De geschiedenis van gechlorde polymeren: de opkomst van PVC, Neopreen en PVDC

In de jaren 1920 en vroege 1930s introduceerde de snelle evolutie van synthetische polymeren een nieuwe klasse materialen gegrondvest in chloorchemie. De vroegste bewijzen van PVC "synthese" dateren uit de mid-1830s, toen Justus von Liebig en zijn student, Henri Victor Regnault, voor het eerst vinylchloride produceerden - het monomeer dat later de ruggengraat van PVC zou worden. Hoewel geen van de chemici bedoelde om polymeren te creëren, markeerde Regnault's observatie in 1838 van een wit poeder dat gevormd was in een vat met vinylchloride de toevallige geboorte van PVC. Het materiaal werd "ontdekt" opnieuw in 1872, wat zijn ontluikende aard benadrukte.

Commerciële pogingen om PVC te exploiteren in de vroege 20e eeuw strandden vanwege de slechte thermische stabiliteit. Waldo Semon van B.F. Goodrich lost dit op door plastificatiemiddelen te vinden die PVC's verzachtingtemperatuur verlaagden, wat een smal maar haalbaar venster voor smeltverwerking opende. Door het type en de hoeveelheid plastificatiemiddel te variëren, konden fabricanten PVC van rigide naar flexibel afstemmen, wat de polymere bemerkenswaardige veelzijdigheid gaf.

In 1930 schakelde DuPont's onderzoeksdirecteur, Elmer Bolton, over naar acetyleen-chemie, converterend vinylacetyleen in chloropreen - Neopreen's monomeer - door te reageren met waterstofchloride. In 1931 had DuPont de patenten verworven van Dr. Julius Nieuwland van Notre Dame en chloropreen gepolymeriseerd, wat de eerste echte synthetische rubber produceerde. Neopreen's eigenschappen konden ook fijn-afgesteld worden met plastificatiemiddelen, gebruikmakend van dezelfde chemie die PVC had gerevolutioneerd.

Twee jaar later ontdekte een labmedewerker bij Dow Chemical per ongeluk polyvinylideenchloride (PVDC). Chemisch vergelijkbaar met PVC maar met een hogere chloorinhoud, bood PVDC superieure barrière, chemische en vlamvertragende eigenschappen. Ralph Wiley noteerde eerst PVDC's weerstand tegen reinigingsmiddelen tijdens werk aan perchlooretheen. Herkennend zijn potentieel als vochtbarrière-coating, stuurde Wiley het bedrijf naar filmtoepassingen. Na zes jaar verfijning - inclusief verwijdering van een groene tint en onaangename geur - werd PVDC in 1942 geadopteerd als beschermende film voor militair materieel. Hoewel Dow's president, Willard Dow, in 1943 overwoog PVDC te staken, overtuigden Wiley's patenten het bedrijf om door te gaan, wat leidde tot de iconische Saran-bubbelfilm. Saran werd de go-to wrap voor militair materieel, en na de oorlog bracht een klein bedrijfs voedselwrap-product het merk uiteindelijk terug onder Dew's paraplu in 1948.

Na PVC, Neopreen en PVDC, duikte gechlorde polyetheen (CPE) op. In tegenstelling tot de anderen, wordt CPE geproduceerd door chlering van pre-gepolymeriseerde polyetheen, waarbij waterstofatomen met chloor langs de ruggengraat worden vervangen. Afhankelijk van de basispolyetheen (LDPE vs HDPE) en chloorinhoud, kan CPE zich gedragen als thermoplastische, thermoplastische elastomeer, of rigide polymere. Het 1939-patent van Eric Fawcett - die ook half polyethylene uitvond - legde de basis voor gechlorde polyolefinen, inclusief gechlorde polypropyleen. Wanneer na polymerisatie gechloreerd, wordt PVC zelf gechloreerd PVC (CPVC), wat de glas-uitgangstemperatuur verhoogt van ~80 °C tot 110 °C en de hittebestendigheid verbetert.

Chloor verleent diverse wenselijke attributen aan deze materialen: uitzonderlijke barrière-eigenschappen (bijv. Saran's zuurstofbarrière overstijgt LDPE met meer dan 3.000x), hoge chemische weerstand, en inherent vlamvertragend. Bijvoorbeeld, Neopreen kan 99,9% van deeltjes groter dan 0,1 µm filteren - wat de grootte van een gemiddeld coronavirus (≈0,125 µm) overtreft. Echter, chloor introduceert ook uitdagingen: smalle verwerkingsvensters, corroderende bijproducten die beschermende tooling vereisen, en milieukwesties zoals dioxinevorming bij verbranding van PVC.

In 2004 veranderde S.C. Johnson Saran Wrap's samenstelling van PVDC naar polyetheen om milieueffecten te verminderen. Het nieuwe materiaal is lichter, goedkoper en eenvoudiger te produceren, maar mist de zelf-hechtende adhesie en superieure barrièreprestaties van het originele PVDC. Regulatorische aandacht strekt zich nu uit naar gehalogeneerde vlamvertragers, toch blijft Neopreen in breed gebruik - van laptophouder tot haute couture kleding - wat de complexe publieke perceptie van kunststoffen illustreert.

Ondanks controverse, hebben chloor-bevattende polymeren bijna een eeuw volgehouden. PVC blijft de werelds derde meest geconsumeerde polymere, dankzij de eigenschappen die chloor verleiht. Naarmate de industrie alternatieven verkent, zullen gefluoreerde polymeren de volgende focus zijn.

OVER DE AUTEUR: Michael Sepe is een onafhankelijke materialen- en verwerkingsconsultant gevestigd in Sedona, Ariz., met klanten in Noord-Amerika, Europa en Azië. Met meer dan 45 jaar ervaring in de kunststofindustrie, adviseert hij over materiaalselectie, fabricagebaarheid, procesoptimalisatie, troubleshooting en falingsanalyse. Contact: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com