Seguimiento de la historia de los materiales poliméricos:Parte 7

La química basada en celulosa fue una de las principales bases para el nacimiento de la industria de los polímeros. Pero como hemos comentado anteriormente, los compuestos iniciales a base de nitrato de celulosa eran altamente inflamables e incluso explosivos, lo que limitaba su uso. A medida que los químicos descubrieron soluciones para estos problemas, expandieron el uso de esta química y las formas en las que se podía usar el material. Una de estas sustancias que tuvo un impacto inmenso en la primera mitad del 20 ^th siglo fue el celofán.

La inspiración para el celofán vino de un químico suizo, Jacques Brandenberger. Según cuenta la historia, mientras cenaba en un restaurante en 1900, Brandenberger observó que el vino tinto derramado manchaba un mantel blanco y comenzó a pensar en desarrollar una capa protectora. El material resultante se basó en la química de la celulosa y utilizó un avance que se produjo en 1892 cuando Charles Cross y Edward Bevan hicieron reaccionar la celulosa de la madera con sosa cáustica y disulfuro de carbono para producir un líquido viscoso dorado que se conoció como viscosa. Si bien los primeros trabajos con el material produjeron artículos similares a los hechos de celuloide, como peines y mangos, Cross y Bevan se centraron en fabricar una fibra útil para la industria textil.

Los experimentos iniciales produjeron una fibra que era demasiado frágil para proporcionar un sustituto útil de las fibras naturales. Sin embargo, a través de una serie de afortunados accidentes se descubrió que la viscosidad del material aumentaba con el tiempo, proceso que se conoció como maduración. Esto resultó en un producto mucho más fuerte y dúctil que se podía hilar fácilmente y más tarde se conoció como rayón. Pero esta forma de rayón, conocida como xantato de celulosa, era mucho menos inflamable que el nitrato de celulosa que se usó para hacer la "seda de la suegra" que mencionamos en la Parte 3 de esta serie.

Fue la viscosa lo que Brandenberger eligió como material para recubrir la tela de algodón para que sea resistente a las manchas. También encontró problemas con una estructura que era muy rígida y quebradiza. Durante un período de varios años, trabajó en la fabricación de películas más delgadas de xantato de celulosa, y el resultado final fue lo que llamó celofán. Para 1913, Brandenberger había decidido que hacer la película brindaba una mejor oportunidad comercial que producir un revestimiento de tela, y había desarrollado una máquina que podía producir secciones largas de la película transparente con el grosor deseado.

Un material que tuvo un gran impacto en la primera mitad del vigésimo ^th siglo fue el celofán.

Muy consciente de los problemas de inflamabilidad asociados con la película de celuloide para uso cinematográfico, Brandenberger primero buscó reemplazar el celuloide en este mercado con su celofán. Sin embargo, pronto descubrió que el celofán se distorsionaba mucho a temperaturas elevadas y era demasiado duro para permitir la formación de orificios precisos para las ruedas dentadas en la película.

Pero el celofán resultó ser el material de envoltura ideal. Transparente, liviano y resistente, era muy superior a cualquiera de los materiales de envoltura comúnmente utilizados de la época, la gelatina y el papel de aluminio. Los productos iniciales envueltos en celofán fueron perfumes, pastillas de jabón y pastas dentales. El objetivo de Brandenberger era apuntar a la industria alimentaria, pero la Primera Guerra Mundial desvió gran parte de la producción a máscaras de gas debido a la impermeabilidad del material al gas venenoso, la nueva arma de destrucción masiva. También se utilizó como apósito quirúrgico transparente para heridas.

Después de que terminó la Primera Guerra Mundial, se reanudaron los esfuerzos para expandir el mercado de consumo. Whitman's Chocolates ya había adoptado el celofán como material de envoltura para algunos de sus chocolates en 1912, pero a medida que el uso del material se expandió a productos horneados y productos como el tabaco a principios de la década de 1920, se hizo evidente que, si bien el celofán era una excelente barrera contra el veneno. gas, no era una buena barrera contra la humedad.

Durante este intervalo, la empresa francesa fundada por Brandenberger vendió los derechos del celofán a DuPont, y fue un químico de DuPont quien desarrolló la solución al problema de la barrera contra la humedad. William Hale Charch creó un recubrimiento basado, irónicamente, en nitrocelulosa. También incorporó un plastificante para adaptar las propiedades del recubrimiento y una cera que contribuyó a la barrera contra la humedad. Este desarrollo, completado en 1927, tomó tres años y fue el comienzo de una larga historia de innovación química que surgió de DuPont. Una vez que se resolvió el problema de la barrera contra la humedad, el uso del celofán se disparó, convirtiéndolo en uno de los productos más exitosos y conocidos de DuPont.

Durante este mismo período de tiempo, otra forma de celulosa modificada químicamente estaba sentando las bases para el desarrollo de uno de los primeros termoplásticos. El acetato de celulosa fue sintetizado por primera vez en 1865 por el químico francés Paul Schutzenberger, quien hizo reaccionar la celulosa con anhídrido acético. Si bien el acetato de celulosa es fundamentalmente un termoplástico, no habría sido procesable en estado fundido ya que su temperatura de descomposición es más baja que su punto de ablandamiento. Sin embargo, las formas solubles de acetato de celulosa fueron desarrolladas en 1903 por los químicos alemanes Arthur Eichengrun y Theodore Becker cuando descubrieron que el material se disolvería en acetona.

Un año después, dos hermanos, Camille y Henri Dreyfus, comenzaron a trabajar en un laboratorio en Basilea, Suiza. Su atención se centró en el acetato de celulosa y desarrollaron una película que se convirtió en el sustituto menos inflamable de la película de celuloide que el celofán no había podido proporcionar. También crearon una laca conocida como dope que se usaba para revestir los aviones de tela y madera de la época, haciéndolos resistentes a los efectos de la humedad y el fuego. En 1913, justo cuando se perfeccionaba el proceso de elaboración del celofán, los hermanos Dreyfus fundaron Cellonit Company para realizar tanto su película como las lacas a base de acetato de celulosa.

Los mangos de destornillador transparentes hasta el día de hoy están moldeados por CAB.

Recién habían comenzado a desarrollar un proceso para fabricar una fibra a partir de acetato cuando la Primera Guerra Mundial desvió todos sus esfuerzos hacia la fabricación de lacas de acetato de celulosa. Establecieron una planta en Derbyshire, Inglaterra con este propósito. Durante la guerra, Camille Dreyfus fue a Estados Unidos a pedido del gobierno de Estados Unidos para establecer una fábrica de celulosa. Después de que terminó la guerra, los hermanos Dreyfus reanudaron el desarrollo de una fibra de acetato que llamaron celanese, y el nombre de la compañía británica se cambió a British Celanese en 1923. En 1927, la compañía estadounidense Dreyfus había establecido, Amcelle, compró el Celluloid Company of Newark, New Jersey y la compañía pasó a llamarse Celanese Corporation of America.

En 1931 se desarrolló en Celanese una versión procesable por fusión de acetato de celulosa incorporando la misma clase de productos químicos como plastificantes que Waldo Semon había usado cinco años antes para resolver problemas de procesamiento con PVC. En el mismo año se descubrió que al reemplazar la mayor parte del anhídrido acético con ácido propiónico era posible hacer propionato de acetato de celulosa (CAP), un compuesto que era más resistente al impacto y requería menos plastificante para hacerlo procesable por fusión. En 1938 se realizaron más mejoras cuando se utilizó ácido butírico en la reacción para producir acetato butirato de celulosa (CAB). Este material no solo exhibió una tenacidad mejorada, sino que tenía una resistencia al calor superior a la de CA y CAP.

Celanese ha tenido una larga y rica historia en el mundo de los polímeros, y todavía se incluyen un par de grados de acetato de celulosa entre sus ofertas. Pero la empresa que mantiene una amplia oferta en celulosa lleva el nombre de otro pionero de la era del desarrollo temprano de la celulosa, Eastman. Quizás la aplicación más conocida que continúa hasta el día de hoy es el mango transparente del destornillador.

Pero la celulosa sigue siendo un contribuyente importante al mundo de los revestimientos, pinturas y lacas. Los materiales se utilizan en forma de fibra para ropa y cortinas y son los materiales de elección para los filtros de cigarrillos. Los armazones de anteojos todavía están hechos de celulosa. En una línea menos basada en el rendimiento, las cintas de premios están hechas casi exclusivamente de acetato de celulosa, y muchos naipes todavía usan el material. Los ladrillos Lego, ahora producidos a partir de ABS, se moldearon originalmente a partir de acetato de celulosa. Y para aquellos que todavía están haciendo presentaciones en un retroproyector, es probable que estén usando un material a base de celulosa para sus diapositivas.

Los celulósicos han perdido gran parte de su cuota de mercado frente a otros materiales. El celofán fue reemplazado en gran medida por polietileno, polipropileno, PVC y cloruro de polivinilideno (PVdC), otro polímero descubierto por accidente a principios de la década de 1930, esta vez en Dow Chemical. La fibra de acetato de celulosa fue reemplazada por nailon y poliéster. Curiosamente, ahora que la industria del plástico se centra en la sostenibilidad y la economía circular, un polímero que puede derivarse de cualquier cosa que contenga celulosa está comenzando a atraer un nuevo nivel de atención. En una era en la que los investigadores intentan fabricar polímeros a partir de cualquier cosa que tenga un pedigrí biológico, será interesante ver si volvemos a nuestras raíces.

El mismo año en que William Hale Charch resolvió el problema de la barrera contra la humedad del celofán, DuPont contrató a otro químico para realizar una investigación de materiales básicos. Dirigiría un equipo que eventualmente desarrollaría la química asociada con el primer termoplástico de ingeniería legítimo. Esa parte de la historia será el tema de nuestra próxima entrega.

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]