고분자 재료의 역사 추적:7부

셀룰로오스 기반 화학은 고분자 산업의 탄생을 위한 주요 기반 중 하나였습니다. 그러나 우리가 이전에 논의한 바와 같이 질산셀룰로오스를 기반으로 한 초기 화합물은 인화성이 높고 폭발성이 있어 사용이 제한적이었습니다. 화학자들이 이러한 문제에 대한 해결책을 발견함에 따라 이 화학 물질의 사용과 물질이 사용될 수 있는 형태가 확장되었습니다. 20세기 전반기에 엄청난 영향을 미친 물질 중 하나 세기는 셀로판지였습니다.

셀로판에 대한 영감은 스위스 화학자 Jacques Brandenberger에게서 나왔습니다. 이야기가 진행됨에 따라 1900년 레스토랑에서 식사를 하는 동안 Brandenberger는 엎질러진 적포도주가 흰색 식탁보를 더럽히는 것을 보고 보호 코팅 개발에 대해 생각하기 시작했습니다. 생성된 재료는 셀룰로오스 화학을 기반으로 했으며 1892년 Charles Cross와 Edward Bevan이 목재 셀룰로오스를 가성 소다 및 이황화탄소와 반응시켜 비스코스로 알려지게 된 황금 점성 액체를 생성했을 때 발전된 기술을 활용했습니다. 초기 작업에서는 빗과 손잡이와 같이 Celluloid로 만든 것과 유사한 제품을 생산했지만 Cross와 Bevan은 섬유 산업에 유용한 섬유를 만드는 데 중점을 두었습니다.

초기 실험에서는 천연 섬유를 대체하기에는 너무 부서지기 쉬운 섬유를 생산했습니다. 그러나 일련의 운이 좋은 사고를 통해 시간이 지남에 따라 재료의 점도가 증가한다는 것이 발견되었으며, 이러한 과정을 숙성이라고 합니다. 그 결과 훨씬 더 강하고 연성이 있는 제품이 탄생했으며, 이 제품은 쉽게 방적할 수 있었고 나중에 레이온으로 알려지게 되었습니다. 그러나 셀룰로오스 크산테이트로 알려진 이 형태의 레이온은 이 시리즈의 3부에서 언급한 "시어머니 실크"를 만드는 데 사용된 질산 셀룰로오스보다 가연성이 훨씬 낮습니다.

Brandenberger가 면직물에 얼룩을 방지하기 위해 코팅할 재료로 선택한 것은 비스코스였습니다. 그는 또한 매우 뻣뻣하고 부서지기 쉬운 구조의 문제에 직면했습니다. 몇 년에 걸쳐 그는 셀룰로오스 크산테이트의 더 얇은 필름을 만드는 작업을 했으며 궁극적인 결과는 그가 셀로판이라고 부르는 것이었습니다. 1913년까지 Brandenberger는 필름을 만드는 것이 직물 코팅을 생산하는 것보다 더 나은 사업 기회를 제공한다고 판단하고 원하는 두께의 투명 필름의 긴 부분을 생산할 수 있는 기계를 개발했습니다.

20일 전반기에 큰 영향을 미친 자료 세기는 셀로판지였습니다.

영화용 셀룰로이드 필름과 관련된 가연성 문제를 잘 알고 있던 Brandenberger는 먼저 이 시장에서 셀룰로이드를 자신의 셀로판으로 대체하려고 했습니다. 그러나 그는 곧 셀로판이 고온에서 심하게 변형되고 너무 단단해서 필름에 정확한 스프로킷 구멍을 형성할 수 없다는 것을 발견했습니다.

그러나 셀로판은 이상적인 포장재로 판명되었습니다. 투명하고 가벼우며 질긴 이 제품은 당시 일반적으로 사용되던 포장재인 젤라틴과 주석 호일보다 훨씬 뛰어났습니다. 셀로판에 싸인 초기 제품은 향수, 비누 및 치약이었습니다. Brandenberger의 목표는 식품 산업을 대상으로 하는 것이었지만 제1차 세계 대전으로 대량 살상이라는 새로운 무기인 독가스에 대한 불투과성으로 인해 많은 생산을 방독면으로 전환했습니다. 상처에 투명한 외과용 드레싱으로도 사용되었습니다.

제1차 세계대전이 끝난 후 소비재 시장을 확대하기 위한 노력이 재개되었습니다. Whitman's Chocolates는 1912년에 이미 일부 초콜릿의 포장 재료로 셀로판을 채택했지만 1920년대 초에 이 재료의 사용이 구운 식품 및 담배와 같은 제품으로 확대되면서 셀로판은 독극물에 대한 탁월한 장벽이었음이 분명해졌습니다. 가스, 그것은 좋은 수분 장벽이 아니 었습니다.

이 기간 동안 Brandenberger가 시작한 프랑스 회사는 셀로판에 대한 권리를 DuPont에 판매했으며 습기 장벽 문제에 대한 솔루션을 개발한 사람은 DuPont의 화학자였습니다. William Hale Charch는 아이러니하게도 니트로셀룰로오스를 기반으로 코팅을 만들었습니다. 또한 코팅의 특성을 조정하기 위해 가소제와 수분 장벽에 기여하는 왁스를 포함했습니다. 1927년에 완성된 이 개발은 3년이 걸렸고 DuPont에서 나온 화학 혁신의 긴 역사의 시작이었습니다. 수분 장벽 문제가 해결되자 셀로판 사용이 급증하여 듀폰의 가장 성공적이고 잘 알려진 제품 중 하나가 되었습니다.

같은 기간 동안 화학적으로 변형된 또 다른 형태의 셀룰로오스가 초기 열가소성 수지 중 하나의 개발을 위한 토대를 마련하고 있었습니다. 셀룰로오스 아세테이트는 1865년 프랑스 화학자 Paul Schutzenberger에 의해 처음 합성되었으며, 그는 셀룰로오스와 무수 아세트산을 반응시켰습니다. 셀룰로오스 아세테이트는 기본적으로 열가소성 물질이지만 분해 온도가 연화점보다 낮기 때문에 용융 가공이 불가능합니다. 그러나 셀룰로오스 아세테이트의 가용성 형태는 1903년 독일 화학자 Arthur Eichengrun과 Theodore Becker가 물질이 아세톤에 용해된다는 것을 발견했을 때 개발했습니다.

1년 후, 두 형제 Camille와 Henri Dreyfus는 스위스 바젤에 있는 실험실에서 일하기 시작했습니다. 그들의 관심은 셀룰로오스 아세테이트로 바뀌었고 그들은 셀로판이 제공하지 못한 셀룰로이드 필름에 대한 덜 인화성 대체물이 된 필름을 개발했습니다. 그들은 또한 당시의 천과 목제 비행기를 코팅하는 데 사용된 도프(dope)로 알려진 래커를 만들어 습기와 화재의 영향에 강했습니다. 1913년, 셀로판 제조 공정이 완성되었을 때 Dreyfus 형제는 셀룰로오스 아세테이트를 기반으로 필름과 래커를 만들기 위해 Cellonit Company를 설립했습니다.

오늘날까지 투명한 스크루 드라이버 핸들은 CAB로 성형되었습니다.

그들은 1차 세계 대전이 셀룰로오스 아세테이트 래커를 만드는 데 모든 노력을 기울였을 때 아세테이트에서 섬유를 만드는 공정을 개발하기 시작했습니다. 이를 위해 영국 더비셔에 공장을 세웠다. 전쟁 중 Camille Dreyfus는 미국 정부의 셀룰로오스 공장 설립 요청으로 미국으로 건너갔습니다. 전쟁이 끝난 후 Dreyfus 형제는 Celanese라고 하는 아세테이트 섬유 개발을 재개했고 영국 회사의 이름은 1923년 British Celanese로 변경되었습니다. 1927년 Dreyfus가 설립한 미국 회사 Amcelle이 Celluloid를 구입했습니다. 뉴저지주 뉴어크에 있는 회사와 회사 이름을 Celanese Corporation of America로 변경했습니다.

1931년에 Waldo Semon이 PVC의 가공 문제를 해결하기 위해 5년 전에 사용한 가소제와 동일한 종류의 화학 물질을 통합하여 Celanese에서 용융 가공 가능한 셀룰로오스 아세테이트 버전을 개발했습니다. 같은 해에 대부분의 아세트산 무수물을 프로피온산으로 대체함으로써 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP)를 만들 수 있다는 사실이 발견되었습니다. 이 화합물은 내충격성이 더 강하고 용융 가공을 위해 가소제가 덜 필요한 화합물입니다. 1938년에는 부티르산을 반응에 사용하여 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트(CAB)를 생산하면서 더욱 개선되었습니다. 이 소재는 향상된 인성을 나타낼 뿐만 아니라 CA 및 CAP보다 우수한 내열성을 나타냈습니다.

Celanese는 폴리머 세계에서 길고 풍부한 역사를 가지고 있으며 몇 가지 등급의 셀룰로오스 아세테이트가 제품에 포함되어 있습니다. 그러나 광범위한 셀룰로스 제품을 유지하는 회사는 초기 셀룰로스 개발 시대의 또 다른 개척자인 Eastman의 이름을 따왔습니다. 아마도 오늘날까지 이어지는 가장 잘 알려진 응용 프로그램은 투명한 드라이버 핸들일 것입니다.

그러나 셀룰로오스는 코팅, 페인트 및 래커 분야에서 여전히 중요한 기여자입니다. 소재는 섬유형태로 의류 및 드레이프에 사용되며 담배 필터에 선택되는 소재입니다. 안경테는 여전히 셀룰로오스로 만들어집니다. 성능 기반이 덜한 방식으로 수상 리본은 거의 독점적으로 셀룰로오스 아세테이트로 만들어졌으며 많은 트럼프패가 여전히 이 소재를 사용합니다. 현재 ABS로 생산되는 레고 브릭은 원래 셀룰로오스 아세테이트로 성형되었습니다. 그리고 여전히 오버헤드 프로젝터에서 프리젠테이션을 하고 있는 사람들의 경우 슬라이드에 셀룰로오스 기반 재료를 사용하고 있을 것입니다.

셀룰로오스는 다른 재료에 대한 시장 점유율의 많은 부분을 잃었습니다. 셀로판은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVC 및 폴리비닐리덴 클로라이드(PVdC)로 대부분 대체되었으며, 이번에는 Dow Chemical에서 1930년대 초 우연히 발견된 또 다른 중합체입니다. 셀룰로오스 아세테이트 섬유는 나일론과 폴리에스터로 대체되었습니다. 흥미롭게도 플라스틱 산업이 지속 가능성과 순환 경제에 초점을 맞추고 있는 지금, 셀룰로오스를 포함하는 모든 것에서 파생될 수 있는 폴리머가 새로운 차원의 주목을 받기 시작했습니다. 연구원들이 생물학적 혈통이 있는 모든 것으로 폴리머를 만들려고 하는 시대에 우리가 우리의 뿌리로 돌아갈 수 있는지 보는 것은 흥미로울 것입니다.

William Hale Charch가 셀로판 수분 장벽 문제를 해결한 같은 해에 DuPont은 다른 화학자를 고용하여 기초 재료 연구를 수행했습니다. 그는 최초의 합법적인 엔지니어링 열가소성 수지와 관련된 화학 물질을 궁극적으로 개발할 팀을 이끌 것입니다. 이야기의 그 부분은 다음 기사의 주제입니다.

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]