Retracer l'histoire des matériaux polymères :7e partie

La chimie à base de cellulose a été l'un des principaux fondements de la naissance de l'industrie des polymères. Mais comme nous l'avons évoqué précédemment, les composés initiaux à base de nitrate de cellulose étaient hautement inflammables voire explosifs, limitant leur utilisation. Au fur et à mesure que les chimistes ont découvert des solutions à ces problèmes, il a élargi l'utilisation de cette chimie et les formes sous lesquelles le matériau pouvait être utilisé. Une de ces substances qui a eu un immense impact dans la première moitié du 20 ^ème siècle était la cellophane.

L'inspiration pour la cellophane est venue d'un chimiste suisse, Jacques Brandenberger. Comme le raconte l'histoire, alors qu'il dînait dans un restaurant en 1900, Brandenberger a observé du vin rouge renversé tachant une nappe blanche et a commencé à penser à développer un revêtement protecteur. Le matériau résultant était basé sur la chimie de la cellulose et utilisait une avancée qui avait eu lieu en 1892 lorsque Charles Cross et Edward Bevan ont fait réagir de la cellulose de bois avec de la soude caustique et du sulfure de carbone pour produire un liquide visqueux doré qui est devenu connu sous le nom de viscose. Alors que les premiers travaux avec le matériau produisaient des articles similaires à ceux fabriqués à partir de celluloïd, comme des peignes et des poignées, Cross et Bevan se sont concentrés sur la fabrication d'une fibre utile pour l'industrie textile.

Les premières expériences ont produit une fibre qui était trop fragile pour fournir un substitut utile aux fibres naturelles. Cependant, à travers une série d'accidents heureux, il a été découvert que la viscosité du matériau augmentait avec le temps, un processus connu sous le nom de maturation. Il en a résulté un produit beaucoup plus résistant et ductile qui pouvait être facilement filé et est devenu plus tard connu sous le nom de rayonne. Mais cette forme de rayonne, connue sous le nom de xanthate de cellulose, était beaucoup moins inflammable que le nitrate de cellulose qui était utilisé pour fabriquer la "soie belle-mère" que nous avons mentionnée dans la partie 3 de cette série.

C'est la viscose que Brandenberger a choisie comme matériau pour enduire le tissu de coton afin de le rendre résistant aux taches. Il a également rencontré des problèmes avec une structure très rigide et cassante. Pendant plusieurs années, il a travaillé à la fabrication de films plus minces de xanthate de cellulose, le résultat final étant ce qu'il a appelé la cellophane. En 1913, Brandenberger avait décidé que la fabrication du film offrait une meilleure opportunité commerciale que la production d'un revêtement en tissu, et il avait développé une machine qui pouvait produire de longues sections du film transparent dans l'épaisseur souhaitée.

Un matériau qui a eu un impact énorme au cours de la première moitié du 20 ^ème siècle était la cellophane.

Bien conscient des problèmes d'inflammabilité associés au film celluloïd à usage cinématographique, Brandenberger a d'abord cherché à remplacer le celluloïd sur ce marché par sa cellophane. Cependant, il a rapidement découvert que la cellophane se déformait gravement à des températures élevées et était trop dure pour permettre la formation de trous d'entraînement précis dans le film.

Mais la cellophane s'est avérée être le matériau d'emballage idéal. Transparent, léger et résistant, il était de loin supérieur à l'un ou l'autre des matériaux d'emballage couramment utilisés à l'époque, à savoir la gélatine et le papier d'aluminium. Les premiers produits emballés dans du cellophane étaient des parfums, des savons et des dentifrices. L'objectif de Brandenberger était de cibler l'industrie alimentaire, mais la Première Guerre mondiale a détourné une grande partie de la production vers des masques à gaz en raison de l'imperméabilité du matériau au gaz empoisonné, la nouvelle arme de destruction massive. Il était également utilisé comme pansement chirurgical transparent pour les plaies.

Après la fin de la Première Guerre mondiale, les efforts pour élargir le marché de la consommation ont repris. Whitman's Chocolates avait déjà adopté la cellophane comme matériau d'emballage pour certains de ses chocolats en 1912, mais à mesure que l'utilisation de ce matériau s'étendait aux produits de boulangerie et aux produits comme le tabac au début des années 1920, il est devenu évident que si la cellophane était une excellente barrière contre le poison gaz, ce n'était pas une bonne barrière contre l'humidité.

Pendant cet intervalle, la société française fondée par Brandenberger a vendu les droits de cellophane à DuPont, et c'est un chimiste de DuPont qui a développé la solution au problème de la barrière contre l'humidité. William Hale Charch a créé un revêtement à base, ironiquement, de la nitrocellulose. Il a également incorporé un plastifiant pour adapter les propriétés du revêtement et une cire qui a contribué à la barrière contre l'humidité. Ce développement, achevé en 1927, a duré trois ans et a été le début d'une longue histoire d'innovation chimique issue de DuPont. Une fois le problème de la barrière contre l'humidité résolu, l'utilisation de la cellophane est montée en flèche, ce qui en fait l'un des produits DuPont les plus populaires et les plus connus.

Au cours de cette même période, une autre forme de cellulose chimiquement modifiée a jeté les bases du développement de l'un des premiers thermoplastiques. L'acétate de cellulose a été synthétisé pour la première fois en 1865 par le chimiste français Paul Schutzenberger, qui a fait réagir la cellulose avec l'anhydride acétique. Bien que l'acétate de cellulose soit fondamentalement un thermoplastique, il n'aurait pas pu être traité à l'état fondu puisque sa température de décomposition est inférieure à son point de ramollissement. Cependant, des formes solubles d'acétate de cellulose ont été développées en 1903 par les chimistes allemands Arthur Eichengrun et Theodore Becker lorsqu'ils ont découvert que le matériau se dissoudrait dans l'acétone.

Un an plus tard, deux frères, Camille et Henri Dreyfus, ont commencé à travailler dans un laboratoire à Bâle, en Suisse. Leur attention s'est tournée vers l'acétate de cellulose et ils ont développé un film qui est devenu le substitut moins inflammable du film celluloïd que la cellophane n'avait pas réussi à fournir. Ils ont également créé une laque connue sous le nom de dope qui a été utilisée pour enduire les avions en tissu et en bois de l'époque, les rendant résistants aux effets de l'humidité et du feu. En 1913, alors que le procédé de fabrication de la cellophane se perfectionne, les frères Dreyfus créent la société Cellonit pour fabriquer à la fois leurs films et les laques à base d'acétate de cellulose.

Les poignées transparentes du tournevis sont encore aujourd'hui moulées en CAB.

Ils venaient juste de commencer à développer un procédé de fabrication d'une fibre à partir d'acétate lorsque la Première Guerre mondiale a détourné tous leurs efforts pour fabriquer les laques d'acétate de cellulose. Ils ont établi une usine dans le Derbyshire, en Angleterre, à cet effet. Pendant la guerre, Camille Dreyfus se rend aux États-Unis à la demande du gouvernement américain pour y implanter une usine de cellulose. Après la fin de la guerre, les frères Dreyfus reprirent le développement d'une fibre d'acétate qu'ils appelèrent celanese, et le nom de la société britannique fut changé en British Celanese en 1923. En 1927, la société américaine Dreyfus avait créé, Amcelle, acheta le Celluloid Company of Newark, New Jersey et la société a été renommée Celanese Corporation of America.

En 1931, une version de l'acétate de cellulose pouvant être traitée par fusion a été développée chez Celanese en incorporant la même classe de produits chimiques que les plastifiants que Waldo Semon avait utilisés cinq ans plus tôt pour résoudre les problèmes de traitement du PVC. La même année, il a été découvert qu'en remplaçant la majeure partie de l'anhydride acétique par de l'acide propionique, il était possible de fabriquer du propionate d'acétate de cellulose (CAP), un composé plus résistant aux chocs et nécessitant moins de plastifiant afin de le rendre transformable à l'état fondu. D'autres améliorations ont été apportées en 1938 lorsque l'acide butyrique a été utilisé dans la réaction pour produire du butyrate d'acétate de cellulose (CAB). Ce matériau a non seulement présenté une ténacité améliorée, mais également une résistance à la chaleur supérieure à celle du CA et du CAP.

Celanese a une longue et riche histoire dans le monde des polymères, et quelques qualités d'acétate de cellulose font toujours partie de ses offres. Mais la société qui maintient une large offre en cellulosiques porte le nom d'un autre pionnier de l'ère du développement précoce de la cellulose, Eastman. L'application la plus connue qui continue à ce jour est peut-être la poignée de tournevis transparente.

Mais les cellulosiques restent un contributeur important au monde des revêtements, des peintures et des laques. Les matériaux sont utilisés sous forme de fibres pour les vêtements et les rideaux et ce sont les matériaux de choix pour les filtres à cigarettes. Les montures de lunettes sont toujours en cellulosique. Dans une veine moins axée sur la performance, les rubans de récompense sont presque exclusivement en acétate de cellulose, et de nombreuses cartes à jouer utilisent encore ce matériau. Les briques Lego, maintenant produites en ABS, étaient à l'origine moulées en acétate de cellulose. Et pour ceux qui font encore des présentations sur un rétroprojecteur, vous utilisez probablement un matériau à base de cellulose pour vos diapositives.

Les cellulosiques ont perdu une grande partie de leur part de marché au profit d'autres matériaux. La cellophane a été largement remplacée par le polyéthylène, le polypropylène, le PVC et le chlorure de polyvinylidène (PVdC), un autre polymère découvert par accident au début des années 1930, cette fois chez Dow Chemical. La fibre d'acétate de cellulose a été remplacée par le nylon et le polyester. Fait intéressant, maintenant que l'industrie des plastiques se concentre sur la durabilité et une économie circulaire, un polymère qui peut être dérivé de tout ce qui contient de la cellulose commence à attirer un nouveau niveau d'attention. À une époque où les chercheurs essaient de fabriquer des polymères à partir de tout ce qui a un pedigree biologique, il sera intéressant de voir si nous retournons à nos racines.

La même année où William Hale Charch a résolu le problème de la barrière contre l'humidité en cellophane, un autre chimiste a été embauché par DuPont pour mener des recherches de base sur les matériaux. Il dirigerait une équipe qui finirait par développer la chimie associée au premier thermoplastique technique légitime. Cette partie de l'histoire sera le sujet de notre prochain épisode.

À PROPOS DE L'AUTEUR :Michael Sepe est un consultant indépendant en matériaux et en transformation basé à Sedona, en Arizona, avec des clients 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]