De evolutie van polymere materialen traceren: De pionerende innovaties van de 19e eeuw (Deel 2)

In de mid-19e eeuw, ervaarde de wereld van materialen een golf van transformerende doorbraken. Binnen een enkel jaar – 1846 – werd gutta-percha aangepast voor telegrafisolatie, rubber banden gefabriceerd voor koningin Victoria's koets, Alexander Parkes verfijnde een kamertemperatuur vulcanisatietechniek, en een ongelukkig experiment door Christian Friedrich Schönbein ontbrandde de ontwikkeling van het explosieve materiaal dat guncotton zou worden.

Schönbein, een chemieprofessor aan de Universiteit van Basel, ontdekte ozon en herkende het oxidatieve vermogen van een nitraat-zwavelzuurmengsel. Terwijl hij deze oplossing in zijn keuken distilleerde, veroorzaakte een lekkage op een katoenen schort dat het direct ontbrand. Het resulterende genitreerde cellulose – algemeen bekend als guncotton – ontketende een korte maar intense wapenwedloop in Europa en Rusland, met gepatenteerde en reverse-engineering pogingen prolifererend. De materiaal extreme volatiliteit leidde tot spectaculaire ongevallen en, uiteindelijk, tot verboden en een daling in experimentatie.

Midden in deze turbulente, ontdekten onderzoekers die cellulose nitraat verkenden dat het oplossen in een mengsel van ether en alcohol een stof produceerde genaamd collodion. Wanneer gedroogd, werd collodion een zacht, transparant film dat kon functioneren als vernis, waterdichte coating, of vormbaar vast stof. Het bood eigenschappen gelijk aan rubber en gutta-percha maar beloofde lagere kosten.

Alexander Parkes, die koude vulcanisatie pioneerde, patenteerde dit vormbare materiaal in 1856 als Parkesine. Het debuteerde op London's Great Exhibition in 1862, winnend een bronzen medaille. Parkesine toonde een reeks producten – inclusief een billiardbal – maar de commerciële haalbaarheid struikelde. De hoge-kosten oplosmiddelen vereist voor collodionproductie, gecombineerd met Parkes' gebruik van substandaard katoenafval en excessieve ricinusolie plasticizer, resulteerde in een product dat dimensionele stabiliteit miste en lijdde aan severe lot-tot-lot variabiliteit.

Rond dezelfde tijd, bood billiardkampioen Michael Phelan een $10.000 prijs voor een materiaal dat ivoor in billiardballen kon vervangen. John Wesley Hyatt, een printer geïntrigeerd door deze uitdaging, begon te experimenteren met stof, hout, en papiercomposieten gecoat met schellak, ivoor, of beenstof. Zijn 1865 octrooi leverde een imitatie ivoor bal die onvoldoende was, leidend tot een 1868 octrooi voor een papier-en-houtpulp mengsel verwerkt onder hoge hitte en druk.

Hyatt's bekendheid met collodion – gebruikt in wondzorg en de printindustrie – bleek cruciaal. Een gemorst flesje collodion achterliet een harde film, wat hem inspireerde om zijn billiardballen met het materiaal te coaten. Door iteratieve verfijningen, verhoogde hij de viscositeit van collodion en, in 1869, produceerde hij een compound dat een houten kern onder hitte en druk kon omhullen. Deze doorbraak leidde tot een octrooi voor een verbeterde billiardbal, later bekend als celluloid.

Hoewel celluloid nooit in commerciële productie ging voor billiardballen noch Phelan's prijs ontving, legde Hyatt's werk de basis voor toekomstige vooruitgang. Door Parkes' octrooien te herbezoeken, ontdekte hij dat kamfer, wanneer alleen gebruikt als plasticizer, collodion volledig vormbaar kon maken. Deze inzicht stelde hem in staat om Parkes' collodion te transformeren in een veelzijdig materiaal – celluloid – wiens eigenschappen afgestemd konden worden door kamferinhoud te variëren.

Parallelle ontwikkelingen voerden zich af in Engeland, waar Daniel Spill – Parkes' partner – Parkes' mislukte onderneming overnam en de naam Xylonite gaf aan een kamfer-gebaseerd materiaal. De resulterende octrooigeschil strekte zich uit van 1877 tot 1884, uiteindelijk Parkes erkennend als de oorspronkelijke uitvinder en toestaande voortgezette productie van celluloid producten.

In onze volgende kolom zullen we celluloid's uitbreidende toepassingen en de geboorte van een nieuwe kunststofverwerkingstechniek traceren die moderne fabricage zou vormgeven.

OVER DE AUTEUR: Mike Sepe is een onafhankelijke, internationale materialen- en verwerkingsconsultant gevestigd in Sedona, Ariz. Met meer dan 40 jaar ervaring in de kunststofindustrie, adviseert hij klanten over materialenkeuze, ontwerp voor fabricage, procesoptimalisatie, probleemoplossing, en falingsanalyse. Contact: (928) 203‑0408 • mike@thematerialanalyst.com.