Retracer l'histoire des matériaux polymères :5e partie

Un examen de l'histoire des développements technologiques montre que les percées ne se produisent pas dans le vide. Différents contributeurs font de petits pas, qui sont ensuite avancés par d'autres, et lorsqu'une invention comme le phénolique se présente sous sa forme finale, sa création peut être retracée à travers une longue chaîne d'événements. Il est également vrai que plusieurs personnes ont souvent la même idée, et la personne dont l'histoire se souvient est souvent celle qui reçoit la première reconnaissance formelle pour avoir mis en place la dernière pièce du puzzle, rendant le développement à la fois technologiquement faisable et économiquement viable.

Avant même que Leo Baekeland aux États-Unis n'ait commencé son enquête sur ce qui allait devenir la chimie phénolique, Arthur Smith a obtenu un brevet britannique en 1899, le premier à être délivré dans le but de produire un phénolique utile. Cependant, il a fallu plusieurs jours pour durcir à une température de 90-100 C et se déformer au cours du processus. En même temps que Baekeland travaillait à affiner la réaction entre le phénol et le formaldéhyde, un chimiste allemand, Carl Heinrich Meyer, produisait une réaction catalysée par un acide entre le phénol et le formaldéhyde, mais son utilisation était limitée aux laques et aux adhésifs.

Un chimiste autrichien nommé Adolf Luft travaillait sur le même problème. Mais le composé que Luft a proposé utilisait du camphre comme solvant et était très cassant. Un ingénieur électricien britannique, James Swinburne, a travaillé pendant trois ans pour trouver un solvant qui corrigerait cette lacune et a finalement trouvé la soude caustique comme solution. Il est arrivé à l'office britannique des brevets un peu trop tard pour devenir le personnage historique dont on se souvient pour la création du phénolique. En fait, Baekeland l'a précédé d'un jour.

Bien que rivaux et adversaires potentiels, Baekeland et Swinburne ont fini par travailler ensemble après que Baekeland ait d'abord menacé de poursuites en matière de brevets lorsque Swinburne a créé une usine aux États-Unis. accordant la permission d'utiliser ses brevets à Swinburne et à d'autres pendant la Première Guerre mondiale, et finalement rachetant nombre de ses concurrents à la fin des années 1920, juste au moment où ses brevets étaient sur le point d'expirer.

La voie empruntée par Baekeland et Swinburne pour le processus de fabrication des composés phénoliques reflétait la difficulté de contrôler une réaction de polymérisation par condensation. Les polymérisations par condensation produisent généralement des sous-produits indésirables qui peuvent entraver la réaction souhaitée et doivent être éliminés ou supprimés. Le problème de la gestion de cet aspect de la réaction chimique a été dramatiquement illustré par l'expérience du chimiste allemand Adolf von Baeyer. On se souvient principalement de Baeyer pour sa synthèse de l'indigo et il a remporté le prix Nobel de chimie en 1905. Il était également un protégé d'August Kekulé, le célèbre chimiste mentionné dans la chronique du mois dernier, dont l'assistant a encadré Baekeland pendant son doctorat. Baeyer est crédité d'avoir été la première personne à enquêter sur la réaction chimique entre le phénol et le formaldéhyde en 1872. La violente réaction chimique a produit un solide résineux ressemblant à du goudron que Baeyer a jeté après avoir été incapable d'analyser sa composition.

Cela aurait pu être la fin de la route pour les polymères à base de formaldéhyde, sans une autre découverte accidentelle faite par le chimiste bavarois Adolf Spitteler 25 ans plus tard. Un chat qui résidait dans le laboratoire de Spitteler a renversé une bouteille contenant une solution aqueuse de formaldéhyde, renversant le contenu dans une soucoupe de lait. Spitteler a observé que le lait caillé rapidement en un composé dur qui semblait avoir des propriétés similaires à celles du celluloïde. La réaction chimique qui a produit ce matériau impliquait la réticulation d'un mélange de protéines appelées caséine par le formaldéhyde et le polymère est devenu connu sous le nom de caséine. La découverte que le formaldéhyde rendait la caséine insoluble dans l'eau avait en fait été faite quatre ans plus tôt en 1893 par un chimiste français, Alfred Trillat. Mais le mérite historique revient à Spitteler et à un collaborateur non chimiste, Wilhelm Krische.

Krische cherchait un matériau qu'il pourrait utiliser pour fabriquer des tableaux d'écriture blancs lavables. Il avait déjà essayé d'utiliser de la caséine, et alors que cela fonctionnait initialement, la caséine s'est ramollie la première fois que le tableau blanc a été essuyé avec de l'eau. Le matériau réticulé a résolu ce problème et le marché était si important que Spitteler et Krische ont fondé une entreprise pour fabriquer de la caséine et des produits connexes. Trillat avait tenté de convaincre une entreprise française de fabriquer le produit issu de ses recherches, mais il n'a pas réussi à susciter l'intérêt nécessaire. Le succès de l'entreprise allemande, associé à la prise de conscience que la caséine pouvait facilement être fabriquée sous une grande variété de formes, a incité la création tardive d'une opération française concurrente.

Le produit commercial s'appelait Galalith (« pierre à lait » en grec). Le matériel a été exposé à l'Exposition universelle de Paris en 1900 et a été breveté en 1906. Il n'y a aucune information historique indiquant que les sociétés allemandes et françaises ont plaidé pour les droits. Ils ont tous deux produit le matériau pour répondre à un marché en pleine croissance, principalement dans l'industrie de la mode pour fabriquer des boutons, des boucles et des bijoux, bien que la caséine ait trouvé sa place dans de nombreux produits qui utilisaient également du celluloïd, tels que des peignes et des manches de couteaux. Il était même utilisé pour fabriquer des isolants électriques avant l'avènement du phénolique.

Malgré tout son succès et le fait qu'elle ait précédé le phénolique de plus d'une décennie, la caséine était toujours un matériau dans la même veine que le caoutchouc et le celluloïd, une modification d'un matériau naturel et non un véritable produit synthétique. Cependant, il était beaucoup plus facile à produire que phénolique car les protéines, constituées d'alpha, bêta et kappa-caséine, sont déjà des polymères avec des poids moléculaires compris entre 20 000 et 25 000 g/mole. Le phénol a un poids moléculaire de seulement 94, nécessitant la formation d'un prépolymère avant la réticulation.

En passant, ceux qui travaillent dans l'industrie des plastiques depuis plus de 15 ans se souviennent d'une époque où General Electric avait une division des matières plastiques. Interrogés sur l'histoire de GE Plastics, même la plupart d'entre nous, les anciens, signaleront l'avènement du polycarbonate au milieu des années 1950. L'histoire de ce développement a été racontée dans une publicité qui a été beaucoup diffusée dans les journaux télévisés du dimanche matin dans les années 1990 et qui montrait un chat marchant dans un laboratoire au milieu de la nuit. Le chat renverse une bouteille et le matin, un scientifique, vraisemblablement Dan Fox, entre dans le laboratoire pour trouver une boule de matière transparente qu'il soumet ensuite à de l'eau bouillante, une flamme et un marteau, qui n'affectent pas l'intégrité. du matériel.

S'il est vrai que le polycarbonate était l'une de ces découvertes accidentelles, il n'y avait pas de chat. Les brillants spécialistes du marketing de GE avaient emprunté l'histoire du chat de Spitteler pour leur publicité. Mais le polycarbonate n'était pas le premier produit fabriqué par la division GE Plastics. C'était plutôt phénolique. N'oubliez pas que la compétence principale de GE était dans l'industrie électrique, où le phénolique a fait sa première impression. GE a commencé à faire progresser la chimie phénolique à la fin des années 1920 après l'expiration des brevets de Baekeland et a vendu un matériau sous le nom commercial Genal jusqu'au début des années 1980.

Le succès de la chimie caséine-formaldéhyde a eu lieu avant que Baekeland ne fasse sa percée avec le phénolique. Mais c'est ce succès qui a ravivé l'intérêt pour les premières expériences de Baeyer. Et tandis que plusieurs chimistes travaillaient simultanément sur cette nouvelle chimie, c'est Baekeland qui a élaboré le système qui contrôlait la force explosive considérable associée à la génération des sous-produits de la réaction de condensation impliquée dans la production du matériau. Les expérimentateurs précédents avaient tenté de contrôler la réaction en abaissant la température pour ralentir les choses, et pendant un certain temps Baekeland a suivi la même stratégie. Sa percée est survenue lorsqu'il a essayé l'approche opposée, en augmentant la température et en contrôlant la réaction plus rapide qui en résulte en la faisant fonctionner dans un récipient sous pression, le Bakelizer susmentionné.

La complexité de la polymérisation phénolique a contribué à la décision de Baekeland de se lancer dans la production de l'entreprise plutôt que de gagner de l'argent en accordant des licences. Le processus était tout simplement trop compliqué pour les fabricants sans formation en chimie. Le Bakelizer était quelque chose qui ne passerait jamais une inspection OSHA. Il comprenait un agitateur qui nécessitait une alimentation électrique. Mais le réseau électrique naissant n'avait pas encore atteint la région de Baekeland. Ainsi, il acquiert une machine à vapeur et fournit la vapeur à la machine à l'aide d'une chaudière à charbon installée dans un coin du laboratoire. La vapeur était ensuite acheminée vers un garage où se faisait la fabrication de la résine. Un incendie a consumé la majeure partie du garage en mars 1909, ce qui a amené Baekeland à déménager dans une usine chimique à Perth Amboy, dans le New Jersey, où se trouvait un important fabricant de formaldéhyde.

Le premier polymère entièrement synthétique a fait sa marque dans les isolants électriques, mais au cours des 30 années suivantes, il a étendu son influence à une grande variété de marchés qui comprenaient les appareils électroménagers, l'équipement de bureau, les communications, l'automobile, l'aviation et l'armement, ainsi que les zones les plus insignifiantes des accessoires de salle de bain et des barils de stylo. La moulabilité du phénolique a donné naissance à la discipline du design plastique. Et il a favorisé d'autres chimies basées sur la réticulation avec le formaldéhyde, y compris l'urée et la mélamine. Ces matériaux étaient plus facilement colorés et avaient une meilleure résistance à un effet à long terme du courant électrique connu sous le nom de suivi.

Les premiers polymères synthétiques étaient des thermodurcissables, et ils ont dominé l'industrie des plastiques pendant des décennies, bien loin du paysage de notre industrie aujourd'hui. Mais l'incursion des thermoplastiques commençait déjà et allait changer profondément les choses à partir des années 30. Nous allons maintenant porter notre attention sur cette partie de l'histoire.

À PROPOS DE L'AUTEUR :Michael Sepe est un consultant indépendant en matériaux et en transformation basé à Sedona, en Arizona, avec des clients partout en Amérique du Nord, en Europe et en Asie. Il a plus de 45 ans d'expérience dans l'industrie des plastiques et assiste les clients dans la sélection des matériaux, la conception pour la fabrication, l'optimisation des processus, le dépannage et l'analyse des défaillances. Contact :(928) 203-0408 •[email protected]