De Geschiedenis van Polymeren Materiaalen, Deel 13: Hoe Nylon en Polyesters de Textielinnovatie Herschreven

Dezelfde innovatiegolf die nylon tot stand bracht, stimuleerde ook de creatie van synthetische polyesters. In de jaren '30 synthetiseerde Julian Hill, een sleutellid van het DuPont-team van Wallace Carothers, de eerste polyestervezels – lang voordat nylon zelf ontdekt werd. Toch werd het polyesteronderzoek opgeschort zodra de uitzonderlijke eigenschappen van nylon naar voren kwamen. De verweven verhalen van nylon en polyester laten zich het best begrijpen door een nader kijk op hun chemie.

Zowel de eerste generatie nylon als vroege polyesters behoren tot de familie van condensatiepolymers. Carothers begon al in 1926, nog tijdens zijn academische carrière, met het verkennen van deze reacties. Met de middelen van DuPont's laboratoria aan zijn beschikking, vertaalde hij theorie snel naar praktijk. Condensatiepolymers vormen zich wanneer twee moleculen – elk met reactieve functionele groepen aan beide uiteinden – reageren onder afgifte van een klein molecuul (vaak water) en in beide richtingen groeien, wat leidt tot een lange keten.

Esters ontstaan wanneer een alcohol reageert met een carboxylzuur, zoals getoond in Afbeelding 1, waar ethylacohol en azijnzuur ethylacetaat vormen. De karakteristieke carbonyl-zuurstofdubbele binding definieert de esterfunctionele groep. Amiden vormen zich op gelijke wijze, maar daarbij vervangt een amine de alcohol. In Afbeelding 2 reageert propaanzuur met ureum tot propanamide.

Bij typische ester- en amidesyntheses neemt slechts één reactief uiteinde deel, wat de reactie doet stoppen. Carothers ontdekte dat wanneer beide uiteinden van een molecuul reactieve groepen dragen, het proces kan doorgaan, wat leidt tot een langkettig macromolecuul – een polymeer. Afbeelding 3 illustreert dit principe toegepast op nylon 66.

De amidebinding – bestaande uit een carbonylgroep (C=O) en een N–H binding – creëert een dipool die sterke intermoleculaire waterstofbruggen mogelijk maakt. De zuurstof draagt een gedeeltelijke negatieve lading, terwijl de waterstof verbonden met stikstof een gedeeltelijke positieve lading draagt. Wanneer aangrenzende polymereketten zich uitlijnen, trekken deze dipolen elkaar aan, wat nylon zijn hoge trekkracht en smeltpunt van 260 °C (500 °F) geeft. Dit waterstofbrugnetwerk is de hoeksteen van nylon's superieure mechanische prestaties.

Daarentegen missen esterbindingen het N–H component, waardoor ze niet dezelfde robuuste waterstofbruggen kunnen vormen. Als gevolg hiervan tonen alifatische polyesters lagere smeltpunten – typisch rond 80 °C (176 °F) voor een polymeer met een molecuulgewicht vergelijkbaar met nylon 66 – en zijn ze gevoeliger voor hydrolyse. Deze eigenschappen voldeden niet aan DuPont's doelen voor hoogprestatievezels, wat het bedrijf deed besluiten zich volledig op nylon te richten.

Drie jaar later namen de Britse chemici John Rex Whinfield en James Tennant Dickson de DuPont-data opnieuw onder de loep en identificeerden een manier om de eigenschappen van polyester te verbeteren door aromatische ringen te incorporeren. Aromatische structuren, zoals benzeen of xyleen, zijn planair, rigide en verbeteren de thermische en mechanische gedragingen aanzienlijk wanneer ze in een polymere keten worden ingebouwd.

In 1939 combineerden Whinfield en Dickson het aromatische carboxylzuur tereftaalzuur met ethyleenglycol om de eerste commercieel levensvatbare polyester te produceren – polyethyleentereftalaat (PET). Samen met W.K. Birtwhistle en C.G. Ritchie patenteren ze PET en introduceerden een vezel onder de merknaam Terylene, gelanceerd door Imperial Chemical Industries (ICI) in 1941.

Deze doorbraak ingeleid het moderne tijdperk van polyestervezels, een verhaal dat we in de volgende aflevering zullen vervolgen.

Over de Auteur
Michael Sepe is een onafhankelijk materiaal- en verwerkingsconsultant gevestigd in Sedona, Arizona. Met meer dan 45 jaar ervaring in de kunststofindustrie adviseert hij klanten in Noord-Amerika, Europa en Azië over materiaalkeuze, ontwerp voor fabricage, procesoptimalisatie, probleemoplossing en falingsanalyse. Contact: (928) 203‑0408 | mike@thematerialanalyst.com