高分子材料の進化を辿る：19世紀の先駆的イノベーション（第2部）

19世紀半ば、材料の世界は変革的ブレークスルーの波を経験しました。1846年という単一年のうちに、グタペルカが電信絶縁体に採用され、ビクトリア女王の馬車用ゴムタイヤが製造され、アレキサンダー・パークスが常温硫化技術を改良し、クリスチャン・フリードリヒ・シェーンバインの偶発的実験が、後にガンコットンとなる爆発性材料の開発を引き起こしました。

バーゼル大学化学教授シェーンバインはオゾンを発見し、硝酸-硫酸混合物の酸化力を認識しました。キッチンでこの溶液を蒸留中、綿エプロンにこぼれて即座に発火。その結果生じた硝酸セルロース（通称ガンコットン）は、欧州とロシアで短期間ながら激しい軍拡競争を引き起こし、特許出願とリバースエンジニアリングが相次ぎました。この材料の極端な揮発性は壮観な事故を招き、最終的には禁止と実験の衰退を招きました。

この混乱の中で、セルロース硝酸エステルを研究하던研究者たちは、エーテルとアルコールの混合物に溶解するとコロジオンと呼ばれる物質が生成されることを発見。乾燥するとコロジオンは強靭で透明なフィルムになり、ワニス、防水コーティング、成形可能な固体として機能しました。ゴムやグタペルカに似た特性を持ちながら、より低コストを約束していました。

常温硫化を先駆けたアレキサンダー・パークスは、この成形可能材料を1856年に「パークジン」として特許取得。1862年ロンドン万国博覧会でデビューし銅メダル獲得。パークジンはビリヤードボールなど多様な製品を披露しましたが、商業的成功には至りませんでした。コロジオン製造に必要な高コスト溶剤、パークスの劣質綿廃棄物使用と過剰なピマ油可塑剤により、寸法安定性に欠け、ロット間変動が深刻でした。

同時期、ビリヤードチャンピオンのマイケル・フェランが、ビリヤードボールの象牙代替材料に1万ドルの懸賞金を提示。この挑戦に興味を持った印刷業者ジョン・ウェスリー・ハイアットは、布、木材、紙の複合材をシェラック、象牙、骨粉でコーティングする実験を開始。1865年特許の模造象牙ボールは不満足で、1868年に紙と木材パルプの高熱高圧処理混合物で特許取得。

創傷ケアと印刷業界で使用されていたコロジオンへの造詣がハイアットにとって決定的でした。こぼれたコロジオン瓶が硬いフィルムを残し、ビリヤードボールのコーティングに着想。反復改良でコロジオンの粘度を高め、1869年には熱と圧力で木製コアを被覆できる化合物を生産。このブレークスルーで改良ビリヤードボール特許を取得、後にセルロイドとして知られるようになりました。

セルロイドはビリヤードボールで商業生産されずフェランの賞金も獲得しませんでしたが、ハイアットの仕事は将来の進歩の舞台を整えました。パークスの特許を再検討し、カンファー単独を可塑剤として用いるとコロジオンが完全に成形可能になることを発見。この洞察でパークスのコロジオンを汎用材料「セルロイド」に変え、カンファー含有量で特性を調整可能にしました。

並行してイギリスでは、パークスのパートナー、ダニエル・スピルが失敗した事業を引き継ぎ、カンファー系材料を「キシロナイト」と命名。続く特許紛争は1877〜1884年に及び、最終的にパークスをオリジナル発明者と認め、セルロイド製品の継続製造を許可しました。

次回コラムでは、セルロイドの用途拡大と、現代製造を形作る新たなプラスチック加工技術の誕生を辿ります。

著者について：マイク・セペ氏は、アリゾナ州セドナ拠点の独立系グローバル材料・加工コンサルタント。プラスチック業界40年以上の経験で、材料選定、製造のための設計、プロセス最適化、トラブルシューティング、故障解析をアドバイス。連絡先：(928) 203-0408 ・ mike@thematerialanalyst.com.