De geschiedenis van polymere materialen volgen - deel 2

Voor iemand die in het midden van de 19e eeuw leeft en betrokken is bij de wereld van materialen, moet het een tijd van revolutionaire ontwikkeling hebben geleken. In slechts één jaar, 1846, werd guttapercha gevormd tot de telegraafdraadisolatie die in het artikel van vorige maand werd genoemd; rubberen banden werden vervaardigd voor gebruik op het rijtuig van koningin Victoria; Alexander Parkes ontdekte een techniek om rubber bij kamertemperatuur te vulkaniseren; en een toevallig maar opmerkelijk experiment bracht de technologische ontwikkeling op gang die leidde tot Hyatt's biljartbalmateriaal.

Het experiment werd uitgevoerd door Christian Friedrich Schonbein, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Basel in Zwitserland. Hij had een paar jaar eerder ozon ontdekt en had geleerd dat een mengsel van salpeter- en zwavelzuur een uitstekend oxidatiemiddel was. Terwijl hij op een dag dit zure mengsel in zijn keuken destilleerde, gooide hij de fles om en ruimde de rommel snel op met het dichtstbijzijnde beschikbare item, een katoenen schort. Toen hij probeerde het schort te drogen door het boven een hete kachel te hangen, vatte het prompt vlam en verdween. Genitreerde cellulose, ook wel bekend als guncotton, was gemaakt en het zou leiden tot een reeks uitvindingen die allemaal profiteerden van deze modificatie van cellulose.

De ontdekking van geweerkatoen veroorzaakte een 1840-versie van een wapenwedloop, waarbij patenten werden aangevraagd en landen die licentiekosten wilden vermijden, probeerden de uitvinding te reverse-engineeren. De extreme vluchtigheid van het materiaal leidde eind 1840 tot spectaculaire ongelukken in heel Europa en Rusland, die uiteindelijk leidden tot een verbod op verdere ontwikkeling en een verlies van interesse in verdere experimenten.

In die tijd ontdekte een van de laboratoria die met cellulosenitraat experimenteerden echter dat het kon worden opgelost in een combinatie van ether en alcohol om een ​​stof te vormen die collodium werd genoemd. Eenmaal gedroogd, werd het materiaal taai en transparant en kon het dienen als vernis of lak, een waterdichte coating of een dunne film. Het toonde ook potentieel als vormbare vaste stof. In veel opzichten vertoonde het dezelfde mogelijkheden als rubber en guttapercha, maar bood het de mogelijkheid van lagere kosten.

Dezelfde Alexander Parkes die het proces van koude vulkanisatie ontwikkelde, kreeg in 1856 een patent op dit vormbare materiaal. Het staat bekend als Parkesine en werd tentoongesteld op de Great Exhibition, een wereldtentoonstelling die in 1862 in Londen plaatsvond. dit evenement was het materiaal te zien in de vorm van veel verschillende producten die hoge verwachtingen wekten. Het materiaal werd zelfs gevormd tot een biljartbal, vooruitlopend op de meer bekende ontwikkeling die aan het einde van het decennium zou komen. Parkes gebruikte verschillende plantaardige oliën als een middel dat we tegenwoordig een weekmaker zouden noemen om de benodigde balans van eigenschappen te bereiken.

Maar de belofte van lagere kosten werd nooit gerealiseerd. De oplosmiddelen die werden gebruikt om collodium te produceren voor andere toepassingen, in de geneeskunde en fotografie, bleken te duur voor massaproductie van een vormbaar materiaal dat bedoeld was voor meer concurrerende markten. In een poging om het materiaal concurrerend te maken, nam Parkes zijn toevlucht tot het gebruik van katoenafval van slechte kwaliteit om cellulose te maken en voegde zo grote hoeveelheden van de ricinusolieweekmaker toe dat het materiaal zijn mechanische eigenschappen verloor en de producten die ervan werden gemaakt geen vormvastheid hadden. Het product had te lijden onder een hoge mate van variabiliteit van lot tot lot, waardoor het uiteindelijk gedoemd was een commerciële onderneming te worden. De uitvinding wordt echter beschouwd als het eerste vormbare plastic en het maakte de weg vrij voor de verbeteringen die uiteindelijk leidden tot de creatie van Hyatt.

Het was in dezelfde periode dat Michael Phelan, de meester-biljartspeler die in het artikel van vorige maand werd genoemd, de prijs van $ 10.000 uitloofde voor een biljartbal gemaakt van een materiaal dat ivoor adequaat zou kunnen vervangen. Phelan was ook de uitvinder van een kussenmateriaal voor biljarttafels dat van rubber was en hij had een belang in een bedrijf dat biljarttafels maakte. Hij was zich terdege bewust van het ivoortekort dat de groei van een steeds populairder tijdverdrijf in gevaar bracht. John Wesley Hyatt, een drukker, werd aangetrokken door het vooruitzicht om de aangeboden prijs te claimen en begon te experimenteren met verschillende methoden om biljartballen te maken.

De eerste versies bestonden uit combinaties van stukken stof, hout en papier die bij elkaar werden gehouden met verschillende lijmen, vernissen, schellaken en andere kleefstoffen. Hyatt verkreeg zijn eerste patent voor een imitatie-ivoren bal in 1865, gemaakt van linnen doek bedekt met schellak en ivoor of botstof en verwerkt onder hitte en druk. Deze creatie was geen adequate vervanging voor ivoor, dus Hyatt bleef experimenteren en verkreeg in 1868 een tweede patent voor een andere poging die bestond uit papier en houtpulp gecombineerd met schellak en opnieuw verwerkt onder hoge hitte en druk.

Hyatt zou bekend zijn geweest met collodion omdat het op grote schaal werd gebruikt bij het genezen van wonden en in de grafische industrie werd gebruikt om lijnwerkers te beschermen tegen schaafwonden aan hun vingertoppen. Bij nog een van die gelukkige ongelukken ontdekte Hyatt op een dag wat collion dat uit de fles was gemorst en een harde film had gevormd. Hij begon zijn nieuwste versie van biljartballen te coaten door ze in collion te dopen. Hyatt ondervond dezelfde problemen die Parkes hadden geplaagd bij het maken van een solide, vormbaar materiaal. Dus bleef hij werken aan het verhogen van de viscositeit van het materiaal en ontwikkelde uiteindelijk een verbinding die onder hoge hitte en druk rond een houten kern kon worden gevormd. Dit leverde in april 1869 opnieuw een patent op voor deze verbeterde methode om biljartballen te maken.

Deze uitvinding werd uiteindelijk Celluloid genoemd en staat bekend als het materiaal dat door Hyatt is uitgevonden om ivoor te vervangen, hoewel deze naam voor het materiaal pas drie jaar later zou worden bedacht. Interessant is dat de Celluloid-biljartballen nooit commercieel zijn gemaakt en nooit zijn ingediend bij het bedrijf van Phelan ter overweging van de prijs van $ 10.000. Hyatt zou tot in het begin van de 20e eeuw aan het biljartbalprobleem blijven werken zonder het gewenste doel van een perfecte vervanging voor ivoor te bereiken. Dat succes zou in het eerste decennium van de jaren 1900 komen van een uitvinder die werd geboren op hetzelfde moment dat Hyatt zijn experimenten begon en wiens carrière een aantal interessante kruispunten had met die van Hyatt.

Hyatt vond, door enkele van de oude patenten van Parkes te herzien, de sleutel om van Celluloid een vormbare massa te maken door kamfer als weekmaker te gebruiken. Parkes had kamfer gebruikt, maar alleen in combinatie met andere oplosmiddelen. Door zich te concentreren op kamfer en zijn werk met hoge druk en hitte te blijven gebruiken, veranderde Hyatt Parkes' collion in een veelzijdig materiaal dat eigenschappen zou kunnen hebben die vergelijkbaar zijn met die van rubber of guttapercha door simpelweg de hoeveelheid kamfer die aan het mengsel wordt toegevoegd te variëren.

In de tijd dat Hyatt werkte aan het maken van verbeterde biljartballen in de Verenigde Staten, had Daniel Spill, een partner van Alexander Parkes, de mislukte commerciële onderneming van Parkes in Engeland op zich genomen en ook het belang van kamfer ontdekt bij het maken van een vormbaar materiaal, dat hij noemde Xylonite. De parallelle uitvindingen leidden tot het onvermijdelijke octrooigeschil, dat van 1877 tot 1884 voor de rechter werd gebracht. Uiteindelijk werd besloten dat zowel de uitvindingen van Spill als Hyatt terug te voeren waren op het werk van Parkes, die als de oorspronkelijke uitvinder werd beschouwd. van het materiaal. Het maakte ook deel uit van de uitspraak dat alle productie van Celluloid-producten kon worden voortgezet.

In onze volgende column zullen we het wel en wee van Celluloid volgen, aangezien het steeds vaker werd gebruikt in verschillende vormen, wat leidde tot de uitvinding van een andere belangrijke kunststofverwerkingstechniek.

OVER DE AUTEUR:Mike Sepe is een onafhankelijke, wereldwijde materiaal- en verwerkingsadviseur wiens bedrijf, Michael P. Sepe, LLC, is gevestigd in Sedona, Ariz. Hij heeft meer dan 40 jaar ervaring in de kunststofindustrie en helpt klanten bij materiaalkeuze, ontwerpen voor maakbaarheid, proces optimalisatie, probleemoplossing en storingsanalyse. Contactpersoon:(928) 203-0408 • [email protected].