고분자 재료의 역사 추적:10부

얼마 전, 나는 무거운 원소를 합성하는 과정에 대해 토론하고 있던 한 물리학자의 온라인 발표를 보고 있었습니다. 이들은 우라늄보다 무거운 주기율표의 원소입니다. 주기율표 맨 아래 줄에 나오는 많은 것들은 최초의 핵무기 개발 및 시험에 대한 연구 중에 "자연스럽게" 만들어졌습니다. 그러나 원자 번호가 높을수록 이러한 원소를 생산하기가 더 어려워집니다. 수율은 매우 낮고 때로는 소수의 원자에 불과하며 빠르게 붕괴되어 정확히 무엇이 만들어졌는지 파악하기가 매우 어렵습니다.

이러한 유형의 연구의 목적과 실제 가치는 프로젝트에 자금을 지원하는 사람들에게 항상 명확하지 않으므로 이를 정당화할 필요가 있습니다. 이 물리학자는 연설 말미에 우주 계획에 대한 유추를 그려서 그렇게 했습니다. 그는 NASA의 핵심 인물 중 한 명이 달에 가는 것이 돈을 잘 쓴 사례가 아닌 것처럼 보일지 모르지만 그러한 모험을 시작하지 않았다면 테프론을 발명하지 못했을 것이라는 주장에 대해 이야기했습니다. 물론 아이디어는 큰 기술 사업이 주요 목표를 지원하는 데 필요하기 때문에 그 과정에서 부수적 이익을 창출한다는 것입니다.

물론 테프론은 폴리(테트라플루오로에틸렌) 또는 PTFE로 알려진 재료의 상표명입니다. 그것은 매우 특이한 속성 집합을 가지고 있으며 그 중 일부는 일반 대중에게 친숙합니다. PTFE는 또한 광범위한 다른 플루오로폴리머를 발생시켰습니다. 그러나 NASA 관계자의 주장이 아무리 좋아도 그것은 잘못된 것입니다. PTFE는 우연히 발견된 1938년에 우리가 지구 궤도를 도는 로켓을 대기권 밖으로 보내려는 생각을 시작하기 거의 20년 전인 1938년에, 그리고 인간이 달 표면에 착륙하기 30년 전에 발견되었습니다.

PTFE의 발견 역사는 폴리에틸렌의 역사와 유사합니다. 폴리에틸렌과 PTFE의 화학적 성질을 보면 몇 가지 유사점을 볼 수 있습니다. 폴리에틸렌 사슬은 이러한 탄소 원자에서 확장되는 모든 위치에 수소 원자가 채워진 탄소 백본입니다. PTFE에서는 모든 수소 원자가 불소 원자로 대체되어 재료의 이름입니다. 에틸렌과 마찬가지로 테트라플루오로에틸렌은 실온에서 기체입니다. Eric Fawcett과 Reginald Gibson은 에틸렌 가스를 매우 높은 압력으로 두는 실험 중에 에틸렌 가스에서 폴리에틸렌을 실수로 중합했습니다. PTFE의 발견도 비슷한 경로를 따랐지만 이 경우 재료의 제작자는 새로운 폴리머를 만들려는 것이 아니라 단순히 새로 발견된 냉매를 만들려고 했습니다.

<사진> <소스 미디어="(최소 - 너비:1000px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/0821-kh-materials-art.jpg;maxWidth =700 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/0821-kh-materials-art.jpg 2x"> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/0821-kh-materials- art.jpg;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/0821-kh-materials-art.jpg 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/0821-kh-materials-art.jpg;maxWidth=360 1x , https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/0821-kh-materials-art.jpg;maxWidth=720 2x"> 연구에 따르면 PTFE의 마찰이 적은 표면은 도마뱀붙이의 발이 잡을 수 없는 유일한 재료입니다.

PTFE를 발견한 공로로 알려진 Roy Plunkett은 오하이오 주에서 박사 학위를 받은 직후에 DuPont에 고용된 화학자였습니다. 그는 그의 룸메이트가 Paul Flory였던 Manchester College에서 학부 과정을 마쳤습니다. Flory는 Wallace Carothers가 나일론 재료의 중합과 관련된 화학 반응을 이해하는 데 도움을 주었고 계속해서 중합체에 대한 획기적인 기초 연구를 수행하여 1974년 노벨 화학상을 수상했습니다.

Flory가 이론적인 수준에서 재료를 탐구하는 동안 Plunkett은 DuPont에서 실제적인 노력의 세계에서 전체 경력을 보냈습니다. 그의 첫 번째 프로젝트는 냉매의 새로운 화학 물질에 대한 조사였습니다. 이들은 염소화 플루오로카본(chlorinated fluorocarbons)의 형태를 취했는데, 이는 그 이후로 부정적인 환경 영향의 주범이 된 바로 그 CFC입니다. CFC가 출현하기 전에는 냉매가 암모니아와 이산화황과 같은 화학 물질을 기반으로 했다는 사실을 잊기 쉽습니다. 이 화학 물질은 식품 산업 종사자와 집에 냉장고가 있는 운이 좋은 사람들을 자주 중독시켰습니다.

Plunkett은 약 100lb의 테트라플루오로에틸렌을 합성했으며 새로운 냉매를 만들기 위한 염소 처리를 준비하기 위해 매우 낮은 온도에서 작은 실린더에 가스를 저장했습니다. 어느 날 실린더 중 하나를 설정하는 동안 Plunkett의 조수인 Jack Rebok은 실린더의 밸브를 열었을 때 가스가 나오지 않는다는 것을 발견했습니다. 그러나 실린더는 가스로 가득 찬 실린더와 같은 무게를 가졌습니다. Plunkett과 Rebok이 실린더에서 밸브의 나사를 풀었을 때 몇 가지 놀라운 특성을 가진 소량의 흰색 왁스 같은 물질을 발견했습니다. 이 물질은 매우 높은 융점을 나타내고 화학적으로 불활성이며 마찰 계수가 매우 낮습니다. 실린더를 열면 더 많은 양의 새로운 물질이 생성됩니다. 분석 결과 압력 하에서 테트라플루오로에틸렌이 PTFE로 중합된 것으로 나타났습니다.

Plunkett은 PTFE를 궁극적으로 Teflon이 된 상용 제품으로 개발할 기회가 없었습니다.(이 불소 중합체 제품군은 2013년 DuPont에서 Chemours Company로 분사되었습니다.) 중합체 제조 비용이 높기 때문에 상업화가 1945년까지 지연되었습니다. 그리고 속성의 조합으로 인해 제2차 세계 대전의 군사적 노력에 필수적인 재료가 되었습니다. 특히 PTFE는 핵분열성 우라늄 정제와 관련된 긴급한 문제를 해결했습니다. 우라늄 변환 과정에는 육불화우라늄(UF₆ ), 부식성이 매우 강하고 최초의 핵무기 개발의 일환으로 우라늄 농축 작업이 진행되고 있던 Los Alamos와 Oak Ridge National Laboratories에서 심각한 취급 문제를 제기했습니다. PTFE는 UF₆에 의한 부식을 방지하는 데 필요한 내화학성을 가졌습니다. .

1941년 PTFE에 대한 특허가 제출되었습니다. 그 당시 Plunkett은 가솔린 첨가제 테트라에틸 납을 생산하는 DuPont의 다른 부서로 승진했습니다. 이것은 이 기간 동안 DuPont과 General Motors 간의 흥미로운 관계를 보여주고 Plunkett의 경력과 화학자 Thomas Midgely의 경력 사이에 흥미로운 교차점을 생성했습니다.

Midgely는 1916년에 General Motors에서 일하기 시작한 화학자였으며 1921년에 가솔린에 테트라에틸 납을 첨가하면 내연 기관의 노킹을 방지할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 1923년 GM은 DuPont의 테트라에틸 납 생산을 감독하기 위해 General Motors Chemical Company를 설립했습니다. 1920년대 후반, Frigidaire는 General Motors의 한 부서였습니다. GM의 연구 부서는 암모니아, 이산화황, 프로판과 같은 기존 냉매를 대체할 수 있는 불연성 및 무독성 냉매를 개발해야 할 필요성을 깨달았습니다.

그들은 알킬 할로겐화물이 휘발성이고 화학적으로 불활성이기 때문에 이상적인 물질로 확인했습니다. Midgely는 현재 프레온 12로 알려진 최초의 CFC인 디클로로디플루오로메탄을 합성한 팀의 일원이었습니다. Plunkett이 PTFE를 발견했을 때 제조 과정에 있었던 것은 바로 이 화합물이었습니다. CFC에 대한 그의 참여는 경력 후반에 듀폰에서 프레온 생산을 지시할 때 계속될 것입니다.

<그림> <소스 미디어="(최소 - 너비:401픽셀) 및 (최대 너비:1000픽셀)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/pt0821kh-materials-fluoro- part.png;maxWidth=560 1x, https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/pt0821kh-materials-fluoro-part.png 2x"> <소스 미디어="(최대 너비:400px)" srcset="https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/pt0821kh-materials-fluoro-part.png;maxWidth=360 1x , https://d2n4wb9orp1vta.cloudfront.net/cms/brand/pt/2021-pt/pt0821kh-materials-fluoro-part.png;maxWidth=720 2x">

PTFE의 발견은 결국 복잡한 사출 성형과 압출 및 중공 성형을 가능하게 하는 용융 가공 가능한 불소 중합체의 범위를 만들어 냈습니다. (사진설명:(주)퍼포먼스플라스틱)

PTFE는 순수한 PTFE보다 다루기 쉽고 일반적으로 용융 처리될 수 있는 다양한 불소 중합체의 개발을 위한 플랫폼을 제공했습니다. 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP) 및 퍼플루오로 알콕시(PFA)와 같은 이러한 재료 중 일부는 매우 까다로운 조건에서 성형됩니다. 에틸렌-테트라플루오로에틸렌(ETFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌(ECTFE)과 같이 불소 함량이 낮은 공중합체는 다소 낮은 온도에서 작동할 수 있으며 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 융점이 약 160<섭> C(320 바).

이러한 재료 중 일부는 엘라스토머이고 다른 재료는 종종 광물이나 탄소로 채워지는 비교적 부드러운 반강성 재료입니다. 이러한 모든 재료는 내화학성, 내연성 및 낮은 마찰 계수에 기여하는 불소의 존재로 인해 다양한 정도의 이점을 얻습니다. 이들 재료 중 다수는 또한 우수한 전기 절연 특성을 제공하며 전기 및 전자 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다. PTFE는 또한 마찰 계수를 낮추고 마모 특성을 개선하기 위해 다른 많은 폴리머에서 충전제로도 사용됩니다.

PTFE가 가장 잘 알려진 특성인 달라붙지 않는 특성은 금속 조리기구에 처음 적용된 1950년대 중반까지 상업적으로 이용되지 않았습니다. 오늘날까지 PTFE는 도마뱀붙이의 발이 붙을 수 없는 유일한 물질로 알려져 있으며 듀폰이 지금까지 개발한 어떤 제품보다 많은 특허를 받고 있습니다. Plunkett은 폴리머 상업화에 관여한 적이 없지만 그의 이름은 이러한 특허 대부분에 있으며 그는 여전히 PTFE와 관련하여 가장 잘 알려진 사람입니다.

그는 수년 동안 그의 우연한 발견으로 계속해서 인정을 받았습니다. 오늘날 우리가 알고 있는 것을 감안할 때, 역사는 그가 나중에 납 휘발유 및 CFC 냉매에 관여한 것에 대해 호의적으로 보이지 않을 수 있지만 PTFE 및 그 파생 중합체의 생성이 현대 기술의 상태에 상당한 유익한 영향을 미쳤다는 것은 부인할 수 없습니다. /P>

다음 기사에서는 또 다른 매우 영향력 있는 소재인 폴리카보네이트에 대해 논의하면서 엔지니어링 열가소성 수지 제품군의 지속적인 개발에 대해 관심을 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]