고분자 재료의 역사 추적:1부

플라스틱 산업과 관련된 특정 역사적 사건에 대해 들어본 적이 있는지 묻는 이메일을 주기적으로 받습니다. 많은 관심을 받는 이야기 중 하나는 종종 최초의 플라스틱이라고 불리는 재료를 만든 것으로 알려진 미국 발명가인 John Wesley Hyatt에 관한 이야기입니다. 이 소재는 1869년 Celluloid라는 이름으로 특허를 받았습니다. 이 이야기에서 가장 눈길을 끄는 부분은 1860년대 초 상아 부족과 그 영향에 대해 우려했던 당구 대가인 Michael Phelan이 내놓은 상금 10,000달러를 하얏트가 받았다는 사실입니다. 이것은 당구 공의 비용에 있었다.

이 이야기는 몇 가지 이유로 매우 매력적입니다. 첫째, 화학의 천재성을 통해 생성된 합성 재료가 천연 자원에서 파생된 재료를 대체하고 개선했다는 우리 산업계에 깊이 뿌리박힌 아이디어를 강화합니다. 또 다른 요인은 상금의 규모로 오늘날 거의 $200,000에 해당합니다.

여느 때와 마찬가지로 Celluloid의 발명에 대한 이야기는 훨씬 더 복잡하고 이전의 성취에 크게 의존합니다. 그리고 그것의 도입은 재료 자체보다 산업에 훨씬 더 큰 영향을 미친 또 다른 주목할만한 발명을 동반했습니다. 합성 재료를 만드는 것과 관련된 업적은 주로 과학의 업적이지만 비즈니스 세계와 얽혀 있으며 결과적으로 돈이 관련되어 있기 때문에 변호사와 관련이 있습니다. 이 일련의 기사는 우리 업계의 역사와 우리 모두가 어떻게 여기까지 왔는지에 대해 보다 통찰력 있는 시각을 제공하는 데 전념할 것입니다.

합성 소재의 세계는 자연에서 찾을 수 있는 재료의 세계에서 영감을 받았습니다. 전체 과정을 시작한 것으로 보이는 재료는 특정 나무에서 추출하고 화학적으로 폴리이소프렌으로 알려진 물질인 천연 고무였습니다. 이성질체로 알려진 분자 내 원자의 두 가지 다른 배열에 대한 화학 구조는 첨부된 이미지에 나와 있습니다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/1120ptkhmaterials.jpg;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/1120ptkhmaterials.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/1120ptkhmaterials.jpg;maxWidth=360 1x, https://d2n4wb9orp1vta .cloudfront.net/cms/brand/pt/2020-pt/1120ptkhmaterials.jpg;maxWidth=720 2x"> 합성 물질의 세계는 특정 나무에서 추출되고 화학적으로 폴리이소프렌으로 알려진 물질인 천연 고무에서 시작된 것으로 보입니다. 이성질체로 알려진 분자 내 원자의 두 가지 다른 배열에 대한 화학 구조가 여기에 나와 있습니다.

16세기와 17세기에 카리브해와 메소아메리카로 여행한 유럽 탐험가들은 이 재료를 사용하여 단단한 공을 만들고 직물을 방수 처리하는 데 사용하는 문명을 발견했습니다. 오늘날 우리가 엘라스토머 특성이라고 부르는 재료로 만들어진 단단한 공의 존재는 부풀려진 가죽 주머니로 만든 공만 경험했던 북유럽 사람들에게 계시였습니다. 이 모든 제품을 생산한 것은 시스 이성질체였습니다. 우리는 곧 trans-isomer에 도달할 것입니다.

프랑스 탐험가는 1730년대에 페루를 여행할 때 비슷한 물질을 만났고 1751년에는 이 새로운 물질에 대한 최초의 과학 논문이 발표되었습니다. 그러나 이 시점에서 재료의 화학은 잘 이해되지 않았습니다. 특히, 재료의 특성에 대한 온도의 영향은 유럽에서 상업적 사용에 장벽을 만들었습니다. 특정 고도에서의 온도 변동이 상대적으로 작은 중미의 기후와 달리 유럽은 겨울에서 여름으로의 온도 변화가 더 컸습니다. 추운 온도에서 재료는 단단하고 부서지기 쉬운 반면 여름의 더운 온도는 재료를 매우 부드럽고 끈적하게 만들었습니다. 18 후반부에 제품을 가장 창의적으로 사용 세기는 종이의 납연필 자국을 지우는 것과 같았습니다. 고무라는 이름은 이 특별한 품질에서 따온 것입니다.

이 화학 시대의 진보는 주로 시행착오를 통해 얻은 우연한 발견의 문제였습니다. 1820년에 매우 다른 분야의 두 사업가가 폴리이소프렌이 나프타와 테레빈유에 용해된다는 바로 그러한 사고를 통해 독립적으로 발견했습니다. 용해된 고무는 면에 적용하여 방수 의류를 만들 수 있습니다. 날씨가 너무 더워지지 않는 한 이것은 잘 작동했습니다. 코팅된 천은 끈적거리고 모양이 흐려집니다.

폴리이소프렌 사용에 대한 온도 제한은 1830년대와 40년대까지 계속 문제였습니다. 그 때 Charles Goodyear는 그의 전임자들과 마찬가지로 무작위적인 실험 방법을 사용하여 먼저 고온 성능 문제를 해결하는 두 가지 기술을 우연히 발견했습니다. 그런 다음 3년 후, 저온에서 재료의 특성을 개선한 더 잘 알려진 가황 공정. Goodyear는 재료의 성능을 극적으로 개선한 가교 공정의 이면에 있는 화학에 대해 전혀 이해하지 못했습니다. 가황이라는 용어조차 Goodyear가 미국에 출원하는 동안 Goodyear의 접근 방식을 파악하고 영국에서 특허를 출원한 영국 경쟁업체에 의해 만들어졌습니다.

가소제와 충전제를 추가하여 재료 특성을 수정하는 고무 컴파운딩은 아직 수십 년이 소요되었습니다. 그러나 폴리머 세계의 기반이 마련되었습니다. 흥미롭게도 Mesoamerica의 원주민은 원료 라텍스를 흡연함으로써 수백 년 전에 고무의 특성을 안정화하는 방법을 배웠습니다. 아마도 덜 통제되지만 동등하게 효과적인 방식으로 재료를 가교시키는 데 필요한 질산염과 황 화합물을 도입했을 것입니다.

1850년대에 굿이어와 그의 영국인 사이에 법정 소송이 난무하고 있을 때, 동남아시아에서 활동하던 영국 외과의사는 세계의 그 지역 원주민들이 그 지역에서 자라는 나무 중 하나에서 수액을 추출하는 것을 관찰했습니다. 세계. 뜨거운 물에 재료를 부드럽게 녹여 도구 손잡이, 지팡이 등 다양한 유용한 제품으로 만들었다. 수액을 생산하는 나무 종의 이름을 따서 명명된 구타페르카는 화학적으로 폴리이소프렌의 트랜스 이성질체입니다.

이것은 우리가 현대 고분자 화학에서 광범위하게 사용하는 원리인 고분자의 특성을 결정하는 데 있어 이성질체의 중요성에 대한 초기의 훌륭한 예시입니다. 시스 이성질체는 무정형이며 온도 변화에 매우 민감합니다. 이것은 재료가 유용하기 위해 필요한 가교를 만듭니다. 트랜스 이성질체는 결정화할 수 있습니다. 따라서 cis-isomer와 동일한 subambient glass-transition 온도를 가지지만 실온 이상에서 유용한 고체 특성을 갖습니다.

구타페르카는 수백 년 동안 토착 문화에 의해 알려지고 사용된 또 다른 재료였지만 목표 지향적인 유럽인의 손에는 수중 전신선의 절연 재료로 빠르게 채택되었습니다. 이 점에서 cis-isomer 고무와 몇 가지 유사점과 몇 가지 중요한 차이점을 보여주었습니다. 두 재료의 비극성 구조로 인해 우수한 전기 절연체가 됩니다. 그러나 고무의 무정형 구조는 가교된 형태일지라도 염수에 대한 내화학성이 부족한 물질을 초래했습니다. Gutta percha는 바람직한 전기적 특성을 가지고 있었지만 동시에 염수 및 기타 많은 화학 물질에 내성이 있었습니다. 결정화도에서 발생하는 향상된 내화학성의 원리는 폴리머 세계에서도 잘 알려져 있으며, 이는 우리 산업의 역사 초기에 새로운 응용을 가능하게 했습니다.

이것은 또한 재료의 사용과 관련된 또 다른 매우 중요한 측면인 새로운 화학의 개발과 가공 방법의 발명 사이의 관계에 초점을 맞춥니다. 이 재료는 전선을 코팅하는 데 사용되었지만, 그렇게 할 수 있는 능력은 매우 중요한 발명품인 압출기 덕분에 가능했습니다.

다음 기사에서 우리는 Celluloid를 향한 우리의 진행 상황과 처리에서 또 다른 매우 중요한 발전과의 교차점에 대한 이야기를 계속할 것입니다.

저자 소개:Mike Sepe 애리조나주 세도나에 본사를 둔 Michael P. Sepe, LLC가 있는 독립적인 글로벌 재료 및 가공 컨설턴트입니다. 그는 플라스틱 산업에서 40년 이상의 경험을 갖고 있으며 재료 선택, 제조 가능성, 프로세스 설계에 있어 고객을 지원합니다. 최적화, 문제 해결 및 실패 분석. 연락처:(928) 203-0408 • [email protected].