Seguimiento de la historia de los materiales poliméricos:Parte 5

Una revisión de la historia de los desarrollos tecnológicos muestra que los avances no ocurren en el vacío. Diferentes contribuyentes dan pequeños pasos, que luego son adelantados por otros, y cuando un invento como el fenólico se junta en su forma final, su creación se puede rastrear a través de una larga cadena de eventos. También es cierto que muchas personas a menudo tienen la misma idea, y la persona que la historia recuerda es a menudo la que primero recibe el reconocimiento formal por poner la última pieza del rompecabezas en su lugar, haciendo que el desarrollo sea tanto tecnológicamente factible como económicamente viable.

Antes de que Leo Baekeland en los Estados Unidos incluso comenzara su investigación sobre lo que se convertiría en química fenólica, Arthur Smith obtuvo una patente británica en 1899, la primera que se emitió en el esfuerzo por producir un fenólico útil. Sin embargo, requirió varios días para endurecerse a una temperatura de 90-100 C y distorsionarse en el proceso. Al mismo tiempo que Baekeland trabajaba en refinar la reacción entre el fenol y el formaldehído, un químico alemán, Carl Heinrich Meyer, produjo una reacción catalizada por ácido entre el fenol y el formaldehído, pero su uso se limitó a lacas y adhesivos.

Un químico austríaco llamado Adolf Luft había estado trabajando en el mismo problema. Pero el compuesto que se le ocurrió a Luft usaba alcanfor como solvente y era muy quebradizo. Un ingeniero eléctrico británico, James Swinburne, trabajó durante tres años para encontrar un disolvente que corrigiera esta deficiencia y finalmente se le ocurrió la sosa cáustica como solución. Llegó a la oficina de patentes británica un poco tarde para convertirse en la figura histórica recordada por la creación de fenólico. De hecho, Baekeland lo precedió un día.

Aunque rivales y adversarios potenciales, Baekeland y Swinburne terminaron trabajando juntos después de que Baekeland inicialmente amenazó con un litigio de patentes cuando Swinburne instaló una planta en los EE. UU. De hecho, Baekeland logró mantener una posición dominante en el mercado a través de una combinación de amenazas de litigio de patentes, el otorgar permiso para el uso de sus patentes a Swinburne y otros durante la Primera Guerra Mundial, y finalmente comprar a muchos de sus competidores a fines de la década de 1920 justo cuando sus patentes estaban a punto de expirar.

La ruta que tomaron Baekeland y Swinburne en el proceso de fabricación de fenólicos fue un reflejo de la dificultad de controlar una reacción de polimerización por condensación. Las polimerizaciones por condensación típicamente producen subproductos no deseados que pueden dificultar la reacción deseada y deben eliminarse o suprimirse. El problema de manejar este aspecto de la reacción química quedó dramáticamente ilustrado por la experiencia del químico alemán Adolf von Baeyer. Baeyer es recordado principalmente por su síntesis del índigo, y ganó el Premio Nobel de Química en 1905. También fue protegido de August Kekulé, el famoso químico mencionado en la columna del mes pasado, cuyo asistente fue mentor de Baekeland a través de su doctorado. A Baeyer se le atribuye ser la primera persona en investigar la reacción química entre el fenol y el formaldehído en 1872. La violenta reacción química produjo un sólido resinoso parecido al alquitrán que Baeyer descartó después de que no pudo analizar su composición.

Ese podría haber sido el final del camino para los polímeros a base de formaldehído, si no hubiera sido por otro descubrimiento accidental realizado por el químico bávaro Adolf Spitteler 25 años después. Un gato que residía en el laboratorio de Spitteler volcó una botella que contenía una solución acuosa de formaldehído, derramando el contenido en un platillo de leche. Spitteler observó que la leche se cuajaba rápidamente en un compuesto duro que parecía tener propiedades similares a las del celuloide. La reacción química que produjo este material implicó la reticulación de una mezcla de proteínas conocida como caseína por el formaldehído y el polímero que se conoció como caseína. El descubrimiento de que el formaldehído hacía que la caseína fuera insoluble en agua había sido realizado cuatro años antes, en 1893, por un químico francés, Alfred Trillat. Pero el crédito histórico es para Spitteler y un colaborador no químico, Wilhelm Krische.

Krische estaba buscando un material que pudiera usar para hacer pizarrones blancos lavables para escribir. Ya había intentado usar caseína y, aunque funcionó inicialmente, la caseína se ablandó la primera vez que se limpió la pizarra con agua. El material reticulado resolvió este problema y el mercado era tan importante que Spitteler y Krische fundaron una empresa para fabricar caseína y productos relacionados. Trillat había intentado convencer a una empresa francesa de fabricar el producto que había surgido de su investigación, pero no pudo generar el interés necesario. El éxito de la empresa alemana, junto con la constatación de que la caseína se podía fabricar fácilmente en una amplia variedad de formas, motivó la fundación tardía de una operación francesa competidora.

El producto comercial se llamó Galalith ("piedra de leche" en griego). El material se exhibió en la Exposición Universal de París en 1900 y fue patentado en 1906. No hay información histórica que indique que las empresas alemanas y francesas litigaran por los derechos. Ambos produjeron el material para satisfacer un mercado en crecimiento, principalmente en la industria de la moda para hacer botones, hebillas y joyas, aunque la caseína se abrió camino en muchos productos que también usaban celuloide, como peines y mangos de cuchillos. Incluso se utilizó para fabricar aislantes eléctricos antes de la llegada de los fenólicos.

A pesar de todo su éxito, y del hecho de que precedió al fenólico por más de una década, la caseína seguía siendo un material en la misma línea que el caucho y el celuloide, una modificación de un material natural y no un verdadero producto sintético. Sin embargo, fue mucho más fácil de producir que la fenólica porque las proteínas, que consisten en alfa, beta y kappa-caseína, ya son polímeros con pesos moleculares en el rango de 20.000 a 25.000 g / mol. El fenol tiene un peso molecular de solo 94, lo que requiere la formación de un prepolímero antes de la reticulación.

Como nota al margen, aquellos que han estado en la industria del plástico durante más de 15 años recuerdan una época en la que General Electric tenía una división de materiales plásticos. Cuando se les pregunta sobre la historia de GE Plastics, incluso la mayoría de los veteranos señalará la llegada del policarbonato a mediados de la década de 1950. La historia de ese desarrollo se contó en un comercial que se emitió mucho en los programas de noticias de los domingos por la mañana en la década de 1990 y mostraba a un gato caminando por un laboratorio en medio de la noche. El gato derriba una botella y, por la mañana, un científico, presumiblemente Dan Fox, entra al laboratorio para encontrar una masa transparente de material que luego somete a agua hirviendo, llamas y un martillo, todo lo cual no afecta la integridad. del material.

Si bien es cierto que el policarbonato fue uno de esos descubrimientos accidentales, no hubo gato. Los brillantes especialistas en marketing de GE habían tomado prestada la historia del gato de Spitteler para su comercial. Pero el policarbonato no fue el primer producto fabricado por la división GE Plastics. Más bien, era fenólico. Recuerde, la competencia principal de GE estaba en la industria eléctrica, donde el fenólico dejó su huella por primera vez. GE comenzó a promover la química fenólica a fines de la década de 1920 después de que expiraran las patentes de Baekeland y vendiera un material con el nombre comercial de Genal hasta principios de la década de 1980.

El éxito de la química caseína-formaldehído tuvo lugar antes de que Baekeland lograra su gran avance con el fenólico. Pero fue este éxito el que reavivó el interés en los primeros experimentos de Baeyer. Y mientras varios químicos trabajaban simultáneamente en esta nueva química, fue Baekeland quien elaboró ​​el sistema que controlaba la considerable fuerza explosiva asociada con la generación de los subproductos de la reacción de condensación involucrada en la producción del material. Los experimentadores anteriores habían intentado controlar la reacción bajando la temperatura para ralentizar las cosas, y durante un tiempo Baekeland siguió la misma estrategia. Su gran avance se produjo cuando intentó el enfoque opuesto, elevando la temperatura y controlando la reacción más rápida resultante haciéndolo funcionar en un recipiente presurizado, el mencionado Bakelizer.

La complejidad de la polimerización fenólica contribuyó a la decisión de Baekeland de dedicarse a la producción del negocio en lugar de ganar dinero mediante la concesión de licencias. El proceso era demasiado complicado para los fabricantes sin experiencia en química. El Bakelizer era algo que nunca pasaría una inspección de OSHA. Incluía un agitador que requería energía eléctrica. Pero la naciente red eléctrica no había llegado al área de Baekeland en ese momento. Entonces, adquirió una máquina de vapor y suministró el vapor a la máquina utilizando una caldera de carbón instalada en una esquina del laboratorio. Luego, el vapor se canalizó a un garaje donde se realizó la fabricación de resina. Un incendio consumió la mayor parte del garaje en marzo de 1909, lo que llevó a Baekeland a trasladarse a una fábrica de productos químicos en Perth Amboy, Nueva Jersey, donde se encontraba un importante fabricante de formaldehído.

El primer polímero completamente sintético dejó su huella en los aislantes eléctricos, pero en el transcurso de los siguientes 30 años extendió su influencia a una amplia variedad de mercados que incluían electrodomésticos, equipos de oficina, comunicaciones, automotriz, aeronaves y armamento, así como las áreas más triviales de los accesorios del baño y los barriles de los bolígrafos. La moldeabilidad del fenólico dio origen a la disciplina del diseño plástico. Y fomentó otras químicas basadas en la reticulación con formaldehído, incluidas la urea y la melamina. Estos materiales se colorearon más fácilmente y tenían una mejor resistencia a un efecto a largo plazo de la corriente eléctrica conocido como seguimiento.

Los primeros polímeros sintéticos fueron termoestables y dominaron la industria del plástico durante décadas, muy lejos del panorama actual de nuestra industria. Pero la incursión de los termoplásticos ya estaba comenzando y cambiaría profundamente las cosas a partir de la década de 1930. A continuación, centraremos nuestra atención en esa parte de la historia.

SOBRE EL AUTOR:Michael Sepe es un consultor independiente de procesamiento y materiales con sede en Sedona, Arizona, con clientes en América del Norte, Europa y Asia. Tiene más de 45 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación, la optimización de procesos, la resolución de problemas y el análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 •[email protected]