het vanwege zijn unieke amorfe structuur niet chemisch bestand tegen zout water. Gutta Perca heeft niet alleen gewenste elektrische eigenschappen, maar is ook bestand tegen zeewater en vele andere chemicaliën. Dit principe dat de aan- of afwezigheid van kristalliniteit de chemische resistentie bepaalt, is ook bekend in de wereld van polymeren, en het heeft de creatie van nieuwe toepassingen mogelijk gemaakt, zelfs in de allereerste dagen van de kunststofindustrie.

Het richt zich ook op een ander zeer belangrijk aspect dat verband houdt met het gebruik van nieuwe materialen:de ontwikkeling van nieuwe chemische grondstoffen en de uitvinding van verwerkingsmethoden. Dit materiaal werd gebruikt voor het coaten van elektrische draad, wat mogelijk werd gemaakt door een zeer belangrijke uitvinding, een extruder genaamd.

In de volgende aflevering zullen we het hebben over de technologische vooruitgang rond celluloid en een andere zeer belangrijke vooruitgang in de verwerkingstechnologie in het proces.

Bron:plastickorea