В этой серии статей мы обратимся к прошлому, к истории нашей отрасли и узнаем, как она развивалась.
Пластичный материал, созданный Джоном Уэсли Хайатом, первый настоящий термопластик, был основан на ртутьсодержащем нитрате целлюлозы. Применение этого материала, воспламеняющегося и иногда взрывоопасного, скажем, для изготовления бильярдных шаров, представляло очевидные трудности. При столкновении шаров слышался звук, похожий на пистолетный выстрел, что было весьма нежелательно во время игры в бильярд в салунах запада, где у всех было при себе оружие. Добавление камфоры (предпочтительного растворителя для регулирования механических свойств материала) никак не снизило опасность, связанную с ним.
Однако Хайат и его брат Исайя понимали, что у нового материала есть потенциал, чтобы стать альтернативой резине. За 50 лет, прошедших между тем, как натуральный каучук был впервые растворен в растворителях и использован в производстве водонепроницаемой ткани, и моментом изобретения целлулоида, простой интерес к резине стремительно перерос в развитие нового рынка.
В 1822 году мировой спрос на резину составлял 31 тонну; к 1870 он увеличился до 9100 тонн. Хотя это и было ничто по сравнению с тем, что произойдет, когда автомобильная промышленность начнет использовать резину для шин на рубеже веков, изначальный рост спроса заложил основу для объединения производителей резины, которые совместно установили очень высокие цены на сам материал и изделия из него.
Одним из таких изделий были базисные пластинки для изготовления зубных протезов. Братья Хайат пытались привлечь внимание компаний, занимающихся резиной, к использованию целлулоида. Хотя сегодня мы считаем, что резина и пластмасса тесно связаны, в 1870-х представители промышленности, использовавшие резину, рассматривали термопластик как существенную угрозу своему превосходству на рынке. Чтобы внедрить целлулоид в стоматологию, Хайату пришлось скорее бороться с компаниями, занимающимися резиной, а не сотрудничать с ними. Для изготовления изделий из целлулоида Джон Уэсли Хайат создал несколько различных методов обработки для формования материала, включая компрессионное формование и поршневую экструзию.
Однако самым важным методом обработки, который изобрел Хайат, было устройство, специально разработанное для изготовления зубных пластинок. Это устройство состояло из цилиндра, который с одной стороны сужался в сопло. Цилиндр был помещен в рубашку, наполненную маслом и нагреваемую газом. На противоположном конце цилиндра находились поршень и винт, который можно было поворачивать специальной ручкой, чтобы продавливать расплавленный материал через нагретое сопло. Иными словами, это была литьевая машина.
Вероятно, самым важным методом обработки, который изобрел Хайат, было устройство, специально разработанное для изготовления зубных пластинок.
Противостояние между компаниями, работающими с резиной, и зарождающейся отраслью термопластичных материалов, вращалось вокруг стоматологического оборудования. Оба материала обладали изъянами, которые могли стать роковыми в современном мире. Резиновые зубные протезы на вкус отдавали серой, которая использовалась для отверждения материала; а в целлулоиде чувствовалась камфора, используемая для регулирования вязкости и механических свойств. Целлулоид должен был разрушить олигополию резины и стать гораздо более дешевой альтернативой.
Однако он был подвержен деформации под воздействием высокой температуры (например, горячих напитков), что было очевидной проблемой, о которой представители отрасли, специализирующейся на резине, с удовольствием напоминали. Когда бы ни возникала угроза рынку резины со стороны нового материала, распускались слухи об опасности целлулоида для здоровья, что напоминает современную тактику запугивания общественности в отношении пластмасс. Но в отличие от нынешней негативной рекламы, те нападки исходили от полимерной промышленности.
Несмотря на проблемы, связанные с целлулоидом, некоторые нью-йоркские инвесторы проявили интерес к этой разработке, поставив Хайату условие — перенести свое производство из Олбани ближе к Нью-Йорку. Новый завод был открыт в Ньюарке в 1872 году. Три года спустя хорошо известная летучесть материала проявила себя в полной мере, когда произошло возгорание и завод сгорел дотла всего за несколько часов.
Несмотря на эту неприятность и очередное осуждение со стороны общественности, подогреваемое резиновой промышленностью, целлулоид нашел свою нишу на рынке в качестве замены материалов, традиционно используемых в ювелирных украшениях, например, костей, мрамора, панцирей черепах, рогов и слоновой кости; а также в средствах личной гигиены, например, гребнях для волос и расческах. Материал весьма успешно применялся в воротничках и манжетах рубашек. Пластичность материала позволила внедрять его в ткань так, чтобы он воспроизводил рисунок ткани на поверхности белого полимера. Таким образом, он оказался менее дорогостоящей заменой льняным воротничкам и манжетам. Разумеется, это вызвало волну сомнительных, хотя, возможно, и правдивых историй, с подачи представителей резиновой промышленности, о людях, которые подошли слишком близко к огню или коснулись манжеты сигаретой, что привело к ужасающим последствиям.
Вискоза, ткань на основе нитроцеллюлозы в виде тонких нитей, — это еще одно изобретение конца XIX века, которое пролило свет на опасности этого полимера при использовании в предметах одежды. Изначально вискозное волокно было настолько огнеопасным, что получило ироничное и не совсем тактичное название «тещин шелк». Сегодня за ним закрепилось название вискоза; материал по-прежнему основан на целлюлозе, однако обрабатывается совершенно другим способом и больше не является легковоспламеняющимся.
Целлулоид, первый настоящий термопластик, отличался крайней воспламеняемостью. Его использовали в первых кинопленках, что привело к множеству пожаров в кинотеатрах, когда пленки соприкасались с горячими проекторами.
Споры о пользе и летучести химических составов на основе нитрата целлюлозы перешли на новый этап. Одним из первых применений коллодия (нитрата целлюлозы, растворенного в эфире или спирте) были пленки для защиты стеклянных фотопластинок. Александр Паркс задумал создать самостоятельную структуру для производства фотографий без необходимости использования стеклянных пластинок. Опираясь на разработки за последующие сорок лет, Джордж Истмен и его коллеги, которые пользовались наработками компании Хайата Celluloid Company, создали состав для такой пленки с необходимыми механическими свойства на основе коллодия.
Разумеется, в таких историях все всегда сложнее, чем может показаться. Истмен подал заявку на патент на гибкую пленку в марте 1889 года, который был выдан месяцем позже. Однако в 1887 году священнослужитель епископальной церкви по имени Ганнибал Гудуин, человек без образования и какой-либо подготовки в области химии, обратился в компанию Celluloid Company, находившуюся по соседству с его приходом, с просьбой помочь заменить стеклянные слайды для его проповедей в церкви Ньюарка, штат Нью-Джерси. В результате он получил рабочую пленку из целлулоида и подал заявку на патент на два года раньше Истмена. Однако по причинам, о которых история умалчивает, патент выдали только в 1898 году.
Это привело к неизбежному судебному разбирательству. Гудуин потребовал от Истмена доли от доходов его компании Eastman Kodak, полученных от продаж этой пленки за последние десять лет. Хотя Истмен происходил из бедной семьи, к тому моменту он уже располагал финансовыми ресурсами и растянул разбирательство до 1914 года. Сам же Гудуин продал основанную им компанию Goodwin Film and Camera Company и умер в 1900 году. Однако решение суда было вынесено в пользу Гудуина, т.е. его наследников и компании, которой он продал патентные права.
В первые годы зарождения кинематографа нередкими были случаи, когда яркие и горячие лампы проекторов вызывали возгорание пленки.
Целлулоидную пленку использовал Томас Эдисон и другие, выбирая материалы для кино на излете XIX века. В очередной раз воспламеняемость нитрата целлюлозы дала о себе знать. В первые годы зарождения кинематографа нередкими были случаи, когда яркие и горячие лампы проекторов вызывали возгорание пленки. Первые кинотеатры часто горели, а люди гибли либо в огне, либо в давке. В 1919 году Оливер Уэнделл Холмс-младший, член Верховного суда, сказал: «Человек не имеет права кричать «пожар» в битком набитом кинотеатре только потому, что он хочет кричать «пожар». Вероятно, это говорит о том, что подобные случаи прочно закрепились в сознании людей того времени.
Материалы на основе целлюлозы были важным первым шагом в истории полимеров, и мы вернемся к ним в последующих статьях. Хотя они искусно подделывали химические процессы, происходящие в природе, это были еще не настоящие синтетические материалы. В нашей следующей статье мы рассмотрим дальнейшее развитие.
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.
