Auf den Spuren der Geschichte polymerer Materialien:Teil 7

Die Chemie auf Cellulosebasis war eine der wichtigsten Grundlagen für die Geburt der Polymerindustrie. Aber wie bereits erwähnt, waren die ersten Verbindungen auf Basis von Cellulosenitrat leicht entzündlich und sogar explosiv, was ihre Verwendung einschränkte. Als Chemiker Lösungen für diese Probleme fanden, erweiterte sie die Anwendung dieser Chemie und die Formen, in denen das Material verwendet werden konnte. Einer dieser Stoffe, der in der ersten Hälfte des 20 ^. einen immensen Einfluss hatte Jahrhundert war Zellophan.

Die Inspiration für Cellophan kam von einem Schweizer Chemiker, Jacques Brandenberger. Wie es heißt, beobachtete Brandenberger beim Essen in einem Restaurant im Jahr 1900 verschütteten Rotwein, der eine weiße Tischdecke befleckte, und begann über die Entwicklung einer Schutzbeschichtung nachzudenken. Das resultierende Material basierte auf der Zellulosechemie und nutzte einen Fortschritt, der 1892 gekommen war, als Charles Cross und Edward Bevan Holzzellulose mit Natronlauge und Schwefelkohlenstoff zur Reaktion brachten, um eine goldene viskose Flüssigkeit herzustellen, die als Viskose bekannt wurde. Während die frühe Arbeit mit dem Material ähnliche Artikel wie Kämme und Griffe wie Kämme und Griffe hervorbrachte, konzentrierten sich Cross und Bevan darauf, eine nützliche Faser für die Textilindustrie herzustellen.

Erste Versuche ergaben eine Faser, die zu spröde war, um einen sinnvollen Ersatz für Naturfasern zu bieten. Durch eine Reihe glücklicher Unfälle wurde jedoch festgestellt, dass die Viskosität des Materials im Laufe der Zeit zunahm, ein Prozess, der als Reifung bekannt wurde. Dies führte zu einem viel stärkeren und duktileren Produkt, das leicht gesponnen werden konnte und später als Rayon bekannt wurde. Aber diese Form von Rayon, bekannt als Cellulosexanthat, war weit weniger brennbar als das Cellulosenitrat, das zur Herstellung der „Schwiegermutterseide“ verwendet wurde, die wir in Teil 3 dieser Serie erwähnt haben.

Als Material für die Beschichtung von Baumwollgewebe wählte Brandenberger Viskose, um es schmutzabweisend zu machen. Er begegnete auch den Problemen mit einer Struktur, die sehr steif und spröde war. Über einen Zeitraum von mehreren Jahren arbeitete er daran, dünnere Filme des Zellulose-Xanthats herzustellen, mit dem Endergebnis, das er Cellophan nannte. 1913 hatte Brandenberger entschieden, dass die Herstellung der Folie eine bessere Geschäftsmöglichkeit bot als die Herstellung einer Stoffbeschichtung, und er hatte eine Maschine entwickelt, die lange Abschnitte der transparenten Folie in der gewünschten Dicke herstellen konnte.

Ein Material mit großer Wirkung in der ersten Hälfte des 20. ^. Jahrhundert war Zellophan.

Brandenberger war sich der Entflammbarkeitsprobleme von Zelluloidfilmen für den Kinogebrauch bewusst und versuchte zuerst, Zelluloid auf diesem Markt durch sein Zellophan zu ersetzen. Er stellte jedoch bald fest, dass sich Cellophan bei erhöhten Temperaturen stark verformte und zu hart war, um die Bildung präziser Kettenradlöcher in der Folie zu ermöglichen.

Aber Zellophan erwies sich als das ideale Verpackungsmaterial. Transparent, leicht und widerstandsfähig war es den damals üblichen Verpackungsmaterialien Gelatine und Zinnfolie weit überlegen. Die ersten in Zellophan verpackten Produkte waren Parfüms, Seifenstücke und Zahnpasten. Brandenbergers Ziel war es, die Lebensmittelindustrie ins Visier zu nehmen, aber der Erste Weltkrieg verlagerte aufgrund der Undurchlässigkeit des Materials für Giftgas, die neue Massenvernichtungswaffe, einen Großteil der Produktion auf Gasmasken. Es wurde auch als transparenter chirurgischer Verband für Wunden verwendet.

Nach dem Ende des Ersten Weltkriegs wurden die Bemühungen um den Ausbau des Verbrauchermarktes wieder aufgenommen. Whitman's Chocolates hatte bereits 1912 Cellophan als Verpackungsmaterial für einige seiner Pralinen verwendet, aber als sich die Verwendung des Materials in den frühen 1920er Jahren auf Backwaren und Produkte wie Tabak ausdehnte, wurde klar, dass Cellophan zwar eine ausgezeichnete Barriere gegen Gifte ist Gas, es war keine gute Feuchtigkeitsbarriere.

Während dieser Zeit verkaufte das von Brandenberger gegründete französische Unternehmen die Rechte an Cellophan an DuPont, und ein Chemiker bei DuPont entwickelte die Lösung für das Problem der Feuchtigkeitsbarriere. William Hale Charch hat ironischerweise eine Beschichtung auf Basis von Nitrozellulose entwickelt. Es enthielt auch einen Weichmacher, um die Eigenschaften der Beschichtung anzupassen, und ein Wachs, das zur Feuchtigkeitsbarriere beitrug. Diese Entwicklung, die 1927 abgeschlossen wurde, dauerte drei Jahre und war der Beginn einer langen Geschichte chemischer Innovationen von DuPont. Nachdem das Problem der Feuchtigkeitsbarriere gelöst war, stieg der Verbrauch von Cellophan in die Höhe, was es zu einem der erfolgreichsten und bekanntesten Produkte von DuPont machte.

Zur gleichen Zeit legte eine andere Form chemisch modifizierter Cellulose den Grundstein für die Entwicklung eines der frühen Thermoplaste. Celluloseacetat wurde erstmals 1865 von dem französischen Chemiker Paul Schutzenberger synthetisiert, der Cellulose mit Essigsäureanhydrid umsetzte. Obwohl Celluloseacetat grundsätzlich ein Thermoplast ist, wäre es nicht schmelzverarbeitbar gewesen, da seine Zersetzungstemperatur niedriger als sein Erweichungspunkt ist. Lösliche Formen von Celluloseacetat wurden jedoch 1903 von den deutschen Chemikern Arthur Eichengrun und Theodore Becker entwickelt, als sie entdeckten, dass sich das Material in Aceton auflösen würde.

Ein Jahr später begannen zwei Brüder, Camille und Henri Dreyfus, in einem Labor in Basel, Schweiz, zu arbeiten. Ihre Aufmerksamkeit wandte sich Zelluloseacetat zu und sie entwickelten einen Film, der der weniger brennbare Ersatz für Zelluloidfilm wurde, den Cellophan nicht liefern konnte. Sie stellten auch einen Lack her, der als Dope bekannt ist und verwendet wurde, um die Stoff- und Holzflugzeuge dieser Zeit zu beschichten und sie widerstandsfähig gegen die Einwirkung von Feuchtigkeit und Feuer zu machen. 1913, gerade als das Verfahren zur Zellophanherstellung perfektioniert wurde, gründeten die Brüder Dreyfus die Cellonit Company, um sowohl ihre Folien als auch die Lacke auf Basis von Celluloseacetat herzustellen.

Klare Schraubendrehergriffe werden bis heute aus CAB geformt.

Sie hatten gerade damit begonnen, ein Verfahren zur Herstellung einer Faser aus Acetat zu entwickeln, als der Erste Weltkrieg all ihre Bemühungen auf die Herstellung von Celluloseacetat-Lacken lenkte. Zu diesem Zweck gründeten sie ein Werk in Derbyshire, England. Während des Krieges ging Camille Dreyfus auf Ersuchen der US-Regierung in die USA, um eine Zellstofffabrik zu errichten. Nach Kriegsende nahmen die Brüder Dreyfus die Entwicklung einer Acetatfaser, die sie Celanese nannten, wieder auf und der Name der britischen Firma wurde 1923 in British Celanese geändert. 1927 kaufte die amerikanische Firma Dreyfus, Amcelle, das Celluloid Company of Newark, New Jersey, und das Unternehmen wurde in Celanese Corporation of America umbenannt.

1931 wurde bei Celanese eine schmelzverarbeitbare Version von Celluloseacetat entwickelt, indem dieselbe Klasse von Chemikalien wie Weichmacher verwendet wurde, die Waldo Semon fünf Jahre zuvor verwendet hatte, um Verarbeitungsprobleme bei PVC zu lösen. Im selben Jahr wurde entdeckt, dass durch den Ersatz des größten Teils des Essigsäureanhydrids durch Propionsäure Celluloseacetatpropionat (CAP) hergestellt werden konnte, eine Verbindung, die schlagzäher war und weniger Weichmacher benötigte, um sie schmelzverarbeitbar zu machen. Weitere Verbesserungen wurden 1938 vorgenommen, als Buttersäure bei der Reaktion zur Herstellung von Celluloseacetatbutyrat (CAB) verwendet wurde. Dieses Material zeigte nicht nur eine verbesserte Zähigkeit, sondern hatte auch eine Hitzebeständigkeit, die der von CA und CAP überlegen war.

Celanese blickt auf eine lange und reiche Geschichte in der Welt der Polymere zurück, und einige Typen von Celluloseacetat gehören noch immer zu seinem Angebot. Aber das Unternehmen, das ein breites Angebot an Zelluloseprodukten unterhält, trägt den Namen eines weiteren Pioniers aus der Ära der frühen Zelluloseentwicklung, Eastman. Die vielleicht bekannteste Anwendung, die bis heute andauert, ist der klare Schraubendrehergriff.

Aber Zellulose bleibt ein wichtiger Beitrag zur Welt der Beschichtungen, Farben und Lacke. Die Materialien werden in Faserform für Kleidung und Vorhänge verwendet und sind die Materialien der Wahl für Zigarettenfilter. Brillenfassungen werden noch immer aus Zellulose hergestellt. Weniger leistungsorientiert sind Award-Bänder fast ausschließlich aus Zelluloseacetat, und viele Spielkarten verwenden das Material noch immer. Legosteine, die heute aus ABS hergestellt werden, wurden ursprünglich aus Zelluloseacetat geformt. Und für diejenigen, die noch Präsentationen auf einem Overhead-Projektor halten, verwenden Sie wahrscheinlich ein Material auf Zellulosebasis für Ihre Folien.

Zellulose haben einen Großteil ihres Marktanteils an andere Materialien verloren. Cellophan wurde weitgehend durch Polyethylen, Polypropylen, PVC und Polyvinylidenchlorid (PVdC) ersetzt, ein weiteres Polymer, das Anfang der 1930er Jahre zufällig bei Dow Chemical entdeckt wurde. Celluloseacetatfasern wurden durch Nylon und Polyester ersetzt. Interessanterweise gewinnt ein Polymer, das aus allem gewonnen werden kann, was Zellulose enthält, jetzt, da sich die Kunststoffindustrie auf Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft konzentriert, eine neue Aufmerksamkeit. In einer Zeit, in der Forscher versuchen, Polymere aus allem herzustellen, was einen biologischen Stammbaum hat, wird es interessant sein zu sehen, ob wir zu unseren Wurzeln zurückkehren.

Im selben Jahr, in dem William Hale Charch das Problem der Zellophan-Feuchtigkeitsbarriere löste, wurde ein weiterer Chemiker von DuPont eingestellt, um grundlegende Materialforschung durchzuführen. Er würde ein Team leiten, das schließlich die Chemie entwickeln würde, die mit dem ersten legitimen technischen Thermoplast verbunden ist. Dieser Teil der Geschichte wird das Thema unserer nächsten Folge sein.

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, Konstruktion auf Herstellbarkeit, Prozessoptimierung, Fehlersuche und Fehleranalyse. Kontakt:(928) 203-0408 •[email protected]