Auf den Spuren der Geschichte polymerer Materialien – Teil 2

Für jemanden, der Mitte des 19. Jahrhunderts lebt und sich mit der Welt der Materialien beschäftigt, muss es wie eine Zeit revolutionärer Entwicklung erschienen sein. In nur einem Jahr, 1846, wurde Guttapercha zu der im Artikel vom letzten Monat erwähnten Telegraphendrahtisolierung geformt; Gummireifen wurden für die Kutsche von Königin Victoria hergestellt; Alexander Parkes entdeckte eine Technik zum Vulkanisieren von Gummi bei Raumtemperatur; und ein zufälliges, aber bemerkenswertes Experiment startete die technologische Entwicklung, die zu Hyatts Billardkugel-Material führte.

Das Experiment wurde von einem Chemieprofessor, der an der Universität Basel in der Schweiz lehrt, Christian Friedrich Schonbein durchgeführt. Er hatte vor einigen Jahren Ozon entdeckt und erfahren, dass ein Gemisch aus Salpeter- und Schwefelsäure ein ausgezeichnetes Oxidationsmittel ist. Als er eines Tages diese saure Mischung in seiner Küche destillierte, warf er die Flasche um und räumte mit dem nächsten verfügbaren Gegenstand, einer Baumwollschürze, schnell die Unordnung auf. Als er versuchte, die Schürze zu trocknen, indem er sie über einen heißen Herd hängte, ging sie prompt in Flammen auf und verschwand. Nitrierte Zellulose, auch bekannt als Guncotton, wurde entwickelt und führte zu einer Reihe von Erfindungen, die alle aus dieser Modifikation von Zellulose profitierten.

Die Entdeckung von Gun Cotton löste ein Wettrüsten in den 1840er Jahren aus, bei dem Patente angemeldet wurden und Länder, die es vermeiden wollten, Lizenzgebühren zu zahlen, die versuchten, die Erfindung zurückzuentwickeln. Die extreme Volatilität des Materials führte in den späten 1840er Jahren zu einigen spektakulären Unfällen in ganz Europa und Russland, die schließlich zu einem Verbot zusätzlicher Entwicklung und einem Verlust des Interesses an weiteren Experimenten führten.

Während dieser Zeit stellte jedoch eines der Labors, die mit Cellulosenitrat experimentierten, fest, dass es in einer Kombination aus Ether und Alkohol gelöst werden konnte, um eine Substanz zu bilden, die als Kollodium bezeichnet wurde. Nach dem Trocknen wurde das Material zäh und transparent und konnte als Firnis oder Lack, als wasserdichte Beschichtung oder als dünner Film dienen. Es zeigte auch Potenzial als formbarer Feststoff. In vielerlei Hinsicht wies es die gleichen Fähigkeiten wie Gummi und Guttapercha auf, bot jedoch die Möglichkeit niedrigerer Kosten.

Derselbe Alexander Parkes, der das Kaltvulkanisationsverfahren entwickelte, erhielt 1856 ein Patent für dieses formbare Material. Es wurde als Parkesine bekannt und wurde auf der Great Exhibition, einer Weltausstellung, die 1862 in London stattfand, ausgestellt. Ausgezeichnet mit der Bronzemedaille bei bei dieser Veranstaltung wurde das Material in Form vieler unterschiedlicher Produkte gezeigt, die große Erwartungen weckten. Das Material wurde sogar zu einer Billardkugel geformt, um die bekanntere Entwicklung am Ende des Jahrzehnts vorwegzunehmen. Parkes verwendete verschiedene Pflanzenöle als Mittel, die wir heute als Weichmacher bezeichnen würden, um das erforderliche Gleichgewicht der Eigenschaften zu erreichen.

Aber das Versprechen geringerer Kosten wurde nie realisiert. Die zur Herstellung von Kollodium verwendeten Lösungsmittel für seine anderen Anwendungen, in der Medizin und in der Fotografie, erwiesen sich als zu teuer für die Massenproduktion eines formbaren Materials, das für wettbewerbsfähigere Märkte bestimmt war. Um das Material wettbewerbsfähig zu machen, griff Parkes auf die Verwendung von Baumwollabfällen von schlechter Qualität zur Herstellung von Zellulose zurück und fügte so große Mengen des Rizinusöl-Weichmachers hinzu, dass das Material seine mechanischen Eigenschaften verlor und die daraus hergestellten Produkte keine Dimensionsstabilität hatten. Das Produkt litt unter einer hohen Variabilität von Los zu Los, die es letztendlich als kommerzielles Unternehmen zum Scheitern verurteilte. Die Erfindung gilt jedoch als der erste formbare Kunststoff und ebnete den Weg für die Verbesserungen, die letztendlich zur Entwicklung von Hyatt führten.

In dieser Zeit bot Michael Phelan, der im Artikel vom letzten Monat erwähnte Billardmeister, den Preis von 10.000 US-Dollar für eine Billardkugel aus einem Material, das Elfenbein angemessen ersetzen konnte. Phelan war auch der Erfinder eines Polstermaterials für Billardtische aus Gummi und war an einer Firma beteiligt, die Billardtische herstellte. Er war sich der Elfenbeinknappheit bewusst, die das Wachstum eines immer beliebter werdenden Zeitvertreibs gefährdete. John Wesley Hyatt, ein Drucker, war von der Aussicht angezogen, den angebotenen Preis in Anspruch zu nehmen, und begann mit verschiedenen Methoden zur Herstellung von Billardkugeln zu experimentieren.

Die ersten Versionen bestanden aus Kombinationen von Stoff-, Holz- und Papierstücken, die mit verschiedenen Leimen, Lacken, Schellacken und anderen Klebstoffen zusammengehalten wurden. Hyatt erhielt 1865 sein erstes Patent für einen imitierten Elfenbeinball, der aus Leinengewebe hergestellt wurde, das mit Schellack und Elfenbein oder Knochenstaub beschichtet und unter Hitze und Druck verarbeitet wurde. Diese Kreation war kein adäquater Ersatz für Elfenbein, daher setzte Hyatt seine Experimente fort und erhielt 1868 ein zweites Patent für einen weiteren Versuch, der aus Papier und Zellstoff in Kombination mit Schellack bestand und erneut bei hoher Hitze und hohem Druck verarbeitet wurde.

Hyatt war mit Kollodium vertraut, da es in großem Umfang zur Wundheilung und in der Druckindustrie verwendet wurde, um Linienarbeiter vor Abschürfungen an den Fingerspitzen zu schützen. Bei einem weiteren dieser glücklichen Unfälle entdeckte Hyatt eines Tages ein Kollodium, das aus seiner Flasche gelaufen war und einen harten Film gebildet hatte. Er begann, seine neueste Version von Billardkugeln zu beschichten, indem er sie in Kollodium tauchte. Hyatt stieß auf dieselben Probleme, die Parkes bei der Herstellung eines festen, formbaren Materials geplagt hatten. Also arbeitete er weiter daran, die Viskosität des Materials zu erhöhen und entwickelte schließlich eine Verbindung, die sich unter hoher Hitze und hohem Druck um einen Holzkern formen ließ. Dies führte im April 1869 zu einem weiteren Patent für dieses verbesserte Verfahren zur Herstellung von Billardkugeln.

Diese Erfindung wurde schließlich Celluloid genannt und ist als das von Hyatt erfundene Material bekannt, um Elfenbein zu ersetzen, obwohl dieser Name für das Material erst drei Jahre später in Betracht gezogen wurde. Interessanterweise wurden die Celluloid-Billardkugeln nie kommerziell hergestellt und wurden nie an Phelans Firma zur Prüfung des 10.000-Dollar-Preises eingereicht. Hyatt würde bis Anfang des 20. Jahrhunderts an der Billardkugel-Problematik weiterarbeiten, ohne das angestrebte Ziel eines perfekten Ersatzes für Elfenbein zu erreichen. Dieser Erfolg kam im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts von einem Erfinder, der zur gleichen Zeit geboren wurde, als Hyatt seine Experimente begann, und dessen Karriere einige interessante Schnittpunkte mit der von Hyatt hatte.

Hyatt fand bei der Überprüfung einiger der alten Patente von Parkes den Schlüssel, um Celluloid durch die Verwendung von Kampfer als Weichmacher zu einer formbaren Masse zu machen. Parkes hatte Kampfer eingesetzt, aber nur in Verbindung mit anderen Lösungsmitteln. Indem Hyatt sich auf Kampfer konzentrierte und seine Arbeit mit Hochdruck und Hitze fortsetzte, verwandelte Hyatt das Kollodium von Parkes in ein vielseitiges Material, das ähnliche Eigenschaften wie Kautschuk oder Guttapercha aufweisen könnte, indem einfach die der Mischung zugesetzte Menge an Kampfer variiert wurde.

Während Hyatt in den Vereinigten Staaten an der Entwicklung verbesserter Billardkugeln arbeitete, hatte ein Partner von Alexander Parkes namens Daniel Spill Parkes' gescheitertes kommerzielles Projekt in England übernommen und auch die Bedeutung von Kampfer für die Herstellung eines formbaren Materials entdeckt, das er nannte Xylonit. Die parallelen Erfindungen führten zu dem unvermeidlichen Patentstreit, der von 1877 bis 1884 vor Gericht verwickelt war. Letztlich wurde entschieden, dass sowohl die Erfindungen von Spill als auch von Hyatt auf das Werk von Parkes zurückgeführt werden konnten, der als der ursprüngliche Erfinder galt des Materials. Es war auch Teil der Entscheidung, dass die gesamte Herstellung von Zelluloid-Produkten fortgesetzt werden konnte.

In unserer nächsten Kolumne werden wir die Geschicke von Celluloid verfolgen, wie es in einer Vielzahl von Formen zunehmend Verwendung fand, was zur Erfindung einer weiteren wichtigen Kunststoffverarbeitungstechnik führte.

ÜBER DEN AUTOR:Mike Sepe ist ein unabhängiger, globaler Material- und Verarbeitungsberater, dessen Unternehmen Michael P. Sepe, LLC, mit Sitz in Sedona, Arizona, hat. Er verfügt über mehr als 40 Jahre Erfahrung in der Kunststoffindustrie und unterstützt Kunden bei der Materialauswahl, Konstruktion für Herstellbarkeit, Prozess Optimierung, Fehlerbehebung und Fehleranalyse. Kontakt:(928) 203-0408 • [email protected].