Retracer l'histoire des matériaux polymères :partie 10

Il y a quelque temps, je regardais une présentation en ligne d'un physicien qui discutait du processus de synthèse d'éléments lourds. Ce sont les éléments du tableau périodique qui sont plus lourds que l'uranium. Beaucoup de ceux qui apparaissent dans la rangée au bas d'un tableau périodique ont été créés «naturellement» lors de la recherche sur le développement et le test des premières armes atomiques. Mais à mesure que vous montez en nombre atomique, il devient plus difficile de produire ces éléments. Les rendements deviennent très faibles, parfois juste une poignée d'atomes, et ceux-ci se désintègrent rapidement, ce qui rend très difficile de comprendre ce qui a été fabriqué exactement.

Le but et la valeur pratique de ce type de recherche n'est pas toujours évident pour ceux qui financent des projets, il faut donc le justifier, ce que ce physicien a fait vers la fin de son exposé en faisant une analogie avec le programme spatial. Il a raconté un argument avancé par l'une des personnes clés de la NASA selon lequel, même s'il peut sembler qu'aller sur la lune n'était pas un exemple d'argent bien dépensé, si nous n'avions pas entrepris une telle entreprise, nous n'aurions jamais inventé le téflon. L'idée, bien sûr, est que les grandes entreprises technologiques produisent des avantages accessoires en cours de route, car elles sont nécessaires pour soutenir l'objectif principal.

Le téflon, bien sûr, est un nom commercial pour un matériau connu sous le nom de poly(tétrafluoroéthylène) ou PTFE. Il possède un ensemble de propriétés très inhabituelles, dont certaines sont familières au grand public. Le PTFE a également donné naissance à une large gamme d'autres polymères fluorés. Mais aussi bon que puisse paraître l'argument du responsable de la NASA, c'est faux. Il s'avère que le PTFE a été découvert accidentellement en 1938, près de deux décennies avant même que nous commencions à penser à envoyer des fusées hors de notre atmosphère en orbite autour de la Terre, et plus de 30 ans avant que nous ayons posé un être humain à la surface de la Lune.

L'histoire de la découverte du PTFE semble similaire à celle du polyéthylène. Si vous regardez la chimie du polyéthylène et du PTFE, vous pouvez voir quelques similitudes. Une chaîne de polyéthylène est un squelette de carbone avec des atomes d'hydrogène peuplant tous les emplacements qui s'étendent à partir de ces atomes de carbone. Dans le PTFE, tous les atomes d'hydrogène ont été remplacés par des atomes de fluor, d'où le nom du matériau. Comme l'éthylène, le tétrafluoroéthylène est un gaz à température ambiante. Eric Fawcett et Reginald Gibson avaient accidentellement polymérisé du polyéthylène à partir d'éthylène gazeux lors d'expériences qui plaçaient l'éthylène gazeux sous très haute pression. La découverte du PTFE a suivi un chemin similaire, mais dans ce cas, le créateur du matériau n'essayait pas de créer un nouveau polymère, mais simplement d'essayer de fabriquer un réfrigérant nouvellement découvert.

Roy Plunkett, l'homme à qui l'on attribue la découverte du PTFE, était un chimiste embauché par DuPont presque immédiatement après avoir reçu son doctorat de l'Ohio State. Il avait fait ses études de premier cycle au Manchester College où, au moins une partie du temps, son colocataire était Paul Flory. Flory, vous vous en souvenez peut-être, a aidé Wallace Carothers à comprendre la réaction chimique associée à la polymérisation des matériaux en nylon et a continué à faire des recherches fondamentales révolutionnaires sur les polymères pour lesquelles il a reçu le prix Nobel de chimie 1974.

Alors que Flory explorait les matériaux à un niveau théorique, Plunkett a passé toute sa carrière dans le monde des efforts pratiques chez DuPont. Son premier projet était une étude de nouvelles chimies pour les réfrigérants. Ceux-ci ont pris la forme de fluorocarbures chlorés, les mêmes CFC qui sont depuis devenus la vedette des impacts négatifs sur l'environnement. Il est facile d'oublier qu'avant l'avènement des CFC, les réfrigérants étaient basés sur des substances chimiques telles que l'ammoniac et le dioxyde de soufre, qui empoisonnaient fréquemment les travailleurs de l'industrie alimentaire ainsi que les personnes assez chanceuses pour avoir une réfrigération dans leur maison.

Plunkett avait synthétisé environ 100 livres de tétrafluoroéthylène et avait stocké le gaz dans de petites bouteilles à très basse température en vue de la chloration pour fabriquer les nouveaux réfrigérants. Un jour, alors qu'il préparait l'une des bouteilles, l'assistant de Plunkett, Jack Rebok, découvrit que lorsqu'il ouvrait le robinet de la bouteille, aucun gaz ne sortait. Cependant, la bouteille avait le même poids qu'une bouteille pleine de gaz. Lorsque Plunkett et Rebok ont ​​dévissé la valve du cylindre, ils ont trouvé une petite quantité d'une substance blanche et cireuse avec des propriétés remarquables. Le matériau présentait un point de fusion très élevé, était chimiquement inerte et avait un coefficient de frottement extrêmement faible. L'ouverture du cylindre a donné une plus grande quantité de la nouvelle substance. L'analyse a montré que sous pression, le tétrafluoroéthylène s'était polymérisé en PTFE.

Plunkett n'a jamais eu l'occasion de développer le PTFE dans le produit commercial qui est finalement devenu le téflon. (cette famille de fluoropolymères a été dérivée de DuPont en 2013 dans la société Chemours.) La commercialisation a été retardée jusqu'en 1945 en raison du coût élevé de fabrication du polymère. et le fait que sa combinaison de propriétés en fait un matériau essentiel pour les efforts militaires de la Seconde Guerre mondiale. Plus précisément, le PTFE a résolu un problème urgent lié à la purification de l'uranium fissile. Le processus de conversion de l'uranium consiste à produire de l'hexafluorure d'uranium (UF₆ ), très corrosive et présentant d'importants problèmes de manutention à Los Alamos et à Oak Ridge National Laboratories, où des travaux d'enrichissement d'uranium étaient menés dans le cadre du développement des premières armes atomiques. Le PTFE avait la résistance chimique nécessaire pour éviter la corrosion par l'UF₆ .

Des brevets ont été déposés pour le PTFE en 1941. À cette époque, Plunkett avait été promu dans une division différente de DuPont qui produisait l'additif pour essence au plomb tétraéthyle. Cela illustre une relation intéressante entre DuPont et General Motors au cours de cette période et a produit une intersection intéressante entre la carrière de Plunkett et celle du chimiste Thomas Midgely.

Midgely était un chimiste qui a commencé à travailler chez General Motors en 1916 et a découvert en 1921 que l'ajout de plomb tétraéthyle à l'essence empêchait les moteurs à combustion interne de cogner. En 1923, GM a créé General Motors Chemical Company pour superviser la production de plomb tétraéthyle par DuPont. À la fin des années 1920, Frigidaire était une division de General Motors. La division de recherche de GM a constaté la nécessité de développer un réfrigérant qui soit une alternative ininflammable et non toxique aux produits en place tels que l'ammoniac, le dioxyde de soufre et le propane.

Ils ont identifié les halogénures d'alkyle comme les matériaux idéaux car ces composés étaient volatils et chimiquement inertes. Midgely faisait partie de l'équipe qui a synthétisé le premier CFC, le dichlorodifluorométhane, maintenant connu sous le nom de Fréon 12. C'est ce composé que Plunkett était en train de fabriquer lorsqu'il a découvert le PTFE. Son implication avec les CFC se poursuivra lorsqu'il sera affecté à la direction de la production de fréon chez DuPont plus tard dans sa carrière.