Auf den Spuren der Geschichte polymerer Materialien, Teil 4

1863, ein Jahr nachdem der auf Nitrozellulose basierende Kunststoff Parkesine auf der Großen Internationalen Ausstellung in London mit der Bronzemedaille ausgezeichnet wurde, wurde Leo Baekeland in Belgien geboren. Baekeland, Sohn Analphabeten, promovierte im Alter von 21 Jahren bei Theodore Swarts, Chefassistent von Friedrich August Kekulé an der Universität Bonn. Kekulé wird die Erarbeitung der Struktur von Benzol zugeschrieben, einer Chemikalie, die für einen Großteil der Polymerchemie von zentraler Bedeutung ist und eng mit Phenol verwandt ist, einer der Chemikalien, die der Schlüssel zur Geschichte des ersten wirklich synthetischen Polymers ist. Baekeland war auch ein Enthusiast der Fotografie und arbeitete während seiner Highschool- und College-Zeit mit einem lokalen Chemiker zusammen, der eine Fabrik zur Herstellung der ersten in Europa hergestellten fotografischen Trockenplatten gegründet hatte.

Bei den frühen Trockenplatten wurden chemische Entwickler verwendet, die unangenehm rochen und der Umgang damit temperamentvoll sein konnte. Baekeland erkannte dies und erfand kurz nach seiner Promotion eine mit einer wasserlöslichen Emulsion beschichtete Trockenplatte, die in Wasser getaucht werden konnte, um den Entwickler zu aktivieren. Er erhielt 1887 ein Patent für diesen Fortschritt in Belgien.

Im Jahr 1889 reisten Baekeland und seine Frau nach New York, wo er Richard Anthony kennenlernte und für ihn arbeitete, einen Direktor in einer Firma, die fotografische Filme, Papiere und Kameras herstellte. Dies war die gleiche Firma, die ein Jahrzehnt später die Goodwin Camera and Film Company von Hannibal Goodwin kaufte. Goodwin hatte zwei Jahre vor George Eastman (Gründer von Eastman Kodak) einen brauchbaren Zelluloidfilm entwickelt, aber die Erteilung seines Patents hatte sich um 11 Jahre verzögert, was zu der Klage führte, die wir im Artikel des letzten Monats diskutiert haben.

Baekeland arbeitete zwei Jahre für Anthony und konzentrierte sich dann nach einer Krankheit und einigen mageren Zeiten, in denen er versuchte, seinen Lebensunterhalt als unabhängiger Berater zu verdienen, auf die Entwicklung eines Fotopapiers für den Druck von Vergrößerungen. In der frühen Geschichte der Fotografie wurde der Druck mit Hilfe des natürlichen Lichts der Sonne erreicht. Baekelands Durchbruch, der nach zweijähriger Forschung kam, brachte ein Papier mit der Silberchlorid-Emulsion in einem kolloidalen Zustand hervor, das lichtempfindlich genug war, um mit künstlichem Licht entwickelt zu werden, kein Sonnenlicht erforderlich. Er nannte das Produkt Velox.

Telefone gehörten zu den ersten Anwendungen für Bakelit (Phenol).

Für die meisten Menschen wäre zu dieser Zeit die Quelle des künstlichen Lichts Gaslicht gewesen. Die Einführung des elektrischen Lichts durch Edison, ebenfalls eine Schlüsselfigur der Zelluloid-Entwicklung, sollte dies jedoch bald ändern. Während professionelle Fotografen dieses neue Papier im Allgemeinen nicht annahmen, wurde es bei Amateurfotografen sehr beliebt und schuf einen Markt, der die Aufmerksamkeit von keinem Geringeren als George Eastman auf sich zog. Im Jahr 1898 kaufte Eastman das Unternehmen, das Baekeland mit zwei Partnern gegründet hatte, für 750.000 US-Dollar, etwa 22 Millionen US-Dollar in heutigen Dollar.

All diese Schnittstellen zu anderen großen Akteuren der Chemie- und Energieindustrie bildeten lediglich die Grundlage für die Forschung, die Baekeland nun aufgrund seiner hohen finanziellen Sicherheit betreiben konnte. Zu den Bedingungen des Verkaufs seines Unternehmens an Eastman gehörte ein Wettbewerbsverbot, das Baekeland 20 Jahre lang daran hinderte, Forschungen zum Thema Fotografie zu betreiben.

Mit einem chemischen Hintergrund, einem Gespür für Experimente, einem guten Instinkt für die Identifizierung ungelöster Probleme und ohne die Notwendigkeit, für seinen Lebensunterhalt zu arbeiten, gründete Baekeland ein Anwesen in Yonkers, NY, und begann an einem dringenden Problem zu arbeiten, das dem ähnelte, das zuvor aufgetreten war führte zur Entwicklung von Zelluloid. Zelluloid wurde entwickelt, um einen Mangel an Elfenbein zu beheben. Die rasante Expansion der Elektroindustrie in den letzten zwei Jahrzehnten des 19. Jahrhundert und setzt sich bis ins frühe 20 fort Jahrhundert führte zu einem neuen Engpass bei einem anderen natürlich vorkommenden Material, Schellack.

Schellack wird von Lackkäfern hergestellt, wenn sie den Saft von Bäumen extrahieren und ein Harz absondern. Dieses wird von den Bäumen geschabt und durch Erhitzen und Filtern zum reinen Compound verarbeitet. Es wird geschätzt, dass über 100.000 Lackkäfer benötigt werden, um ein Kilogramm Schellack herzustellen. In der vorelektrifizierten Ära reichten die niedrigen Preise der traditionellen Schellackproduktion aus, um die Nachfrage nach Lacken und Holzschutzmitteln zu decken. Aber die Elektroindustrie hat aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften und seiner Fähigkeit, gegen Feuchtigkeit abzudichten, eine große Nachfrage nach Schellack geschaffen. Die Nachfrage stieg noch stärker, als Schellack das bevorzugte Material zum Pressen von Schallplatten wurde, eine weitere Schnittmenge mit Edisons Welt. (Er hatte 1877 den Phonographen erfunden.) PVC ersetzte in den 1940er Jahren Schellack in dieser Anwendung.

Die Industriegeschichte von Schellack ähnelt auffallend der von Kautschuk. Ein natürliches Polymer, das nur in geringen Mengen gewonnen werden konnte und vor allem in Südostasien vorkommt, war zu einem entscheidenden Hemmschuh für die rasante Entwicklung der Technologie in Europa und Nordamerika geworden, weit entfernt von der Quelle. Und wie Naturkautschuk fehlten Schellack einige gewünschte Leistungsmerkmale. Erstens ist es ein Thermoplast mit einem Schmelzpunkt von etwa 75 °C (167 °F). So wird es auch bei gemäßigten Temperaturen weich. Hochspannungsisolatoren, die relativ hohe Temperaturen erzeugen, werden Schellack schmelzen. Und obwohl es mit Füllstoffen wie Holzmehl gemischt werden kann, um eine formbare Masse herzustellen, hat es eine relativ geringe Oberflächenhärte und das Auftragen kann arbeitsintensiv sein.

Fünf Jahre Forschung von Baekeland führten zu einem Patent von 1907 für „Verbesserungen bei Methoden zur Herstellung unlöslicher Kondensationsprodukte aus Phenolen und Formaldehyd“. Baekeland nannte das Produkt Bakelit, ein Name, der noch immer gelegentlich in der Fachliteratur auftaucht. 1983 wurde sogar in Somerset, England, ein Bakelit-Museum eröffnet, um die Geschichte der Produkte aus Bakelit zu zeigen. Obwohl es jetzt geschlossen ist und ein neues Zuhause sucht, hat es immer noch eine Website. Der Reaktor, den Baekeland zur Herstellung des Harzes konstruierte, wurde Bakelizer genannt.

Heute ist das Material unter seiner allgemeineren Bezeichnung Phenol bekannt. Es ist ein Kondensationspolymer, wie der Titel des Patents andeutet, und die Natur dieser chemischen Reaktion trug zu vielen Herausforderungen bei der Herstellung des Materials bei. Aber das Ergebnis war das erste wirklich synthetische Polymer, ein Material, das nicht auf ein Naturprodukt angewiesen war, das dann modifiziert wurde. Und es war ein wärmehärtendes Polymer wie vulkanisierter Gummi, enthielt jedoch keinen Schwefel und zeigte eine viel höhere Festigkeit, Steifigkeit, Hitzebeständigkeit und Langzeitbeständigkeit. Es machte sich sofort als elektrischer Isolator durch, der einen besseren elektrischen Widerstand als Glimmer oder Porzellan aufwies, hitzebeständiger als Schellack war, eine bessere Schlagzähigkeit als Glas oder Keramik hatte und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen eine Vielzahl von Säuren, Alkoholen, Fetten und Ölen besaß .

Und in einer bemerkenswerten Kreuzung mit Zelluloid wurde entdeckt, dass Phenol das, was wir heute als viskoelastische Eigenschaften bezeichnen, ähnlich denen von Elfenbein war, was es zum idealen Material für Billardkugeln macht. Damit wurde das Ziel von John Wesley Hyatt erreicht, einen synthetischen Ersatz für Elfenbein bereitzustellen. Hyatt hatte sein Billardball-Unternehmen seit seiner Gründung im Jahr 1868 weitergeführt und seine zelluloidbasierten Formulierungen schrittweise verbessert. 1912 wechselte er jedoch in Anerkennung seiner überlegenen Leistung zu Phenol.

Während Baekeland das Patent erhielt, das die kommerzielle Entwicklung von Phenolen auslöste, war die chemische Reaktion, die einen Prototyp der Verbindung hervorbrachte, tatsächlich mehr als 30 Jahre zuvor entdeckt worden. Durch eine Reihe von Sackgassen und glücklichen Unfällen entwickelte sich die Chemie, die eine Reaktion zwischen Formaldehyd und anderen organischen Verbindungen nutzte, um nützliche duroplastische Materialien herzustellen, durch die Bemühungen mehrerer talentierter Chemiker und Erfinder. Und nach der Erfindung folgten die Herausforderungen der Kommerzialisierung und die unvermeidlichen Rechtsstreitigkeiten. Wir werden uns diesen Teil der Geschichte in unserem nächsten Teil ansehen.

ÜBER DEN AUTOR:Michael Sepe ist ein unabhängiger Material- und Verarbeitungsberater mit Sitz in Sedona, Arizona, mit Kunden in ganz Nordamerika, Europa und Asien. Er verfügt über mehr als 45 Jahre Erfahrung in der Kunststoffindustrie und unterstützt Kunden bei der Materialauswahl, der Konstruktion auf Herstellbarkeit, der Prozessoptimierung, der Fehlersuche und der Fehleranalyse. Kontakt:(928) 203-0408 •[email protected]