Auf den Spuren der Geschichte polymerer Materialien:Teil 1

In regelmäßigen Abständen erhalte ich E-Mails, in denen ich gefragt werde, ob ich von bestimmten historischen Ereignissen im Zusammenhang mit der Kunststoffindustrie gehört habe. Eine der Geschichten, die viel Aufmerksamkeit erregen, ist die über John Wesley Hyatt, einen amerikanischen Erfinder, dem die Erschaffung eines Materials zugeschrieben wird, das oft als erster Kunststoff bezeichnet wird. Das Material wurde 1869 unter dem Namen Celluloid patentiert. Der Teil der Geschichte, der die meiste Aufmerksamkeit zu erregen scheint, ist die Tatsache, dass Hyatt einen Preis von 10.000 US-Dollar erhalten hat, der von Michael Phelan, einem Meister-Billardspieler, der sich Anfang der 1860er Jahre über eine Elfenbeinknappheit und die Auswirkungen Sorgen gemacht hatte, ausgelobt wurde Dies war auf die Kosten der Billardkugeln zurückzuführen.

Die Geschichte ist aus mehreren Gründen sehr ansprechend. Erstens bestärkt es die in unserer Industrie tief verwurzelte Idee, dass synthetische Materialien, die durch das Genie der Chemie geschaffen wurden, Materialien aus natürlichen Quellen verdrängt und verbessert haben. Der andere Faktor ist die Höhe der Geldprämie, die heute fast 200.000 US-Dollar entspricht.

Wie üblich ist die Geschichte der Erfindung von Celluloid viel komplizierter und stützte sich stark auf frühere Errungenschaften. Und seine Einführung wurde von einer weiteren bemerkenswerten Erfindung begleitet, die unsere Branche viel stärker beeinflusst hat als das Material selbst. Und während die Errungenschaften, die mit der Herstellung synthetischer Materialien verbunden sind, in erster Linie die der Wissenschaft sind, sind sie mit der Geschäftswelt und damit – weil es um Geld geht – mit Anwälten verflochten. Diese Artikelserie widmet sich einem genaueren Blick zurück in die Geschichte unserer Branche und wie wir alle hierher gekommen sind.

Die Welt der synthetischen Materialien wurde von der Welt der Materialien inspiriert, die in der Natur zu finden sind. Das Material, das den gesamten Prozess in Gang zu setzen scheint, war Naturkautschuk, eine Substanz, die aus bestimmten Bäumen gewonnen wird und chemisch als Polyisopren bekannt ist. Die chemischen Strukturen für zwei verschiedene Anordnungen der Atome im Molekül, die als Isomere bekannt sind, sind im nebenstehenden Bild dargestellt.

Die Welt der synthetischen Materialien scheint mit Naturkautschuk begonnen zu haben, einer Substanz, die aus bestimmten Bäumen gewonnen wird und chemisch als Polyisopren bekannt ist. Hier sind die chemischen Strukturen für zwei unterschiedliche Anordnungen der Atome im Molekül, sogenannte Isomere, dargestellt.

Europäische Entdecker, die im 16. und 17. Jahrhundert in die Karibik und nach Mesoamerika reisten, fanden Zivilisationen, die dieses Material verwendeten, um feste Kugeln herzustellen und Stoffe damit wasserdicht zu machen. Die Existenz eines massiven Balls aus einem Material mit heute so genannten elastomeren Eigenschaften war eine Offenbarung für Nordeuropaer, die bisher nur Bälle aus einer aufgeblasenen Lederblase erlebt hatten. Es war das cis-Isomer, das alle diese Produkte erzeugte. Wir kommen gleich zum trans-Isomer.

Ein französischer Entdecker stieß auf ein ähnliches Material, als er in den 1730er Jahren nach Peru reiste, und 1751 wurde die erste wissenschaftliche Arbeit über dieses neue Material vorgelegt. Aber zu diesem Zeitpunkt war die Chemie des Materials noch nicht gut verstanden. Insbesondere der Einfluss der Temperatur auf die Eigenschaften des Materials schuf Hemmnisse für eine kommerzielle Nutzung in Europa. Im Gegensatz zu den Klimazonen Mesoamerikas, wo die Temperaturschwankungen auf einer bestimmten Höhe relativ gering waren, waren die Temperaturänderungen in Europa vom Winter zum Sommer signifikanter. Bei kalten Temperaturen wurde das Material hart und spröde, während die heißen Temperaturen des Sommers das Material sehr weich und klebrig machten. Die kreativste Verwendung für das Produkt in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhundert diente als Radiergummi für Bleistiftspuren aus Papier. Der Name Gummi kommt von dieser besonderen Qualität.

Der Fortschritt in dieser Ära der Chemie beruhte größtenteils auf zufälligen Entdeckungen, die durch Versuch und Irrtum zustande kamen. Im Jahr 1820 entdeckten zwei Geschäftsleute auf sehr unterschiedlichen Gebieten unabhängig voneinander durch solche Unfälle, dass Polyisopren in Naphtha und Terpentin löslich war. Der gelöste Gummi könnte dann auf Baumwolle aufgetragen werden, um wasserdichte Kleidung herzustellen. Das funktionierte gut, solange das Wetter nicht zu heiß wurde. Dabei würden die beschichteten Stoffe klebrig werden und ihre Form verlieren.

Die Temperaturgrenzen für die Verwendung von Polyisopren blieben bis in die 1830er und 40er Jahre ein Problem, als Charles Goodyear mit ebenso zufälligen experimentellen Methoden wie die seiner Vorgänger auf zwei Techniken stieß, die zunächst die Leistungsprobleme bei hohen Temperaturen adressierten und dann, drei Jahre später, das bekanntere Vulkanisationsverfahren, das die Eigenschaften des Materials bei niedrigen Temperaturen verbesserte. Goodyear hatte kein Verständnis für die Chemie hinter dem Vernetzungsprozess, der die Leistung des Materials dramatisch verbesserte. Sogar der Begriff Vulkanisation wurde von einem britischen Konkurrenten geprägt, der Goodyears Ansatz herausfand und in England Patente anmeldete, während Goodyear in den USA anmeldete.

Die Gummicompoundierung, die Veränderung der Materialeigenschaften durch Zugabe von Weichmachern und Füllstoffen, war noch Jahrzehnte entfernt. Aber der Grundstein für die Welt der Polymere war gelegt. Interessanterweise hatten die Ureinwohner Mesoamerikas Hunderte von Jahren zuvor gelernt, die Eigenschaften des Kautschuks zu stabilisieren, indem sie den Rohlatex rauchten und vermutlich weniger kontrolliert, aber ebenso effektiv die zur Vernetzung des Materials erforderlichen Nitrate und Schwefelverbindungen einführten.

Zur gleichen Zeit, als in den 1850er Jahren Gerichtsverfahren zwischen Goodyear und seinen britischen Amtskollegen tobten, beobachtete ein britischer Chirurg, der in Südostasien praktizierte, die Ureinwohner in diesem Teil der Welt, wie sie einen Saft aus einem der Bäume extrahierten, die in diesem Teil der Welt wuchsen die Welt. Sie machten das Material in heißem Wasser weich und formten es zu einer Vielzahl nützlicher Produkte wie Werkzeuggriffe und Spazierstöcke. Genannt Guttapercha nach der Baumart, die den Saft produziert hat, ist es chemisch das trans-Isomer von Polyisopren.

Dies ist ein frühes und ausgezeichnetes Beispiel für die Bedeutung der Isomerie bei der Bestimmung der Eigenschaften von Polymeren, ein Prinzip, das wir in der modernen Polymerchemie ausgiebig nutzen. Das cis-Isomer ist amorph und sehr empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Dies macht eine Vernetzung notwendig, damit das Material brauchbar ist. Das trans-Isomer ist kristallisationsfähig. Obwohl es die gleiche Glasübergangstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur wie das cis-Isomer hat, hat es daher nützliche Feststoffeigenschaften oberhalb der Raumtemperatur.

Während Guttapercha ein weiteres Material war, das von indigenen Kulturen seit Hunderten von Jahren bekannt war und verwendet wurde, wurde es in den Händen der zielstrebigeren Europäer schnell als Isoliermaterial für Unterwasser-Telegrafendrähte angenommen. In dieser Hinsicht zeigte er einige Ähnlichkeiten, aber auch einige wichtige Unterschiede mit dem cis-Isomer-Kautschuk. Die unpolare Struktur beider Materialien macht sie zu guten elektrischen Isolatoren. Aber die amorphe Struktur von Kautschuk führte selbst in seiner vernetzten Form zu einem Material, das keine chemische Beständigkeit gegen Salzwasser hatte. Guttapercha hatte die gewünschten elektrischen Eigenschaften, war aber gleichzeitig beständig gegen Salzwasser und viele andere Chemikalien. Dieses Prinzip der verbesserten Chemikalienbeständigkeit durch Kristallinität ist auch in der Welt der Polymere bekannt und ermöglichte schon sehr früh in der Geschichte unserer Industrie neue Anwendungen.

Damit rückt auch ein weiterer sehr wichtiger Aspekt des Materialeinsatzes in den Fokus:der Zusammenhang zwischen der Entwicklung neuer Chemien und der Erfindung von Verarbeitungsverfahren. Während dieses Material zum Beschichten von Elektrokabeln verwendet wurde, wurde dies durch eine sehr wichtige Erfindung ermöglicht:den Extruder.

In unserer nächsten Ausgabe werden wir die Erzählung über unseren Fortschritt in Richtung Zelluloid und seine Schnittmenge mit einer anderen sehr wichtigen Entwicklung in der Verarbeitung fortsetzen.

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].