高分子材料の歴史をたどる：パート5

技術開発の歴史のレビューは、ブレークスルーが真空中では起こらないことを示しています。さまざまな貢献者が小さな一歩を踏み出し、それが他の人によって進められます。フェノールのような発明が最終的な形でまとめられると、その創造は長い一連の出来事を通してたどることができます。また、複数の人が同じ考えを持っていることも事実であり、歴史を覚えている人は、パズルの最後のピースを配置したことで最初に正式に認められ、技術的に実現可能で経済的に実行可能な開発を実現する人であることがよくあります。

米国のレオ・ベークランドがフェノール化学となるものの調査を開始する前に、アーサー・スミ​​スは1899年に英国の特許を取得しました。これは、有用なフェノールを製造するために最初に発行された特許です。しかし、90〜100℃の温度で硬化するのに数日を要し、その過程で歪んだ。 Baekelandがフェノールとホルムアルデヒドの間の反応の改善に取り組んでいるのと同時に、ドイツの化学者であるCarl Heinrich Meyerは、フェノールとホルムアルデヒドの間の酸触媒反応を生成しましたが、その使用はラッカーと接着剤に限定されていました。

アドルフ・ルフトというオーストリアの化学者が同じ問題に取り組んでいました。しかし、Luftが思いついた化合物は、溶媒として樟脳を使用しており、非常に脆いものでした。英国の電気技師、ジェームズ・スウィンバーンは、この欠点を修正する溶剤を見つけるために3年間働き、最終的に解決策として苛性ソーダを思​​いつきました。彼は英国の特許庁に到着するのが少し遅すぎて、フェノール類の作成で記憶に残っている歴史上の人物になることはできませんでした。実際、ベークランドは彼に1日先行していました。

ライバルと潜在的な敵対者であるが、スインバンが米国に工場を設立したときにベークランドが最初に特許訴訟を脅かした後、ベークランドとスウィンバーンは協力することになった。実際、ベークランドは特許訴訟の脅威の組み合わせを通じて市場で支配的な地位を維持することができた。第一次世界大戦中にスウィンバーンや他の人々に彼の特許の使用を許可し、最終的には彼の特許が失効する直前の1920年代後半に多くの競合他社を買収しました。

BaekelandとSwinburneがフェノール類の製造プロセスにたどり着いたルートは、縮合重合反応を制御することの難しさを反映していました。凝縮重合は通常、所望の反応を妨げる可能性のある望ましくない副生成物を生成するため、除去または抑制する必要があります。化学反応のこの側面を管理する問題は、ドイツの化学者アドルフフォンバイヤーの経験によって劇的に説明されました。ベークランドは主にインディゴの合成で有名であり、1905年にノーベル化学賞を受賞しました。また、先月のコラムで言及された有名な化学者であるアウグストケクレの弟子でもあり、その助手は博士号を通じてベークランドを指導しました。 Baeyerは、1872年にフェノールとホルムアルデヒドの化学反応を調査した最初の人物であると信じられています。激しい化学反応により、樹脂のタール状の固体が生成され、Baeyerはその組成を分析できなかったため廃棄しました。

25年後にバイエルンの化学者アドルフ・シュピテラーが偶然発見した別の発見がなかったら、それはホルムアルデヒドベースのポリマーの道の終わりだったかもしれません。シュピッテラーの研究室に住んでいた猫が、ホルムアルデヒドの水溶液が入っているボトルを倒し、中身をミルクの受け皿にこぼしました。シュピッテラーは、ミルクがすぐに固まって固い化合物になり、セルロイドと同様の特性を持っているように見えることを観察しました。この材料を生成した化学反応は、ホルムアルデヒドによるカゼインとして知られているタンパク質の混合物の架橋を含み、ポリマーはカゼインとして知られるようになりました。ホルムアルデヒドがカゼインを水に不溶性にするという発見は、実際には4年前の1893年にフランスの化学者AlfredTrillatによってなされました。しかし、歴史的な功績は、シュピッテラーと非化学者の協力者であるウィルヘルムクリシェにあります。

クリッシェは、洗える白い筆記板を作るために使用できる材料を探していました。彼はすでにカゼインを使ってみましたが、最初はうまくいきましたが、ホワイトボードを水で初めて拭いたときにカゼインが柔らかくなりました。架橋された材料はこの問題を解決し、市場は非常に重要だったため、SpittelerとKrischeはカゼインと関連製品を製造する会社を設立しました。 Trillatは、彼の研究から生まれた製品を製造するようにフランスの会社を説得しようとしましたが、彼は必要な関心を生み出すことができませんでした。ドイツの会社の成功は、カゼインをさまざまな形に簡単に製造できるという認識と相まって、競合するフランスの事業の遅れた設立を促しました。

市販の製品はガラリス（ギリシャ語で「ミルクストーン」）と名付けられました。この資料は1900年のパリ万国博覧会で展示され、1906年に特許を取得しました。ドイツとフランスの企業が権利を求めて訴訟を起こしたという歴史的な情報はありません。カゼインは、櫛やナイフの柄など、セルロイドを使用した多くの製品に採用されましたが、どちらも、主にファッション業界でボタン、バックル、ジュエリーを製造するために、成長する市場に対応するための素材を製造しました。フェノール類が登場する前は、電気絶縁体の製造にも使用されていました。

その成功のすべて、そしてそれがフェノールに10年以上先行したという事実のために、カゼインはまだゴムやセルロイドと同じ静脈の材料であり、天然に存在する材料の修飾であり、真の合成製品ではありませんでした。ただし、アルファ、ベータ、カッパカゼインからなるタンパク質はすでに分子量が20,000〜25,000 g / moleのポリマーであるため、フェノールよりも製造がはるかに簡単でした。フェノールの分子量はわずか94であり、架橋前にプレポリマーを形成する必要があります。

ちなみに、プラスチック業界に15年以上携わっている人は、ゼネラルエレクトリックがプラスチック材料部門を持っていた時期を覚えています。 GEプラスチックの歴史について尋ねられると、私たちのほとんどの古いタイマーでさえ、1950年代半ばのポリカーボネートの出現を指摘するでしょう。その開発の話は、1990年代の日曜日の朝のニュース番組で多く実行され、夜中に猫が実験室を歩いていることを示したコマーシャルで語られました。猫がボトルをノックオーバーすると、朝、科学者、おそらくダンフォックスが研究室にやって来て、透明な材料の塊を見つけ、沸騰したお湯、炎、ハンマーにさらします。これらはすべて、完全性に影響を与えません。材料の。

ポリカーボネートがそれらの偶然の発見の1つであったことは事実ですが、猫はいませんでした。 GEの優秀なマーケターは、コマーシャルのためにシュピッテラーの猫の話を借りていました。しかし、ポリカーボネートはGEプラスチック部門によって製造された最初の製品ではありませんでした。むしろ、それはフェノール性でした。 GEのコアコンピタンスは、フェノールが最初にその地位を確立した電気業界にあったことを忘れないでください。 GEは、ベークランドの特許が失効した後、1920年代後半にフェノール化学の進歩を開始し、1980年代初頭までGenalという商品名で材料を販売しました。

カゼイン-ホルムアルデヒド化学の成功は、ベークランドがフェノール樹脂で画期的な進歩を遂げる前に起こりました。しかし、この成功が、バイヤーの初期の実験への関心を再燃させました。そして、数人の化学者がこの新しい化学に同時に取り組んでいる間、材料の生成に伴う凝縮反応からの副生成物の生成に関連するかなりの爆発力を制御するシステムを考案したのはベークランドでした。初期の実験者は、温度を下げて物事を遅くすることによって反応を制御しようとしましたが、しばらくの間、ベークランドは同じ戦略に従いました。彼のブレークスルーは、彼が反対のアプローチを試みたときに起こりました。温度を上げ、圧力容器、前述のバケライザーでそれを実行することによって、結果として生じるより速い反応を制御しました。

フェノール重合の複雑さは、ライセンスを付与することによって彼のお金を稼ぐのではなく、ビジネスの生産側に入るというベークランドの決定に貢献しました。このプロセスは、化学のバックグラウンドを持たないメーカーにとっては複雑すぎました。バケライザーは、OSHAの検査に決して合格しないものでした。電力を必要とする攪拌機が含まれていました。しかし、その時点では、初期の電力網はベークランドの地域に到達していませんでした。そこで、彼は蒸気機関を購入し、実験室の一角に設置された石炭焚きボイラーを使用して蒸気をエンジンに供給しました。次に、蒸気は樹脂製造が行われたガレージにパイプで送られました。 1909年3月に火災によりガレージの大部分が焼失し、ベークランドはニュージャージー州パースアンボイの化学工場に移転しました。ここには主要なホルムアルデヒドメーカーがありました。

最初の完全合成ポリマーは電気絶縁体でその地位を確立しましたが、次の30年の間に、家電製品、事務機器、通信、自動車、航空機、兵器、さらには兵器を含むさまざまな市場にその影響力を拡大しました。バスルームの備品やペンバレルのより些細な領域。フェノールの成形性は、プラスチック設計の分野を生み出しました。また、尿素やメラミンなど、ホルムアルデヒドとの架橋に基づく他の化学物質を育成しました。これらの材料は、より簡単に着色され、トラッキングとして知られる電流の長期的な影響に対する耐性が優れていました。

最初の合成ポリマーは熱硬化性樹脂であり、それらは何十年にもわたってプラスチック業界を支配していました。これは、今日の業界の状況とはかけ離れています。しかし、熱可塑性プラスチックの侵入はすでに始まっており、1930年代から物事を大きく変えるでしょう。次に、ストーリーのその部分に注意を向けます。

著者について：Michael Sepe アリゾナ州セドナを拠点とする独立した材料および加工コンサルタントであり、北米、ヨーロッパ、およびアジアにクライアントがいます。彼はプラスチック業界で45年以上の経験があり、材料の選択、製造可能性の設計、プロセスの最適化、トラブルシューティング、および故障分析でクライアントを支援しています。連絡先：（928）203-0408•[email protected]