De geschiedenis van polymere materialen volgen:deel 1

Europese ontdekkingsreizigers die in de 16e en 17e eeuw naar het Caribisch gebied en Midden-Amerika reisden, vonden beschavingen die dit materiaal gebruikten om stevige ballen te maken en het ook gebruikten om stoffen waterdicht te maken. Het bestaan ​​van een stevige bal gemaakt van een materiaal met wat we tegenwoordig elastomere eigenschappen zouden noemen, was een openbaring voor mensen uit Noord-Europa die alleen ballen hadden ervaren die waren gemaakt van een opgeblazen blaas van leer. Het was de cis-isomeer die al deze producten produceerde. We komen zo bij de trans-isomeer.

Een Franse ontdekkingsreiziger ontmoette een soortgelijk materiaal toen hij in de jaren 1730 naar Peru reisde, en in 1751 was het eerste wetenschappelijke artikel over dit nieuwe materiaal gepresenteerd. Maar op dit punt werd de chemie van het materiaal niet goed begrepen. Met name het effect van temperatuur op de eigenschappen van het materiaal zorgde voor belemmeringen voor commercieel gebruik in Europa. In tegenstelling tot de klimaten van Meso-Amerika, waar de temperatuurschommelingen op een bepaalde hoogte relatief klein waren, waren de temperatuurveranderingen in Europa van winter tot zomer significanter. Bij koude temperaturen werd het materiaal hard en broos, terwijl de hete zomertemperaturen het materiaal erg zacht en plakkerig maakten. Het meest creatieve gebruik van het product in het laatste deel van de 18 ^e eeuw was als een gum van potloodstrepen van papier. De naam rubber komt van deze bijzondere kwaliteit.

Vooruitgang in dit scheikundetijdperk was grotendeels een kwestie van toevallige ontdekkingen die met vallen en opstaan ​​tot stand kwamen. In 1820 ontdekten twee zakenlieden op zeer verschillende gebieden onafhankelijk van elkaar door juist zulke ongelukken dat polyisopreen oplosbaar was in nafta en terpentijn. Het opgeloste rubber kon vervolgens op katoen worden aangebracht om waterdichte kleding te maken. Dit werkte goed zolang het weer niet te warm werd. Als dat het geval was, zouden de gecoate stoffen plakkerig worden en hun vorm verliezen.

De temperatuurlimieten voor het gebruik van polyisopreen bleven een probleem tot de jaren 1830 en '40, toen Charles Goodyear, met behulp van experimentele methoden die net zo willekeurig waren als die van zijn voorgangers, op twee technieken stuitte die eerst de prestatieproblemen bij hoge temperaturen aanpakten en dan, drie jaar later, het bekendere vulkanisatieproces dat de eigenschappen van het materiaal bij lage temperaturen verbeterde. Goodyear had geen begrip van de chemie achter het verknopingsproces dat de prestaties van het materiaal drastisch verbeterde. Zelfs de term vulkanisatie werd bedacht door een Britse concurrent die de aanpak van Goodyear ontdekte en patenten aanvroeg in Engeland terwijl Goodyear de aanvraag indiende in de VS.

Rubber compounding, het modificeren van de materiaaleigenschappen door toevoeging van weekmakers en vulstoffen, was nog tientallen jaren weg. Maar de basis voor de wereld van polymeren was gelegd. Interessant is dat de inheemse bevolking van Meso-Amerika honderden jaren eerder had geleerd hoe ze de eigenschappen van het rubber konden stabiliseren door de onbewerkte latex te roken, vermoedelijk op een minder gecontroleerde maar even effectieve manier de nitraten en zwavelverbindingen die nodig zijn om het materiaal te verknopen.

Op hetzelfde moment dat in de jaren 1850 rechtszaken tussen Goodyear en zijn Britse tegenhangers woedden, observeerde een Britse chirurg die in Zuidoost-Azië praktiseerde de inheemse bevolking in dat deel van de wereld die een sap uit een van de bomen haalden die in dat deel van de wereld groeiden. de wereld. Ze verzachtten het materiaal in heet water en vormden het tot een verscheidenheid aan nuttige producten zoals gereedschapshandvatten en wandelstokken. Guttapercha genoemd naar de boomsoort die het sap produceerde, is chemisch gezien het trans-isomeer van polyisopreen.

Dit is een vroege en uitstekende illustratie van het belang van isomerie bij het bepalen van de eigenschappen van polymeren, een principe waar we veel gebruik van maken in de moderne polymeerchemie. Het cis-isomeer is amorf en zeer gevoelig voor temperatuurveranderingen. Dit maakt verknoping noodzakelijk om het materiaal bruikbaar te maken. Het trans-isomeer kan kristalliseren. Daarom heeft het, hoewel het dezelfde sub-ambient glasovergangstemperatuur heeft als het cis-isomeer, nuttige vaste eigenschappen boven kamertemperatuur.

Hoewel guttapercha een ander materiaal was dat al honderden jaren door inheemse culturen bekend was en werd gebruikt, werd het in de handen van de meer doelgerichte Europeanen snel aangenomen als isolatiemateriaal voor telegraafdraden onder water. In dit opzicht vertoonde het enkele overeenkomsten maar ook enkele belangrijke verschillen met het cis-isomeerrubber. De niet-polaire structuur van beide materialen maakt ze goede elektrische isolatoren. Maar de amorfe structuur van rubber, zelfs in zijn verknoopte vorm, resulteerde in een materiaal dat niet chemisch bestand was tegen zout water. Guttapercha had de gewenste elektrische eigenschappen, maar was tegelijkertijd bestand tegen zout water en vele andere chemicaliën. Dit principe van verbeterde chemische bestendigheid als gevolg van kristalliniteit is ook bekend in de wereld van polymeren en het maakte al heel vroeg in de geschiedenis van onze industrie nieuwe toepassingen mogelijk.

Dit brengt ook een ander zeer belangrijk aspect in beeld dat samenhangt met het gebruik van materialen:de relatie tussen de ontwikkeling van nieuwe chemie en de uitvinding van verwerkingsmethoden. Hoewel dit materiaal werd gebruikt om elektriciteitsdraad te coaten, werd de mogelijkheid om dit te doen mogelijk gemaakt door een zeer belangrijke uitvinding:de extruder.

In onze volgende aflevering gaan we verder met het verhaal van onze vooruitgang in de richting van Celluloid en de kruising met een andere zeer belangrijke ontwikkeling in verwerking.

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].