Seguimiento de la historia de los materiales poliméricos:Parte 1

Periódicamente recibo correos electrónicos que me preguntan si he oído hablar de eventos históricos particulares relacionados con la industria del plástico. Una de las historias que recibe mucha atención es la de John Wesley Hyatt, un inventor estadounidense al que se le atribuye la creación de un material al que a menudo se hace referencia como el primer plástico. El material fue patentado en 1869 con el nombre de Celluloid. La parte de la historia que parece atraer más atención es el hecho de que Hyatt recibió un premio de $ 10,000 que había sido ofrecido por Michael Phelan, un maestro jugador de billar que se había preocupado a principios de la década de 1860 por la escasez de marfil y el impacto. esto estaba teniendo en cuenta el costo de las bolas de billar.

La historia es muy atractiva por un par de razones. Primero, refuerza la idea que está muy arraigada en nuestra industria de que los materiales sintéticos creados a través del genio de la química han desplazado y mejorado los materiales derivados de fuentes naturales. El otro factor es el tamaño de la recompensa monetaria, equivalente a casi $ 200,000 en la actualidad.

Como de costumbre, la historia de la invención del celuloide es mucho más complicada y se basó en gran medida en logros anteriores. Y su introducción estuvo acompañada de otro invento digno de mención que ha tenido un impacto mucho mayor en nuestra industria que el propio material. Y aunque los logros asociados con la creación de materiales sintéticos son principalmente los de la ciencia, están entrelazados con el mundo de los negocios y, como resultado, debido a que hay dinero de por medio, con los abogados. Esta serie de artículos se dedicará a brindar una mirada más perspicaz a la historia de nuestra industria y cómo llegamos aquí.

El mundo de los materiales sintéticos se inspiró en el mundo de los materiales que se pueden encontrar en la naturaleza. El material que parece haber iniciado todo el proceso fue el caucho natural, una sustancia derivada de ciertos árboles y conocida químicamente como poliisopreno. Las estructuras químicas para dos arreglos diferentes de los átomos en la molécula, conocidos como isómeros, se muestran en la imagen adjunta.

El mundo de los materiales sintéticos parece haberse iniciado con el caucho natural, una sustancia derivada de ciertos árboles y conocida químicamente como poliisopreno. Aquí se muestran las estructuras químicas de dos arreglos diferentes de los átomos en la molécula, conocidos como isómeros.

Los exploradores europeos que viajaron al Caribe y Mesoamérica en los siglos XVI y XVII encontraron civilizaciones que usaron este material para hacer bolas sólidas y también para hacer telas impermeables. La existencia de una bola sólida hecha de un material con lo que hoy llamaríamos propiedades elastoméricas fue una revelación para las personas del norte de Europa que solo habían experimentado bolas hechas de una vejiga inflada de cuero. Fue el isómero cis el que produjo todos estos productos. Llegaremos al isómero trans en breve.

Un explorador francés encontró un material similar cuando viajó a Perú en la década de 1730, y en 1751 se había presentado el primer artículo científico sobre este nuevo material. Pero en este punto no se entendía bien la química del material. En particular, el efecto de la temperatura sobre las propiedades del material creó barreras para el uso comercial en Europa. A diferencia de los climas de Mesoamérica, donde las fluctuaciones de temperatura a una altura determinada eran relativamente pequeñas, los cambios de temperatura en Europa de invierno a verano fueron más significativos. A bajas temperaturas, el material se volvió duro y quebradizo, mientras que las altas temperaturas del verano hicieron que el material fuera muy suave y pegajoso. El uso más creativo del producto en la última parte del 18 ^th siglo fue como un borrador de las marcas de lápiz de plomo del papel. El nombre caucho proviene de esta cualidad particular.

El progreso en esta era de la química fue en gran parte una cuestión de descubrimientos accidentales provocados por prueba y error. En 1820, dos empresarios de campos muy diferentes descubrieron de forma independiente a través de accidentes de este tipo que el poliisopreno era soluble en nafta y trementina. Luego, el caucho disuelto se podría aplicar al algodón para hacer ropa impermeable. Esto funcionó bien siempre que el clima no fuera demasiado caluroso. Cuando lo hiciera, las telas revestidas se volverían pegajosas y perderían su forma.

Los límites de temperatura para el uso de poliisopreno continuaron siendo un problema hasta las décadas de 1830 y 40, cuando Charles Goodyear, utilizando métodos experimentales tan aleatorios como los de sus predecesores, tropezó con dos técnicas que abordaron primero los problemas de rendimiento a altas temperaturas y luego, tres años después, el proceso más conocido de vulcanización que mejoró las propiedades del material a bajas temperaturas. Goodyear no entendía la química detrás del proceso de reticulación que mejoró drásticamente el rendimiento del material. Incluso el término vulcanización fue acuñado por un competidor británico que descubrió el enfoque de Goodyear y solicitó patentes en Inglaterra mientras Goodyear presentaba solicitudes en los EE. UU.

Todavía faltaban décadas para la composición del caucho, la modificación de las propiedades del material mediante la adición de plastificantes y rellenos. Pero se habían establecido las bases para el mundo de los polímeros. Curiosamente, la gente nativa de Mesoamérica había aprendido cómo estabilizar las propiedades del caucho cientos de años antes fumando el látex crudo, presumiblemente introduciendo de una manera menos controlada pero igualmente efectiva los nitratos y compuestos de azufre necesarios para reticular el material.

Al mismo tiempo que los casos judiciales entre Goodyear y sus homólogos británicos estaban en auge en la década de 1850, un cirujano británico que ejercía en el sudeste asiático observó a los indígenas de esa parte del mundo extrayendo una savia de uno de los árboles que crecían en esa parte de el mundo. Ablandaron el material en agua caliente y lo moldearon en una variedad de productos útiles, como mangos de herramientas y bastones. Llamada gutapercha por la especie de árbol que produjo la savia, es químicamente el isómero trans del poliisopreno.

Esta es una primera y excelente ilustración de la importancia de la isomería en la determinación de las propiedades de los polímeros, un principio que utilizamos ampliamente en la química moderna de polímeros. El isómero cis es amorfo y muy sensible a los cambios de temperatura. Esto hace que la reticulación sea necesaria para que el material sea útil. El isómero trans es capaz de cristalizar. Por lo tanto, aunque tiene la misma temperatura de transición vítrea subambiente que el isómero cis, tiene propiedades sólidas útiles por encima de la temperatura ambiente.

Si bien la gutapercha era otro material conocido y utilizado por las culturas indígenas durante cientos de años, en manos de los europeos más orientados a los objetivos, se adoptó rápidamente como material aislante para cables telegráficos submarinos. A este respecto, mostró algunas similitudes pero también algunas diferencias importantes con el caucho de isómero cis. La estructura no polar de ambos materiales los convierte en buenos aislantes eléctricos. Pero la estructura amorfa del caucho, incluso en su forma reticulada, resultó en un material que carecía de resistencia química al agua salada. La gutapercha tenía las propiedades eléctricas deseables, pero al mismo tiempo era resistente al agua salada y a muchos otros productos químicos. Este principio de resistencia química mejorada que surge de la cristalinidad también es bien conocido en el mundo de los polímeros, e hizo posibles nuevas aplicaciones muy temprano en la historia de nuestra industria.

Esto también pone de relieve otro aspecto muy importante asociado con el uso de materiales:la relación entre el desarrollo de nuevas químicas y la invención de métodos de procesamiento. Si bien este material se utilizó para revestir cables eléctricos, la capacidad de hacerlo fue posible gracias a un invento muy importante:la extrusora.

En nuestra próxima entrega continuaremos la narrativa de nuestro progreso hacia el celuloide y su intersección con otro desarrollo muy importante en el procesamiento.

ACERCA DEL AUTOR:Mike Sepe es un consultor de procesamiento y materiales global e independiente cuya empresa, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación y el proceso. optimización, resolución de problemas y análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 • [email protected].