De geschiedenis van polymere materialen volgen:deel 7

Chemie op basis van cellulose was een van de belangrijkste fundamenten voor de geboorte van de polymeerindustrie. Maar zoals we eerder hebben besproken, waren de oorspronkelijke verbindingen op basis van cellulosenitraat licht ontvlambaar en zelfs explosief, waardoor het gebruik ervan werd beperkt. Toen scheikundigen oplossingen voor deze problemen ontdekten, breidde het het gebruik van deze scheikunde en de vormen uit waarin het materiaal kon worden gebruikt. Een van deze stoffen die een enorme impact had in de eerste helft van de 20 ^e eeuw was cellofaan.

De inspiratie voor cellofaan kwam van een Zwitserse chemicus, Jacques Brandenberger. Zoals het verhaal gaat, zag Brandenberger tijdens een diner in een restaurant in 1900 gemorste rode wijn vlekken op een wit tafelkleed en begon na te denken over het ontwikkelen van een beschermende coating. Het resulterende materiaal was gebaseerd op cellulosechemie en maakte gebruik van een vooruitgang die in 1892 was gekomen toen Charles Cross en Edward Bevan houtcellulose reageerden met bijtende soda en koolstofdisulfide om een ​​gouden viskeuze vloeistof te produceren die bekend werd als viscose. Terwijl het vroege werk met het materiaal artikelen produceerde die vergelijkbaar waren met die van celluloid, zoals kammen en handvatten, concentreerden Cross en Bevan zich op het maken van een bruikbare vezel voor de textielindustrie.

De eerste experimenten leverden een vezel op die te broos was om een ​​bruikbare vervanging voor natuurlijke vezels te zijn. Door een reeks gelukkige ongelukken werd echter ontdekt dat de viscositeit van het materiaal in de loop van de tijd toenam, een proces dat bekend werd als rijping. Dit resulteerde in een veel sterker en kneedbaar product dat gemakkelijk kon worden gesponnen en later bekend werd als rayon. Maar deze vorm van rayon, bekend als cellulosexanthaat, was veel minder ontvlambaar dan het cellulosenitraat dat werd gebruikt om de 'schoonmoederzijde' te maken die we in deel 3 van deze serie noemden.

Het was viscose dat Brandenberger koos als materiaal voor het coaten van katoenen stof om het vlekbestendig te maken. Hij ondervond ook de problemen met een constructie die erg stijf en broos was. Gedurende een aantal jaren werkte hij aan het maken van dunnere films van het cellulosexanthaat, met als uiteindelijk resultaat wat hij cellofaan noemde. Tegen 1913 had Brandenberger besloten dat het maken van de film een ​​betere zakelijke kans bood dan het produceren van een textielcoating, en hij had een machine ontwikkeld die lange delen van de transparante film in de gewenste dikte kon produceren.

Een materiaal dat een enorme impact maakte in de eerste helft van de 20 ^de eeuw was cellofaan.

Zich bewust van de ontvlambaarheidsproblemen die samenhangen met celluloidfilm voor filmisch gebruik, probeerde Brandenberger eerst celluloid op deze markt te vervangen door zijn cellofaan. Hij ontdekte echter al snel dat cellofaan bij hoge temperaturen erg vervormde en te taai was om de vorming van precieze tandwielgaten in de film mogelijk te maken.

Maar cellofaan bleek het ideale verpakkingsmateriaal. Transparant, lichtgewicht en sterk, het was veruit superieur aan een van de veelgebruikte verpakkingsmaterialen van die tijd, gelatine en aluminiumfolie. Oorspronkelijke producten verpakt in cellofaan waren parfums, stukken zeep en tandpasta's. Het doel van Brandenberger was om zich op de voedingsindustrie te richten, maar tijdens de Eerste Wereldoorlog werd veel productie omgeleid naar gasmaskers vanwege de ondoordringbaarheid van het materiaal voor gifgas, het nieuwe massavernietigingswapen. Het werd ook gebruikt als transparant chirurgisch verband voor wonden.

Na het einde van de Eerste Wereldoorlog werden de inspanningen om de consumentenmarkt uit te breiden hervat. Whitman's Chocolates had in 1912 al cellofaan gebruikt als verpakkingsmateriaal voor sommige van zijn chocolaatjes, maar toen het gebruik van het materiaal in het begin van de jaren twintig werd uitgebreid naar gebak en producten zoals tabak, werd het duidelijk dat, hoewel cellofaan een uitstekende barrière vormde tegen gif, gas, het was geen goede vochtbarrière.

Tijdens deze periode verkocht het Franse bedrijf, opgericht door Brandenberger, de rechten op cellofaan aan DuPont, en het was een chemicus bij DuPont die de oplossing voor het vochtbarrièreprobleem ontwikkelde. William Hale Charch creëerde een coating op basis, ironisch genoeg, op nitrocellulose. Het bevatte ook een weekmaker om de eigenschappen van de coating aan te passen, en een was die bijdroeg aan de vochtbarrière. Deze ontwikkeling, voltooid in 1927, duurde drie jaar en was het begin van een lange geschiedenis van chemische innovatie die uit DuPont voortkwam. Toen het probleem van de vochtbarrière eenmaal was opgelost, schoot het gebruik van cellofaan omhoog, waardoor het een van DuPonts meest succesvolle en bekende producten werd.

In dezelfde periode legde een andere vorm van chemisch gemodificeerde cellulose de basis voor de ontwikkeling van een van de vroege thermoplasten. Celluloseacetaat werd voor het eerst gesynthetiseerd in 1865 door de Franse chemicus Paul Schutzenberger, die cellulose liet reageren met azijnzuuranhydride. Hoewel celluloseacetaat in wezen een thermoplast is, zou het niet in de smelt kunnen worden verwerkt, aangezien de ontledingstemperatuur ervan lager is dan het verwekingspunt. Oplosbare vormen van celluloseacetaat werden echter in 1903 ontwikkeld door de Duitse chemici Arthur Eichengrun en Theodore Becker toen ze ontdekten dat het materiaal zou oplossen in aceton.

Een jaar later begonnen twee broers, Camille en Henri Dreyfus, te werken in een laboratorium in Bazel, Zwitserland. Hun aandacht ging naar celluloseacetaat en ze ontwikkelden een film die de minder ontvlambare vervanger voor celluloidfilm werd die cellofaan niet had geleverd. Ze creëerden ook een lak die bekend staat als dope en die werd gebruikt om de vliegtuigen van stof en hout van die tijd te coaten, waardoor ze bestand waren tegen de effecten van vocht en vuur. In 1913, net toen het proces voor het maken van cellofaan werd geperfectioneerd, richtten de gebroeders Dreyfus de Cellonit Company op om zowel hun film als de lakken te maken op basis van celluloseacetaat.

Duidelijke handgrepen van schroevendraaiers zijn tot op de dag van vandaag gegoten uit CAB.

Ze waren net begonnen met het ontwikkelen van een proces voor het maken van een vezel van acetaat toen de Eerste Wereldoorlog al hun inspanningen verlegde naar het maken van de celluloseacetaatlakken. Hiervoor richtten ze een fabriek op in Derbyshire, Engeland. Tijdens de oorlog ging Camille Dreyfus op verzoek van de Amerikaanse regering naar de Verenigde Staten om er een cellulosefabriek op te richten. Na het einde van de oorlog hervatten de gebroeders Dreyfus hun ontwikkeling van een acetaatvezel die ze celanese noemden, en de naam van het Britse bedrijf werd in 1923 veranderd in British Celanese. In 1927 kocht het Amerikaanse bedrijf dat Dreyfus had opgericht, Amcelle, de Celluloid Company of Newark, New Jersey en het bedrijf werd omgedoopt tot Celanese Corporation of America.

In 1931 werd bij Celanese een in de smelt verwerkbare versie van celluloseacetaat ontwikkeld door dezelfde klasse chemicaliën op te nemen als weekmakers die Waldo Semon vijf jaar eerder had gebruikt om verwerkingsproblemen met PVC op te lossen. In hetzelfde jaar werd ontdekt dat door het merendeel van het azijnzuuranhydride te vervangen door propionzuur het mogelijk was om celluloseacetaatpropionaat (CAP) te maken, een verbinding die slagvaster was en minder weekmaker nodig had om het smeltverwerkbaar te maken. Verdere verbeteringen werden aangebracht in 1938 toen boterzuur werd gebruikt in de reactie om celluloseacetaatbutyraat (CAB) te produceren. Dit materiaal vertoonde niet alleen een verbeterde taaiheid, maar had ook een hogere hittebestendigheid dan die van CA en CAP.

Celanese heeft een lange en rijke geschiedenis in de wereld van polymeren en een aantal soorten celluloseacetaat maken nog steeds deel uit van het aanbod. Maar het bedrijf dat een breed aanbod in cellulose heeft, draagt ​​de naam van een andere pionier uit het tijdperk van de vroege ontwikkeling van cellulose, Eastman. Misschien wel de bekendste toepassing die tot op de dag van vandaag voortduurt, is de doorzichtige schroevendraaierhandgreep.

Maar cellulose blijft een belangrijke bijdrage leveren aan de wereld van coatings, verven en lakken. De materialen worden in vezelvorm gebruikt voor kleding en gordijnen en het zijn de materialen bij uitstek voor sigarettenfilters. Brilmonturen worden nog steeds gemaakt van cellulose. In een minder op prestatie gebaseerde ader, zijn award linten bijna uitsluitend gemaakt van celluloseacetaat, en veel speelkaarten gebruiken nog steeds het materiaal. Legoblokjes, nu gemaakt van ABS, werden oorspronkelijk gevormd uit celluloseacetaat. En voor degenen die nog steeds presentaties geven op een overheadprojector:u gebruikt waarschijnlijk materiaal op basis van cellulose voor uw dia's.

Cellulose heeft een groot deel van zijn marktaandeel verloren aan andere materialen. Cellofaan werd grotendeels vervangen door polyethyleen, polypropyleen, PVC en polyvinylideenchloride (PVdC), een ander polymeer dat begin jaren dertig per ongeluk werd ontdekt, dit keer bij Dow Chemical. Celluloseacetaatvezel werd vervangen door nylon en polyester. Interessant is dat nu de kunststofindustrie zich richt op duurzaamheid en een circulaire economie, een polymeer dat kan worden afgeleid van alles dat cellulose bevat, een nieuw niveau van aandacht begint te krijgen. In een tijdperk waarin onderzoekers polymeren proberen te maken van alles wat een biologische stamboom heeft, zal het interessant zijn om te zien of we terugkeren naar onze roots.

In hetzelfde jaar dat William Hale Charch het vochtbarrièreprobleem van cellofaan oploste, werd door DuPont een andere chemicus ingehuurd om basismateriaalonderzoek te doen. Hij zou een team leiden dat uiteindelijk de chemie zou ontwikkelen die verband houdt met de eerste legitieme technische thermoplast. Dat deel van het verhaal zal het onderwerp zijn van onze volgende aflevering.

OVER DE AUTEUR:Michael Sepe is een onafhankelijke materiaal- en verwerkingsadviseur gevestigd in Sedona, Arizona, met klanten in Noord-Amerika, Europa en Azië. Hij heeft meer dan 45 jaar ervaring in de kunststofindustrie en staat klanten bij met materiaalkeuze, ontwerpen voor maakbaarheid, procesoptimalisatie, troubleshooting en storingsanalyse. Contactpersoon:(928) 203-0408 •[email protected]