고분자 재료의 역사 추적:11부

1930년대 내내 새로운 폴리머의 개발과 상업화가 빠른 속도로 이루어졌습니다. PVC, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 아크릴 및 성형 가능한 셀룰로오스는 모두 이 10년 동안 시대에 들어섰습니다. 1940년대까지 폴리스티렌의 특성은 투명성을 희생시키면서 범용 재료의 충격을 개선하기 위해 부타디엔 고무를 첨가함으로써 확장되었습니다. 또한 폴리스티렌의 특성은 아크릴로니트릴과 공중합하여 열과 내약품성이 향상된 투명한 물질인 SAN을 만들어 냄으로써 확장되었습니다. 이 소재는 또한 부타디엔 고무를 추가하여 ABS를 만들면서 강화되었으며, 다시 한 번 투명성이 희생되었습니다.

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폴리카보네이트는 투명성, 내열성 및 인성이 요구되는 모든 곳에서 필수 재료가 되었습니다. (사진설명:폴리원)

오늘날 우리는 초기 투명 폴리머를 일반적으로 SAN 및 아크릴과 같이 단단하고 부서지기 쉬운 것으로 간주하거나 셀룰로오스계와 같이 부드럽고 질긴 것으로 간주합니다. 그러나 초기 개발 기간 동안 이러한 재료 중 많은 부분이 유리에 대한 안전한 대안으로 제공되었습니다. 이것은 특히 Otto Rohm과 같은 화학자들의 노력을 통해 주로 개발된 아크릴의 경우였습니다. 아크릴은 풍화 및 자외선의 영향에 대한 탁월한 내성으로 인해 유리에 대한 매우 다양한 대안으로 남아 있습니다. 그러나 부드러운 투명 재료와 단단하고 부서지기 쉬운 재료 사이의 절충안은 1950년대 초 오늘날 우리가 폴리카보네이트로 알고 있는 완전히 새로운 화학 물질의 생성으로 극적으로 바뀌었습니다.

PC 개발은 이전에 논의한 많은 자료와 공통 주제를 공유합니다. 개발은 여러 번 잘못된 시작으로 장기간에 걸쳐 발생했습니다. 궁극적으로 상업적으로 성공한 물질의 발견은 우연이었고 세계의 다른 지역에서 거의 동시에 일어났습니다. 우리는 PC 생산의 시작을 1950년대 후반으로 생각하지만, 이 물질은 1898년 독일 화학자 Alfred Einhorn이 실험실에서 처음 만들었습니다. 그는 뮌헨 대학에서 노벨상을 수상한 화학자 Adolf von Baeyer와 함께 일하고 가르쳤습니다. 먼저 합성된 다음 페놀릭을 버립니다.

Einhorn은 Novocain으로 더 잘 알려진 국소 마취 프로카인을 최초로 합성한 사람으로 가장 잘 알려져 있습니다. 그러나 1890년대에 Einhorn은 고리형 탄산염 합성을 시도하고 하이드로퀴논과 포스겐을 반응시켜 폴리카보네이트를 생산했습니다. 다양한 화학자들이 실험실에서 30년 동안 실험했지만 상업적인 성공을 거두지 못했습니다.

그러나 화학 반응은 오늘날 우리가 사용하는 중합체를 최종적으로 생산한 것의 원형이었습니다. 1928년에 듀폰의 Wallace Carothers와 그의 팀은 폴리에스터와 나일론 개발에 힘쓰면서 PC도 생산했습니다. 화학적으로 PC와 폴리에스터는 많은 유사점이 있으며 Carothers가 재료를 생산하기 위해 사용한 축합 반응은 궁극적으로 폴리카보네이트를 중합하는 데 사용되는 것과 매우 유사했습니다.

그러나 Carothers가 생산한 재료는 상용 제품을 특징짓는 방향족 골격과 달리 지방족 골격 구조를 가지고 있었습니다. 결과적으로 이러한 초기 폴리카보네이트의 열적, 기계적 및 화학적 특성은 유용하지 않은 것으로 간주되었으며 이러한 재료도 보류되었습니다.

1953년이 되어서야 독일 Uerdingen의 Bayer 시설에서 일하는 Hermann Schnell과 그의 팀이 현재의 상업적 성공을 위한 기반이 된 폴리카보네이트 버전을 만들었습니다. 일주일 후 General Electric의 Dan Fox는 새로운 전선 절연 재료를 개발하는 동안 동일한 화합물을 독립적으로 발견했습니다. 두 가지 버전의 폴리머는 화학적으로 동일하지만 구조적으로 다릅니다. 1955년 상표명 Makrolon인 Bayer 재료는 선형 폴리머인 반면 GE의 발견은 분지된 재료였습니다.

두 재료의 특성은 매우 유사했습니다. 초기 버전은 화학적 불순물이 제거된 1971년에야 해결된 호박색 색조를 가졌지만 투명했습니다. 또한 재료의 연화점은 약 50º 였습니다. C(90º F) 물의 끓는점보다 편안하게 알려진 투명 물질보다 높습니다. 그리고 그들은 당시 알려진 다른 어떤 투명 물질도 훨씬 능가하는 수준의 연성을 가지고 있었습니다. 즉, 폴리카보네이트는 이전에 가능했던 것 이상으로 투명 폴리머가 충족할 수 있는 적용 범위를 확장했습니다.

두 대기업이 거의 동시에 폴리머를 개발하면 상당한 수준의 법적 활동이 발생할 것으로 예상할 수 있습니다. 그러나 HDPE와 PP의 개발을 특징으로 하는 30년 간의 소송 이야기와 달리 PC에 대한 잠재적인 분쟁은 궁극적으로 우선권을 받은 회사가 다른 회사에 라이선스를 부여한다는 합의로 비교적 빨리 해결되었습니다. . 1970년대와 1980년대에 제너럴 일렉트릭에서 나온 판매 문헌을 읽거나 그 기간 동안 매사추세츠주 피츠필드를 방문했다면 바이엘이 우선권을 가졌습니다. PC와 관련된 지적 재산은 GE 홀에 있습니다.

1978년에 나는 크리스마스 휴가 동안 피츠필드를 방문했습니다. 당시 GE는 인구 50,000명이 조금 넘는 마을에 5000명 이상의 직원을 고용했습니다. 이 직원들은 전력 변압기 사업부, 해군 조례 사업부 또는 플라스틱 사업부에서 근무했습니다. 우리가 GE 시설을 지나갈 때 나는 처음 두 단지 앞의 휴일 장식은 확실히 절제된 반면 플라스틱 사업부 건물 앞은 영화 "크리스마스 휴가"에서 Chevy Chase의 집처럼 보였다는 것을 알았습니다. 함께 여행한 사람은 어느 부서에서 모든 수익을 올리고 있는지 쉽게 알 수 있다고 말했습니다.

오늘날 바이엘이나 GE는 이 획기적인 자료에 대한 권리를 소유하지 않습니다. 2006년 GE는 전체 플라스틱 사업부를 SABIC(Saudi Arabia Basic Industries)에 매각했습니다. 2015년 Bayer의 Material Science Division은 1980년대와 1990년대 초 General Electric에서 폴리머 블렌드에 대한 뛰어난 연구를 수행한 리더의 지휘 하에 폴리머에 대한 관심을 Covestro로 분사했습니다. 플라스틱 산업이 지난 20년 동안 빠르게 성장하는 비즈니스에서 보다 성숙한 노력으로 어떻게 변화했는지, 자본 투자에 대한 대기업의 초점이 폴리머 세계에서 어떻게 멀어졌는지에 대한 논평입니다.

그럼에도 불구하고, 발견 이후 몇 년은 분주한 시간이었습니다. 폴리카보네이트 생산은 1958년 바이엘에서, 1960년 제너럴 일렉트릭에서 시작되었습니다. 전기 및 전자 분야, 건설 및 조명, 식품 포장, 자동차 및 항공 우주 산업, 의료 기기에서 응용 분야가 빠르게 발전했습니다. 투명도와 견고함이 요구되는 모든 응용 분야에서 PC는 선택의 재료가 되었습니다. 여기에는 오토바이 및 ATV용 안경, 앞유리, 페어링 및 안전 실드, 항공기용 조종석 캐노피 등이 포함됩니다. 이 중합체는 매우 다용도이며 필름 형태로 제조할 수 있는 것으로 판명되어 매우 효과적인 전기 절연체로 사용되지만 블로우 성형, 압출, 사출 성형 및 열성형에도 적합합니다.

1981년에 이 자료는 최초의 컴팩트 디스크가 탄생하면서 데이터 저장 시장에 진입했으며, 그 뒤를 이어 DVD가 출시되었습니다. 재료의 높은 유리 전이 온도로 인해 증기 및 오토클레이브 기술에 의한 멸균에 적합했으며 비정질 구조와 결합된 중합체 골격의 방향족 화학 또한 감마 및 오토클레이브와 같은 고에너지 멸균 기술의 주요 후보가 되었습니다. 전자빔. 생체 적합성 및 식품 접촉에 대한 표준을 충족하는 등급이 개발되었습니다. UV 안정화 등급은 재료의 활용도를 실외 응용 분야로 확장하기 위해 개발되었습니다. 최초의 난연성 등급은 1970년에 개발되었습니다.

폴리카보네이트는 또한 블렌드에서 가장 자주 사용되는 폴리머 중 하나입니다. 이는 재료가 취약한 것으로 간주되는 영역의 일부 특성을 개선합니다. 블렌드는 ABS, SAN, ASA, 폴리에스터 및 폴리우레탄으로 만들어졌습니다. 2016년 전 세계 생산 능력은 100억 파운드에 달했습니다. 폴리에스터를 포함하는 공중합체는 작동 온도를 200도 가까이까지 확장했습니다. C(392 F)와 실록산 화학을 폴리머 백본에 통합하면 가수분해 및 환경 응력 균열에 대한 저항성이 향상되었습니다. 이 두 가지 영향은 항상 재료의 성능 프로필에서 두드러진 약점이었습니다.

이 모든 성공에도 불구하고 PC의 역사에는 어려움이 없었습니다. 다음 기사에서 그 중 일부를 살펴보겠습니다.

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]