高分子材料の歴史をたどる：パート1
プラスチック業界に関連する特定の歴史的出来事について聞いたことがあるかどうかを尋ねる電子メールを定期的に受け取ります。多くの注目を集めている話の1つは、最初のプラスチックと呼ばれることが多い材料を作成したとされているアメリカの発明家、ジョンウェズリーハイアットに関する話です。この材料は、1869年にセルロイドの名前で特許を取得しました。最も注目を集めていると思われる話の一部は、1860年代初頭に象牙の不足と影響について懸念を抱いていたマスタービリヤードプレーヤーであるマイケルフェランによってハイアットが1万ドルの賞金を授与されたという事実です。これはビリヤードボールのコストにかかっていました。
この話はいくつかの理由で非常に魅力的です。第一に、それは、化学の天才によって作成された合成材料が、天然資源に由来する材料に置き換わり、改良されたという、私たちの業界に非常に深く根付いている考えを補強します。もう1つの要因は、賞金の額であり、今日ではほぼ20万ドルに相当します。
いつものように、セルロイドの発明の話ははるかに複雑で、以前の成果に大きく依存しています。そして、その導入には、材料自体よりもはるかに大きな影響を私たちの業界にもたらした別の注目すべき発明が伴いました。そして、合成材料の作成に関連する成果は主に科学の成果ですが、それらはビジネスの世界と絡み合っており、その結果、お金が関係しているため、弁護士と絡み合っています。この一連の記事は、私たちの業界の歴史と私たち全員がどのようにしてここにたどり着いたかについて、より目の肥えた振り返りを提供することに専念します。
合成材料の世界は、自然界に見られる材料の世界に触発されました。プロセス全体を開始したと思われる材料は、特定の木に由来し、化学的にポリイソプレンとして知られている物質である天然ゴムでした。異性体として知られる、分子内の原子の2つの異なる配置の化学構造が添付の画像に示されています。
<画像>16世紀と17世紀にカリブ海とメソアメリカを旅したヨーロッパの探検家は、この材料を使って固体のボールを作り、布地を防水にするために使用した文明を発見しました。今日私たちがエラストマー特性と呼ぶ材料で作られた固体ボールの存在は、革の膨らんだブラダーで作られたボールを経験しただけの北ヨーロッパの人々への啓示でした。これらすべての製品を製造したのはシス異性体でした。間もなくトランス異性体に到達します。
フランスの探検家は、1730年代にペルーに旅行したときに同様の資料に遭遇し、1751年までにこの新しい資料に関する最初の科学論文が発表されました。しかし、この時点では、材料の化学的性質はよく理解されていませんでした。特に、材料の特性に対する温度の影響は、ヨーロッパでの商業的使用に対する障壁を生み出しました。特定の標高での気温の変動が比較的小さかったメソアメリカの気候とは異なり、ヨーロッパでは冬から夏にかけての気温の変化がより顕著でした。低温では材料は硬くて脆くなり、夏の高温では材料は非常に柔らかくべたつくようになりました。 18 番目の の後半に製品を最もクリエイティブに使用する 世紀は紙からのシャープペンシルマークの消しゴムとしてでした。ゴムという名前は、この特定の品質に由来しています。
化学のこの時代の進歩は、主に試行錯誤によってもたらされた偶然の発見の問題でした。 1820年、非常に異なる分野の2人のビジネスマンが、まさにそのような事故を通じて、ポリイソプレンがナフサとテレビン油に可溶であることを独自に発見しました。溶けたゴムを綿に塗って防水服を作ることができます。天気が暑くなりすぎない限り、これはうまくいきました。すると、コーティングされた生地は粘着性になり、形が崩れます。
ポリイソプレンの使用に関する温度制限は、チャールズ・グッドイヤーが前任者と同じようにランダムな実験方法を使用して、最初に高温性能の問題に対処する2つの技術に出くわした、1830年代と40年代まで問題であり続けました。その後、3年後、低温での材料の特性を改善する、よりよく知られている加硫プロセス。グッドイヤーは、材料の性能を劇的に改善する架橋プロセスの背後にある化学的性質を理解していませんでした。加硫という用語でさえ、グッドイヤーのアプローチを理解し、グッドイヤーが米国で出願している間に英国で特許を申請した英国の競合他社によって造られました。
可塑剤と充填剤の添加による材料特性の変更であるゴム配合は、まだ数十年先にありました。しかし、ポリマーの世界の基盤は確立されていました。興味深いことに、メソアメリカの先住民は、数百年前に生のラテックスを吸うことによってゴムの特性を安定させる方法を学びました。おそらく、材料を架橋するために必要な硝酸塩と硫黄化合物を、あまり制御されていないが同等に効果的な方法で導入しました。
グッドイヤーと彼の英国の対応者との間の訴訟が1850年代に激怒したのと同時に、東南アジアで開業している英国の外科医は、世界のその地域の先住民が、その地域で育った木の1つから樹液を抽出しているのを観察しました。世界。お湯で柔らかくし、道具の柄や杖など、さまざまな便利なものに成形しました。樹液を生成した樹種にちなんでガッタパーチャと名付けられ、化学的にはポリイソプレンのトランス異性体です。
これは、ポリマーの特性を決定する際の異性化の重要性を示す初期の優れた例です。これは、現代の高分子化学で広く使用されている原理です。シス異性体はアモルファスであり、温度変化に非常に敏感です。これにより、材料が有用であるために架橋が必要になります。トランス異性体は結晶化することができます。したがって、シス異性体と同じ周囲下のガラス転移温度を持ちながら、室温以上で有用な固体特性を持ちます。
ガッタパーチャは、何百年もの間先住民の文化によって知られ、使用されてきたもう1つの材料でしたが、より目標志向のヨーロッパ人の手には、水中電信線の絶縁材料としてすぐに採用されました。この点で、それはいくつかの類似点を示したが、シス異性体ゴムとのいくつかの重要な違いも示した。両方の材料の無極性構造は、それらを優れた電気絶縁体にします。しかし、ゴムのアモルファス構造は、架橋された形であっても、塩水に対する化学的耐性に欠ける材料をもたらしました。ガッタパーチャは望ましい電気的特性を持っていましたが、同時に塩水や他の多くの化学物質に対して耐性がありました。結晶化度から生じる耐薬品性の向上というこの原理は、ポリマーの世界でもよく知られており、業界の歴史の非常に早い段階で新しいアプリケーションを可能にしました。
これはまた、材料の使用に関連する別の非常に重要な側面に焦点を当てます。それは、新しい化学の開発と処理方法の発明との関係です。この材料は電線のコーティングに使用されていましたが、その機能は非常に重要な発明である押出機によって可能になりました。
次回の記事では、セルロイドに向けた進捗状況と、処理における別の非常に重要な開発との交差点についての説明を続けます。
著者について：Mike Sepe は独立したグローバルな材料および処理コンサルタントであり、その会社であるMichael P. Sepe、LLCはアリゾナ州セドナに拠点を置いています。彼はプラスチック業界で40年以上の経験があり、材料の選択、製造可能性の設計、プロセスでクライアントを支援しています。最適化、トラブルシューティング、および障害分析。連絡先：（928）203-0408•[email protected]。
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