De geschiedenis van polymere materialen volgen:deel 10

Enige tijd geleden keek ik naar een online presentatie van een natuurkundige die het proces van het synthetiseren van zware elementen besprak. Dit zijn de elementen in het periodiek systeem die zwaarder zijn dan uranium. Veel van degenen die in de rij onderaan een periodiek systeem verschijnen, zijn 'natuurlijk' ontstaan ​​tijdens het onderzoek naar het ontwikkelen en testen van de eerste atoomwapens. Maar naarmate je hoger in atoomnummer komt, wordt het moeilijker om deze elementen te produceren. De opbrengsten worden erg laag, soms slechts een handvol atomen, en deze vervallen snel, waardoor het erg moeilijk is om erachter te komen wat er precies is gemaakt.

Het doel en de praktische waarde van dit soort onderzoek is niet altijd duidelijk voor degenen die projecten financieren, dus het is nodig om het te rechtvaardigen, wat deze natuurkundige tegen het einde van zijn toespraak deed door een analogie te trekken met het ruimteprogramma. Hij vertelde over een argument van een van de sleutelfiguren bij NASA dat, hoewel het misschien lijkt dat naar de maan gaan geen voorbeeld was van goed besteed geld, als we niet zo'n onderneming hadden ondernomen, we Teflon nooit zouden hebben uitgevonden. Het idee is natuurlijk dat grote technologische ondernemingen gaandeweg bijkomende voordelen opleveren omdat ze nodig zijn om het primaire doel te ondersteunen.

Teflon is natuurlijk een handelsnaam voor een materiaal dat bekend staat als poly(tetrafluorethyleen) of PTFE. Het heeft een zeer ongebruikelijke reeks eigenschappen, waarvan sommige bekend zijn bij het grote publiek. PTFE gaf ook aanleiding tot een breed scala aan andere fluorpolymeren. Maar hoe goed het argument van de NASA-functionaris ook klinkt, het klopt niet. PTFE werd ontdekt, zo blijkt bij toeval, in 1938, bijna twee decennia voordat we zelfs maar begonnen na te denken over het sturen van raketten uit onze atmosfeer om in een baan om de aarde te draaien, en meer dan 30 jaar voordat we een mens op het oppervlak van de maan lieten landen.

De geschiedenis van de ontdekking van PTFE lijkt vergelijkbaar met die van polyethyleen. Als je naar de chemie van polyethyleen en PTFE kijkt, zie je enkele overeenkomsten. Een polyethyleenketen is een koolstofruggengraat met waterstofatomen die alle locaties bevolken die zich uitstrekken vanaf deze koolstofatomen. In PTFE zijn alle waterstofatomen vervangen door fluoratomen, vandaar de naam van het materiaal. Net als ethyleen is tetrafluorethyleen een gas bij kamertemperatuur. Eric Fawcett en Reginald Gibson hadden per ongeluk polyethyleen uit ethyleengas gepolymeriseerd tijdens experimenten waarbij het ethyleengas onder zeer hoge druk werd geplaatst. De ontdekking van PTFE volgde een soortgelijk pad, maar in dit geval probeerde de maker van het materiaal niet een nieuw polymeer te maken, maar gewoon een nieuw ontdekt koelmiddel te maken.

Roy Plunkett, de man aan wie de ontdekking van PTFE wordt toegeschreven, was een chemicus die bijna onmiddellijk na het behalen van zijn doctoraat in de staat Ohio door DuPont werd ingehuurd. Hij had zijn bachelorwerk gedaan aan het Manchester College, waar Paul Flory zijn kamergenoot gedurende ten minste een deel van de tijd was. Flory, je herinnert je misschien, hielp Wallace Carothers de chemische reactie te begrijpen die gepaard gaat met de polymerisatie van nylonmaterialen en deed baanbrekend fundamenteel onderzoek naar polymeren, waarvoor hij in 1974 de Nobelprijs voor de Scheikunde kreeg.

Terwijl Flory materialen op theoretisch niveau verkende, bracht Plunkett zijn hele carrière door in de wereld van praktische inspanningen bij DuPont. Zijn eerste project was een onderzoek naar nieuwe chemicaliën voor koudemiddelen. Deze namen de vorm aan van gechloreerde fluorkoolwaterstoffen, dezelfde CFK's die sindsdien het toonbeeld zijn geworden van negatieve milieueffecten. Het is gemakkelijk om te vergeten dat koelmiddelen vóór de komst van CFK's gebaseerd waren op chemicaliën zoals ammoniak en zwaveldioxide, die vaak zowel werknemers in de voedselindustrie vergiftigden als mensen die het geluk hadden koeling in huis te hebben.

Plunkett had ongeveer 100 lb tetrafluorethyleen gesynthetiseerd en had het gas in kleine cilinders bij zeer lage temperaturen opgeslagen als voorbereiding op chlorering om de nieuwe koelmiddelen te maken. Op een dag ontdekte de assistent van Plunkett, Jack Rebok, tijdens het opzetten van een van de cilinders dat er geen gas naar buiten kwam toen hij de klep op de cilinder opende. De cilinder had echter hetzelfde gewicht als een cilinder vol gas. Toen Plunkett en Rebok de klep van de cilinder schroefden, vonden ze een kleine hoeveelheid van een witte, wasachtige substantie met enkele opmerkelijke eigenschappen. Het materiaal had een zeer hoog smeltpunt, was chemisch inert en had een extreem lage wrijvingscoëfficiënt. Het opensnijden van de cilinder leverde een grotere hoeveelheid van de nieuwe substantie op. Analyse toonde aan dat onder druk het tetrafluorethyleen was gepolymeriseerd tot PTFE.

Plunkett heeft nooit de kans gehad om PTFE te ontwikkelen tot het commerciële product dat uiteindelijk Teflon werd. (deze familie van fluorpolymeren werd in 2013 van DuPont afgesplitst in de Chemours Company.) De commercialisering werd uitgesteld tot 1945 vanwege de hoge productiekosten van het polymeer en het feit dat de combinatie van eigenschappen het tot een essentieel materiaal maakte voor de militaire inspanningen van de Tweede Wereldoorlog. In het bijzonder loste PTFE een dringend probleem op in verband met de zuivering van splijtbaar uranium. Het uraniumomzettingsproces omvat de productie van uraniumhexafluoride (UF₆ ), dat zeer corrosief is en aanzienlijke hanteringsproblemen gaf in Los Alamos en in Oak Ridge National Laboratories, waar gewerkt werd aan uraniumverrijking als onderdeel van de ontwikkeling van de eerste atoomwapens. PTFE had de chemische weerstand die nodig is om corrosie door de UF₆ . te voorkomen .

In 1941 werden octrooien aangevraagd voor PTFE. Tegen die tijd was Plunkett gepromoveerd tot een andere divisie van DuPont die het benzine-additief tetra-ethyllood produceerde. Dit illustreert een interessante relatie tussen DuPont en General Motors gedurende deze periode en zorgde voor een interessante kruising tussen de carrière van Plunkett en die van de chemicus Thomas Midgely.

Midgely was een chemicus die in 1916 bij General Motors begon te werken en in 1921 ontdekte dat het toevoegen van tetraethyllood aan benzine het kloppen van verbrandingsmotoren verhinderde. In 1923 richtte GM General Motors Chemical Company op om toezicht te houden op de productie van tetraethyllood door DuPont. Eind jaren twintig was Frigidaire een divisie van General Motors. De onderzoeksafdeling van GM zag de noodzaak in om een ​​koelmiddel te ontwikkelen dat een niet-ontvlambaar en niet-toxisch alternatief was voor de gevestigde exploitanten, zoals ammoniak, zwaveldioxide en propaan.

Ze identificeerden alkylhalogeniden als de ideale materialen omdat deze verbindingen vluchtig en chemisch inert waren. Midgely maakte deel uit van het team dat de eerste CFK synthetiseerde, dichloordifluormethaan, nu bekend als Freon 12. Het was deze verbinding die Plunkett aan het maken was toen hij PTFE ontdekte. Zijn betrokkenheid bij CFC's zou doorgaan toen hij later in zijn carrière de toewijzing kreeg om de Freon-productie bij DuPont te regisseren.