고분자 재료의 역사 추적:5부

기술 발전의 역사를 살펴보면 혁신은 진공 상태에서 일어나지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 다른 기여자들은 작은 단계를 밟은 다음 다른 사람들에 의해 발전되며, 페놀과 같은 발명이 최종 형태로 모이면 그 생성은 일련의 사건을 통해 추적될 수 있습니다. 여러 사람이 같은 생각을 하는 경우가 많은 것도 사실이며, 역사가 기억하는 사람은 종종 퍼즐의 마지막 조각을 제자리에 놓고 기술적으로 실현 가능하고 경제적으로 실행 가능한 개발을 만든 것으로 공식 인정을 가장 먼저 받는 사람입니다.

미국의 Leo Beckeland가 페놀 화학이 되는 것에 대한 조사를 시작하기도 전에 Arthur Smith는 유용한 페놀을 생산하기 위한 노력에서 처음으로 발행된 영국 특허를 1899년에 획득했습니다. 그러나 90~100℃의 온도에서 굳는데 며칠이 걸리고 그 과정에서 뒤틀리게 된다. Baieland가 페놀과 포름알데히드의 반응을 정제하는 작업을 하고 있을 때 독일의 화학자인 Carl Heinrich Meyer는 페놀과 포름알데히드 사이에 산 촉매 반응을 일으켰지만 그 사용은 래커와 접착제에만 국한되었습니다.

아돌프 루프트(Adolf Luft)라는 오스트리아 화학자가 같은 문제에 대해 연구하고 있었습니다. 그러나 Luft가 고안한 화합물은 장뇌를 용매로 사용했고 매우 부서지기 쉬웠습니다. 영국의 전기공학자인 James Swinburne은 이 단점을 보완할 용매를 찾기 위해 3년 동안 노력했고 마침내 해결책으로 가성소다를 생각해 냈습니다. 그는 페놀계의 창조로 기억되는 역사적 인물이 되기에는 너무 늦게 영국 특허청에 도착했습니다. 사실 백랜드가 하루 앞서 있었다.

라이벌이자 잠재적 적수지만, 백랜드와 스윈번은 백랜드가 처음 미국에 공장을 설립하면서 특허 소송을 위협한 이후 함께 협력하게 됐다. 제1차 세계 대전 중에 Swinburne과 다른 사람들에게 그의 특허 사용에 대한 허가를 부여하고 궁극적으로 그의 특허가 만료되려는 1920년대 후반에 그의 경쟁사를 많이 사들였습니다.

Beckeland와 Swinburne이 페놀릭을 제조하는 과정에서 취한 경로는 축중합 반응을 제어하는 ​​데 어려움이 있음을 반영한 것입니다. 축합 중합은 일반적으로 원하는 반응을 방해할 수 있고 제거하거나 억제해야 하는 원치 않는 부산물을 생성합니다. 화학 반응의 이러한 측면을 관리하는 문제는 독일 화학자 Adolf von Baeyer의 경험에 의해 극적으로 설명되었습니다. Baeyer는 주로 남색 합성으로 기억되며 1905년 노벨 화학상을 수상했습니다. 그는 또한 지난달 칼럼에서 언급된 유명한 화학자 August Kekulé의 제자였으며 그의 조수가 그의 박사 학위를 통해 Baieland를 멘토링했습니다. Baeyer는 1872년에 페놀과 포름알데히드 사이의 화학 반응을 조사한 최초의 사람으로 인정받고 있습니다. 격렬한 화학 반응으로 수지성 타르 같은 고체가 생성되었으며 Bayer는 그 구성을 분석할 수 없게 된 후 폐기했습니다.

25년 후 바이에른 화학자 아돌프 스피텔러(Adolf Spitteler)가 또 다른 우연한 발견을 하지 않았다면 포름알데히드 기반 폴리머의 길은 끝이 났을 것입니다. Spitteler의 연구실에 거주하던 고양이가 포름알데히드 수용액이 담긴 병을 넘어뜨려 내용물을 우유 접시에 쏟았습니다. Spitteler는 우유가 셀룰로이드와 유사한 성질을 갖는 것으로 보이는 단단한 화합물로 빠르게 응고되는 것을 관찰했습니다. 이 물질을 생성하는 화학 반응은 카제인으로 알려진 단백질 혼합물이 포름알데히드에 의해 가교결합되고 폴리머가 카제인으로 알려지게 된 것과 관련되었습니다. 포름알데히드가 카제인을 물에 불용성으로 만든다는 발견은 실제로 4년 전인 1893년 프랑스 화학자 Alfred Trillat에 의해 이루어졌습니다. 그러나 역사적 공로는 Spitteler와 화학자가 아닌 협력자인 Wilhelm Krische에게 돌아갑니다.

Krische는 빨 수 있는 흰색 칠판을 만드는 데 사용할 수 있는 재료를 찾고 있었습니다. 그는 이미 카제인을 사용해 보았고 처음에는 효과가 있었지만 처음으로 화이트보드를 물로 깨끗이 닦았을 때 카제인이 부드러워졌습니다. 가교결합된 물질이 이 문제를 해결했고 시장이 너무 중요해서 Spitteler와 Krische는 카제인 및 관련 제품을 만드는 회사를 설립했습니다. 트릴라는 자신의 연구에서 나온 제품을 제조하도록 프랑스 회사를 설득했지만 필요한 관심을 끌 수 없었습니다. 카제인이 다양한 모양으로 쉽게 제조될 수 있다는 깨달음과 함께 독일 회사의 성공은 뒤늦게 경쟁하는 프랑스 회사를 설립하게 했습니다.

상업 제품의 이름은 Galalith(그리스어로 "우유 돌")였습니다. 이 자료는 1900년 파리 만국 박람회에 전시되었고 1906년에 특허를 받았습니다. 독일과 프랑스 회사가 권리를 위해 소송을 제기했다는 역사적 정보는 없습니다. 카제인은 빗과 칼 손잡이와 같이 셀룰로이드를 사용하는 많은 제품에도 사용되었지만 두 회사는 주로 단추, 버클 및 보석류를 만드는 패션 산업에서 성장하는 시장을 충족시키기 위해 재료를 생산했습니다. 페놀릭이 나오기 전에는 전기 절연체를 만드는 데에도 사용되었습니다.

그 모든 성공과 페놀계보다 10년 이상 앞선 사실에도 불구하고 카제인은 여전히 ​​고무 및 셀룰로이드와 같은 맥락에서 천연 물질의 변형이며 진정한 합성 제품이 아닙니다. 그러나 알파, 베타 및 카파-카제인으로 구성된 단백질이 이미 20,000~25,000g/mole 범위의 분자량을 갖는 중합체이기 때문에 페놀릭보다 생산하기가 훨씬 쉽습니다. 페놀은 분자량이 94에 불과하여 가교 전에 예비 중합체를 형성해야 합니다.

참고로 플라스틱 업계에 15년 이상 종사한 사람들은 제너럴 일렉트릭이 플라스틱 소재 사업을 하던 시절을 기억합니다. GE 플라스틱의 역사에 대해 질문을 받으면 우리 대부분의 노련한 사람들도 1950년대 중반 폴리카보네이트의 출현을 가리킬 것입니다. 그 발전에 대한 이야기는 1990년대 일요일 아침 뉴스 쇼에 많이 나왔고 한밤중에 실험실을 걷는 고양이를 보여주는 광고에서 알려졌습니다. 고양이가 병을 넘어뜨리고 아침에 과학자(아마도 댄 폭스로 추정됨)가 투명한 물질 덩어리를 찾기 위해 연구실에 와서 끓는 물, 화염 및 망치를 가합니다. 이 모든 것이 무결성에 영향을 미치지 않습니다. 자료.

폴리카보네이트가 우연한 발견 중 하나인 것은 사실이지만 고양이는 없었습니다. GE의 뛰어난 마케터들은 광고를 위해 Spitteler의 고양이 이야기를 빌렸습니다. 그러나 폴리카보네이트는 GE 플라스틱 부서에서 만든 첫 번째 제품이 아닙니다. 오히려 페놀성 물질이었습니다. GE의 핵심 역량은 페놀릭이 처음으로 주목을 받은 전기 산업에 있다는 것을 기억하십시오. GE는 백랜드의 특허가 만료된 후 1920년대 후반에 페놀 화학을 발전시키기 시작했고 1980년대 초까지 상표명 Genal로 물질을 판매했습니다.

카제인-포름알데히드 화학의 성공은 백랜드가 페놀계로 획기적인 발전을 이루기 전에 이루어졌습니다. 그러나 바이엘의 초기 실험에 대한 관심을 다시 불러일으킨 것은 이러한 성공이었습니다. 그리고 여러 화학자들이 이 새로운 화학 물질을 동시에 연구하는 동안 물질 생산과 관련된 축합 반응에서 부산물의 생성과 관련된 상당한 폭발력을 제어하는 ​​시스템을 만든 사람은 백랜드였습니다. 초기 실험자들은 온도를 낮추어 반응 속도를 늦추는 방식으로 반응을 제어하려고 시도했으며 한동안 백랜드도 같은 전략을 따랐습니다. 그의 돌파구는 앞서 언급한 베이클라이저(Bakelizer)라는 가압 용기에서 작동시켜 온도를 높이고 결과적으로 더 빠른 반응을 제어하는 ​​반대 접근 방식을 시도했을 때 이루어졌습니다.

페놀 중합의 복잡성으로 인해 백랜드는 라이선스를 부여하여 돈을 버는 것보다 생산 측면에서 사업을 하기로 결정했습니다. 화학 배경이 없는 제조업체에게는 프로세스가 너무 복잡했습니다. 베이클라이저는 OSHA 검사를 절대 통과할 수 없는 제품이었습니다. 전력이 필요한 교반기가 포함되어 있습니다. 그러나 초기 전력망은 그 시점에서 백랜드 지역에 도달하지 않았습니다. 그래서 그는 증기 기관을 구입하고 연구실 구석에 설치된 석탄 보일러를 사용하여 증기를 기관에 공급했습니다. 그런 다음 증기는 수지 제조가 수행되는 차고로 파이프를 통해 전달되었습니다. 1909년 3월에 화재가 발생하여 차고의 대부분이 타버렸고, 이로 인해 백랜드는 주요 포름알데히드 제조업체가 위치한 뉴저지주 퍼스 앰보이의 화학 공장으로 이전했습니다.

최초의 완전 합성 폴리머는 전기 절연체 분야에서 명성을 얻었지만 이후 30년 동안 가전 제품, 사무 기기, 통신, 자동차, 항공기 및 무기류를 포함한 다양한 시장으로 영향력을 확대했습니다. 욕실 비품과 펜 배럴의 사소한 영역. 페놀릭의 성형성은 플라스틱 디자인 분야를 탄생시켰습니다. 그리고 요소와 멜라민을 포함하여 포름알데히드와의 가교를 기반으로 하는 다른 화학을 육성했습니다. 이러한 물질은 더 쉽게 착색되었으며 추적으로 알려진 전류의 장기적인 영향에 대한 저항성이 더 우수했습니다.

최초의 합성 폴리머는 열경화성 수지였으며 수십 년 동안 플라스틱 산업을 지배했으며 오늘날 우리 산업의 모습과는 거리가 멀습니다. 그러나 열가소성 수지의 침입은 이미 시작되었고 1930년대부터 상황을 근본적으로 변화시킬 것입니다. 우리는 다음 이야기에서 그 부분에 주의를 기울일 것입니다.

저자 소개:Michael Sepe 애리조나 주 세도나에 기반을 둔 독립 재료 및 가공 컨설턴트로 북미, 유럽 및 아시아 전역에 고객을 보유하고 있습니다. 그는 플라스틱 산업에서 45년 이상의 경험을 가지고 있으며 재료 선택, 제조 가능성을 위한 설계, 프로세스 최적화, 문제 해결 및 실패 분석을 지원합니다. 연락처:(928) 203-0408 •[email protected]