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.
