История полимерных материалов. Часть 2

Майк Сепе
09.04.2021 232

Изобретение целлулоида открыло двери для будущих инноваций в материалах и обработке.

Для человека, живущего в середине XIX века и занимающегося материалами, это, вероятно, было время революционных открытий. Всего за один 1846 год гуттаперчу стали использовать в изоляции телеграфных проводов, о которых говорилось в статье в прошлом месяце; резиновые шины изготавливались для кареты королевы Виктории; Александр Паркс открыл метод вулканизации каучука при комнатной температуре; случайный, но достойный внимания эксперимент положил начало технологическому прорыву, который привел к созданию материала для бильярдного шара Джона Хайата.

Этот эксперимент провел профессор химии, преподававший в Базельском университете в Швейцарии, Кристиан Фридрих Шенбейн. За несколько лет до этого он открыл озон и узнал, что смесь азотной и серной кислот является превосходным окислителем. Однажды, перегоняя эту смесь кислот у себя на кухне, он опрокинул сосуд и быстро вытер стол первым, что попалось под руку, хлопковым фартуком. Когда он попытался высушить фартук, подвесив его над раскаленной печью, тот внезапно вспыхнул и сгорел. Так впервые была получена нитроцеллюлоза, также известная как пироксилин, что привело к ряду изобретений, в основе которых лежала эта модификация целлюлозы.

Открытие пироксилина положило начало своего рода «гонке вооружений» 1840-х годов, когда подавались заявки на патенты, а разные страны, стремясь избежать лицензионных платежей, пытались переконструировать изобретения и раскрыть их технологические секреты. Крайне высокая летучесть материала привела к нескольким заметным несчастным случаям как в Европе, так и в России, в конце 1840-х годов, из-за чего последующие разработки были запрещены, а интерес к проведению дальнейших экспериментов пропал.

Открытие пироксилина положило начало своего рода «гонке вооружений» в 1840-х годах.

Однако в то время в одной из лабораторий, где проводились эксперименты с нитратом целлюлозы, обнаружили, что его можно растворить в смеси эфира и спирта и получить вещество, которое было названо коллодий. Высыхая, материал становился твердым и прозрачным и мог служить в качестве лака, водонепроницаемого покрытия или тонкой пленки. Он также демонстрировал потенциал как формуемое твердое вещество. Во многих отношениях он проявлял те же свойства, что и каучук и гуттаперча, но при этом стоил дешевле.

Александр Паркс, тот самый, что разработал процесс холодной вулканизации, получил патент на этот пластический материал в 1856 году. Под названием паркезин его продемонстрировали на Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Материал, получивший на выставке бронзовую медаль, был представлен в виде множества различных изделий, и на него возлагали большие надежды. Из него даже изготовили бильярдный шар, что предвосхитило более известную разработку, которая появится только в конце десятилетия. Паркс использовал различные растительные масла в качестве добавки, которую сегодня бы назвали пластификатором, чтобы получить необходимое сочетание свойств.

Назначенная награда тому, кто предложит новый материал для бильярдного шара на замену слоновой кости, породила волну разработок в области пластмасс и их обработки.

Однако предполагаемое снижение стоимости так и не произошло. Растворители, используемые при производстве коллодия для других его применений (в медицине и фотографии), оказались слишком дорогостоящими для массового производства пластичного материала, предназначенного для более конкурентных рынков. Пытаясь сделать материал более конкурентоспособным, Паркс начал использовать низкокачественные хлопчатобумажные отходы для получения целлюлозы и добавлял так много пластификатора из касторового масла, что материал терял свои механические свойства, а изделия из него не обладали стабильностью размеров. Изделия демонстрировали нестабильность от партии к партии, что в итоге поставило крест на всем предприятии. Однако это изобретение считается первым искусственным пластиком. Оно проложило дорогу для разработок, которые привели к появлению детища Хайата.

В то же самое время Майкл Фелан, известный игрок на бильярде, упомянутый в статье в прошлом месяце, предложил награду в размере 10 тысяч долларов тому, кто представит бильярдный шар из материала, который станет достойной заменой слоновой кости. Фелан также изобрел материал для бортов бильярдного стола из резины и владел долей в компании по производству бильярдных столов. Он прекрасно знал, что дефицит слоновой кости угрожал распространению набиравшей популярность игры. Печатника Джона Уэсли Хайата привлекала перспектива получить объявленную награду, и он начал экспериментировать с различными методами изготовления бильярдных шаров.

Первые варианты состояли из ткани, дерева и бумаги, удерживаемых вместе различными клеями, лаками, шеллаками и другими адгезивами. Хайат получил свой первый патент на имитацию шара из слоновой кости в 1865 году; тот был изготовлен из льняной ткани, покрытой шеллаком и костной мукой и обработан под воздействием температуры и давления. Это изделие не стало адекватной заменой слоновой кости, поэтому Хайат продолжил экспериментировать и в 1868 году получил второй патент на материал из бумаги и древесной массы в сочетании с шеллаком, который также обрабатывался при высокой температуре и давлении.

Хайат должен был знать о коллодии, поскольку его широко применяли для заживления ран и использовали в печатной промышленности для защиты пальцев работников от ссадин. Еще одна счастливая случайность произошла, когда Хайат обнаружил немного коллодия, пролившегося из бутылки и образовавшего твердую пленку. Он начал покрывать свои новейшие бильярдные шары, окуная их в коллодий. Хайат столкнулся с теми же проблемами, которые не позволили Парксу создать твердый пластичный материал. Он продолжил работать над повышением вязкости материала и получил состав, который можно было формовать вокруг деревянной сердцевины при высокой температуре и давлении. На этот усовершенствованный метод изготовления бильярдных шаров он получил очередной патент в апреле 1869 года.

Хайат нашел способ превращения целлулоида в пластичную массу, используя камфору в качестве пластификатора.

В конечном итоге изобретение получило название целлулоид и обрело известность как материал, созданный Хайатом на замену слоновой кости, хотя название придумали лишь спустя три года. Что интересно, бильярдные шары из целлулоида никогда не производились в промышленном масштабе и так и не были переданы Фелану за награду в 10 тысяч долларов. Хайат продолжал биться над проблемой бильярдных шаров и в начале XX века, так и не достигнув желаемой цели создать идеальную замену слоновой кости. В первом десятилетии 1900-х годов успеха добился изобретатель, который родился в то время, когда Хайат начинал свои эксперименты, и чья карьера занимательным образом пересекалась с карьерой Хайата.

Изучая старые патенты Паркса, Хайат нашел способ превращения целлулоида в пластичную массу, используя камфору в качестве пластификатора. Паркс использовал камфору, но только в сочетании с другими растворителями. Сосредоточив внимание на камфоре и продолжая применять в своей работе высокое давление и температуру, Хайат превратил коллодий Паркса в универсальный материал, обладающий свойствами каучука и гуттаперчи, просто варьируя количество камфоры, которую добавлял в смесь.

В то время как Хайат совершенствовал бильярдные шары в Соединенных Штатах, партнер Александра Паркса по имени Дэниел Спилл перенял прогоревшее предприятие Паркса в Англии и также обнаружил важность камфоры при изготовлении пластичного материала, который назвал ксилонит. Параллельные изобретения привели к неизбежному патентному спору, который разрешался в суде с 1877 по 1884 годы. В результате было принято решение, что изобретения Спилла и Хайата основаны на работах Паркса, которого и назвали первым изобретателем этого материала. Также было объявлено, что производство изделий из целлулоида могут продолжаться.

В следующей статье мы расскажем о дальнейшей судьбе целлулоида и о том, как его стали применять в самых разных формах, что привело к созданию другого важного метода обработки пластмасс.

Об авторе:

Майк Сепе — независимый консультант по вопросам материаловедения и обработки материалов; его компания Michael P. Sepe, LLC, базируется в Седоне, штат Аризона. За его плечами больше 40 лет опыта работы в индустрии пластмасс и помощи клиентам с выбором материалов, планированием производства, оптимизацией процессов, устранением неисправностей и анализом отказов.

Контактная информация: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

TIGITAL® 3D Materials: революционное аддитивное производство
TIGITAL® 3D Materials: революционное аддитивное производство
Компания TIGER Coatings выпустила линейку TIGITAL® 3D Materials – новые термореактивные материалы для систем селективного…
Барис Кайнак
26.10.2020
108
История полимерных материалов. Часть 3
История полимерных материалов. Часть 3
В этой серии статей мы обратимся к прошлому, к истории нашей отрасли и узнаем, как…
Майк Сепе
21.04.2021
199
Rosmould | Rosplast 2022 пройдут в Москве 7-9 июня 2022 года 
Rosmould | Rosplast 2022 пройдут в Москве 7-9 июня 2022 года 
Совсем скоро в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут главные российские выставки в области промышленного…
26.05.2022
314
14-я международная специализированная выставка «ПОЛИУРЕТАНЭКС»
14-я международная специализированная выставка «ПОЛИУРЕТАНЭКС»
С 28 по 30 марта 2023 года Выставочная Компания «Мир-Экспо» проводит 14-ю международную специализированную выставку…
01.11.2022
31
Преимущества УФ-отверждаемых покрытий для пластмасс
Преимущества УФ-отверждаемых покрытий для пластмасс
Пластмассы все больше используются в нашей повседневной жизни.
Пол Геверт
12.08.2020
188
Ждем вас на ведущих отраслевых выставках Rosmould | Rosplast 2022!
Ждем вас на ведущих отраслевых выставках Rosmould | Rosplast 2022!
7 – 9 июня 2022 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут ведущие отраслевые…
01.06.2022
230
Поверхностные свойства покрытия после плазменного электролитического оксидирования
Поверхностные свойства покрытия после плазменного электролитического оксидирования
В новой статье дается всесторонний обзор поверхностных свойств покрытия, модифицированного полимерными материалами, после плазменного электролитического…
31.10.2022
28
«Низкоуглеродистые» вторичные полимеры, предназначенные для повышения энергоэффективности пластмасс
«Низкоуглеродистые» вторичные полимеры, предназначенные для повышения энергоэффективности пластмасс
Компания Total Energies запустила RE: clic, новую линейку низкоуглеродистых вторичных полимеров, что направлено на сокращение…
08.11.2022
19
Решения ваших производственных задач на Rosmould | Rosplast 2022
Решения ваших производственных задач на Rosmould | Rosplast 2022
Напоминаем, что с 7 по 9 июня 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут ключевые…
18.04.2022
170