Ранние природные полимеры и поиск замен

До появления синтетических пластмасс человеческая цивилизация полностью зависела от материалов, которые могла производить природа. Предметы были изготовлены из дерева, камня, металла, глины, стекла и натуральных волокон, таких как хлопок, шерсть, лен и шелк. Резина, собранная из латекса резиновых деревьев, была высоко ценным, но темпераментным материалом - липким, хрупким в холоде и склонным к разложению. Слоновая кость из бивней слонов была вырезана в предметы роскоши, такие как бильярдные шары и клавиши для фортепиано, но ее поставка была дорогостоящей и этически чревато. Промышленная революция создала настоятельную потребность в материалах, которые были дешевле, более однородными и не подвергались прихотям сельского хозяйства или геополитики. Это экономическое давление стало основным катализатором первых экспериментов по химическим модификациям природных полимеров.

Чарльз Гудиер (FLT:0) в 1839 году совершил первый крупный прорыв, случайно открыв вулканизацию. Нагрев натурального каучука серой и свинцом, он обнаружил, что липкий сок был превращен в прочный, эластичный и стабильный материал. Процесс сформировал серные перекрестные связи между длинными полимерными цепями, не позволяя им разваливаться. Вулканизированная резина стала основой для шин, уплотнений, шлангов и обуви, что привело к транспортной и промышленной революциям. Американское химическое общество признает открытие Goodyear как национальный исторический химический ориентир ] за его глубокое влияние на современную промышленность.

Следующий скачок произошел в 1869 году, когда Джон Уэсли Хайатт принял вызов создать замену слоновой кости в бильярдных шарах. Хайатт работал с целлюлозным нитратом, частично нитратированной формой целлюлозы, которая, как уже было известно, является легковоспламеняющейся. Растворив целлюлозный нитрат в камфоре и алкоголе, он произвел податливый термопластичный материал, который можно было формовать с помощью тепла и давления, а затем затвердеть. Он назвал его целлюлоидом . Хотя он получен из природного полимера, целлюлоид был химически модифицирован и представлял собой первый полусинтетический пластик. Он мог быть тонированным, чтобы имитировать слоновую кость, черепаховую раковину и коралл, и он быстро нашел применение в гребнях, фотопленке, а позже, ранних кинопленках. Основным недостатком целлюлоида была его чрезвычайная воспламеняемость, которая привела к многим опасным пожарам в ранних кинотеатр

Возникновение полностью синтетических пластмасс

Истинное происхождение полностью синтетических полимеров — материалов, созданных полностью из простых органических молекул без естественного полимерного хребта — прибыло с Лео Бакеландом в 1907 году. Бакеланд был химиком бельгийского происхождения, работающим в Соединенных Штатах, искал синтетический заменитель шеллака, естественной смолы, секретируемой лаковым насекомым, который был дорогим и импортированным из Азии. Бакеланд реагировал фенолом, полученным из каменноугольной смолы, с формальдегидом под высоким теплом и давлением. Результатом была твердая, непереносимая и химически устойчивая смола, которую он назвал Бакелит .

Бакелит был первым термореактивным пластиком. В отличие от термопластов, таких как целлюлоид, который можно переплавить, термореактивный пластик подвергается необратимому химическому изменению во время формования. После установки, бакелит не может быть снова смягчен, что делает его невероятно прочным и термостойким. Это был отличный электрический изолятор, который сделал его идеальным для быстро растущей электротехнической промышленности. Бакелит заменил дерево и металл в радиокабинетах, телефонных корпусах, электрических вилках и автомобильных распределительных колпаках. Институт истории науки отмечает, что Бакелит запустил Эпоху пластмасс, трансформируя культуру материалов и обеспечивая массовое производство доступной потребительской электроники.

Макромолекулярная гипотеза

В то время как материалы, такие как бакелит и целлюлоид, были коммерциализированы, научное сообщество не имело четкого понимания того, что такое полимеры на самом деле. Преобладающее мнение, известное как коллоидная теория , утверждало, что такие вещества, как резина и целлюлоза, были просто агрегатами небольших молекул, удерживаемых вместе таинственными физическими силами, а не химическими связями. Это фундаментально ограничивало способность рационально проектировать новые материалы.

Герман Штаудингер, немецкий химик, оспаривал эту точку зрения. В знаковой статье, опубликованной в 1920 году, он предположил, что эти вещества состоят из чрезвычайно длинных цепочек атомов, связанных между собой стандартными ковалентными связями. Он назвал их макромолекулами. Штаудингер годами сталкивался с интенсивным скептицизмом со стороны научного истеблишмента, но систематически накапливал доказательства в поддержку своей теории. К 1930-м годам его взгляды получили широкое признание, обеспечив теоретическую основу всей полимерной промышленности. За эту новаторскую работу Штаудингер был удостоен Нобелевской премии по химии в 1953 году. Организация Нобелевской премии выделяет его вклад в качестве основы полимерной химии.

Золотой век синтетических полимеров (1930-1950-е годы)

Вооружившись макромолекулярной структурой Штаудингера, промышленные химики начали период интенсивного, целенаправленного синтеза полимеров.1930-е и 1940-е годы произвели каскад открытий, которые изменили текстиль, упаковку, электронику и войну.

Уоллес Каротерс и Нейлон

В DuPont Уоллес Карозерс возглавил команду, занимающуюся фундаментальными исследованиями полимеров. Он сосредоточился на полимеризации конденсата, где два разных мономера реагируют на образование полимера, высвобождая небольшую молекулу, такую как вода, в качестве побочного продукта. В результате реакции диамина с дикарбоновой кислотой, Карозерс произвел длинные полиамидные цепи. В 1935 году он синтезировал нилон 66 , первое полностью синтетическое волокно.

Нейлон был триумфом молекулярной инженерии. Он был сильнее, эластичнее и долговечнее шелка, но был устойчив к плесени, мотылькам и химикатам. Нейлон также был намного дешевле в производстве, чем натуральный шелк, который требовал выращивания шелкопрядов. Представленный американской публике на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году нейлоновые чулки стали мгновенным культурным явлением, и женщины выстраивались в очередь, чтобы купить их. Когда началась Вторая мировая война, производство нейлона было отвлечено на военное использование: парашюты, шины, веревки, палатки и другое оборудование. Каротерс, однако, не дожил до полного эффекта своей работы. Он страдал от тяжелой депрессии и умер от самоубийства в 1937 году в возрасте 41 года.

Полиэтилен: случайное чудо

В 1933 году химики из Imperial Chemical Industries (ICI) в Великобритании исследовали влияние чрезвычайно высокого давления на химические реакции. Эрик Фосетт и Регинальд Гибсон попытался взаимодействовать этилен с бензальдегидом при 2000 атмосферах давления. Эксперимент провалился, но когда они очистили свой реакционный сосуд, они обнаружили небольшое количество белого, воскового твердого вещества. полиэтилен , длинная цепь этиленовых единиц, связанных вместе процессом, который стал известен как дополнительная полимеризация.

Потребовалось несколько лет, чтобы разработать безопасный и воспроизводимый процесс для производства полиэтилена, но к 1939 году ICI расширил коммерческое производство. Полиэтилен обладал замечательной комбинацией свойств: он был гибким, жестким, химически устойчивым и выдающимся электрическим изолятором. Во время Второй мировой войны он использовался для высокочастотной радиолокационной изоляции кабеля, критически важного компонента, который помог союзникам получить преимущество в электронной войне. После войны полиэтилен стал самым распространенным в мире пластиком, используемым для упаковочной пленки, контейнеров, труб и изоляции. Музей науки в Лондоне предлагает подробную историю развития полиэтилена и его влияние на повседневную жизнь .

Поливинилхлорид (ПВХ) и полистирол

Поливинилхлорид (ПВХ) впервые наблюдался в пробирке в 1872 году, но он оставался лабораторным любопытством в течение десятилетий, потому что он был жестким, хрупким и трудным для обработки.В 1926 году Уолдо Семон, химик из B.F. Goodrich, разработал способ сделать ПВХ полезным. Он обнаружил, что, смешивая ПВХ с пластификатором — химической добавкой, которая вставляется между полимерными цепями — материал стал мягким, гибким и простым в работе. Пластифицированный ПВХ нашел свой путь в плащи, напольные покрытия, изоляцию электрического кабеля, надувные продукты и синтетическая кожа.

Полистирол также был обнаружен в 19 веке, но не был коммерциализирован до конца 1930-х годов. Он был дешевым, жестким и мог легко формоваться в детализированные формы. Он стал основным продуктом для одноразовых продуктов, игрушек и упаковки. Когда он был расширен с помощью надувного агента, он сформировал легкую пену, известную как , широко используемую для изоляции и упаковки.

Вторая мировая война: Полимерный ускоритель

Вторая мировая война была мощным двигателем полимерных инноваций. Захват Японией каучуковых плантаций Юго-Восточной Азии отрезал 90% мировых поставок натурального каучука. Соединенные Штаты ответили массивной программой крушения для производства ширен-бутадиенового каучука (SBR) , синтетического каучука, который вскоре стал стандартным материалом для шин и других резиновых изделий. политетрафторэтилена (PTFE) , случайно обнаруженного химиком DuPont Ройом Планкеттом в 1938 году. PTFE был невероятно инертным и жаропрочным, и он оказался критически важным для Манхэттенского проекта, где он использовался для герметизации клапанов и прокладок в процессе коррозионного обогащения урана Плексиглас (полиметилметакрилат

Послевоенное расширение и рост возможностей для жизни

Конец войны привел к появлению новых мощностей по производству полимеров в гражданской экономике. В 1950-х и 1960-х годах синтетические полимеры проникли во все аспекты повседневной жизни. Инновации в технологии катализаторов были движущей силой этого расширения.

Циглер-Натта Катализная революция

В 1950-х годах немецкий химик Карл Циглер и итальянский химик Джулио Натта независимо друг от друга разработали новый класс катализаторов на основе металлов, который позволил точно контролировать структуру полимера. Эти Циглер-Натта катализаторы позволили производить полиэтилен высокой плотности и изотактический полипропилен . Эти материалы были прочнее, жестче и более термостойкими, чем их предшественники. Впервые полимеры могли быть произведены с учетом свойств в промышленном масштабе. Зиглер и Натта получили Нобелевскую премию по химии в 1963 году за свою работу.

Потребительский бум пластмасс

С дешевыми, универсальными пластмассами, доступной волной инноваций пронеслась через потребительские товары. Такие компании, как Tupperware, использовали полиэтилен для создания герметичных контейнеров для хранения продуктов питания, преобразовывая кухонное хранилище. LEGO, переключались с дерева на акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) кирпичи, которые щелкали вместе с удовлетворительной точностью. Концепция одноразовости стала встроена в современный образ жизни. Чистая полезность и низкая стоимость пластмасс, казалось, обещали будущее изобилия и удобства. К 1970-м годам мировое производство пластмасс достигло 50 миллионов тонн в год, и оно продолжает расти экспоненциально. Сегодня годовое производство превышает 380 миллионов тонн.

Экологические и медицинские проблемы

Сама долговечность, которая сделала пластмассы настолько полезными, создала непреднамеренное последствие: массивная проблема отходов. Пластмассы не разлагаются биоразлагаемыми; вместо этого они фрагментируются на более мелкие и мелкие частицы. Ранние предупреждения поступили от морских биологов в 1970-х годах, которые обнаружили пластиковый мусор в желудках морских птиц и черепах. К началу 21-го века масштаб проблемы был ясен. Микропластики и нанопластики были обнаружены повсюду от арктического морского льда до самых глубоких океанских траншей, от питьевой воды до кровотока человека. Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде подчеркнула распространенную проблему загрязнения пластиком в почве и водных системах .

Проблемы со здоровьем также возникли в отношении химических добавок, используемых для изменения свойств пластика. Бисфенол А (BPA) , используемый в бутылках из поликарбоната и смоле эпоксидной, оказался эндокринным разрушителем, мешающим гормональным системам. Фталаты , используемые для смягчения ПВХ, также были связаны с рисками для здоровья. Эти проблемы привели к общественной реакции, запретам на определенные добавки в детских продуктах и растущему спросу на более безопасные альтернативы. Несмотря на десятилетия пропаганды, показатели переработки остаются низкими: только около 9% всего когда-либо произведенного пластика было переработано. Остаток сжигается, сваляется на свалки или выбрасывается в окружающую среду.

Современные разработки: устойчивость и умные материалы

Сегодня полимерная наука сосредоточена на решении экологических последствий своего успеха, продолжая при этом внедрять инновации. Область обусловлена целью круговой экономики, где пластмассы предназначены для повторного использования, переработки или безопасного возвращения в окружающую среду.

Биопластики и биоразлагаемые полимеры

Одним из наиболее активных направлений исследований является разработка биопластиков. Полилактовая кислота (PLA), полученная из кукурузного крахмала или сахарного тростника, в настоящее время широко используется для компостируемых чашек, упаковки и филамента для 3D-печати. Полигидроксиалканоаты (PHAs) , производимые бактериальной ферментацией, являются другим классом биоразлагаемых пластмасс. Однако реальность более тонкая, чем маркетинг. Многие биопластики требуют промышленных компостирующих установок с определенными температурами и влажностью для эффективного разложения. Если они попадают на свалку или в океан, они могут сохраняться так же долго, как обычные пластмассы. Кроме того, смешивание биопластиков с обычными потоками переработки может загрязнять переработанный материал. Следующее поколение биопластиков направлено на решение этих проблем путем разработки материалов, которые безвредно разлагаются в более широком диапазоне сред.

Передовые технологии переработки

Механическая переработка, где пластмассы измельчаются, плавятся и переделываются, эффективна для некоторых пластмасс, но приводит к потере качества с течением времени. Химическая переработка предлагает более амбициозную альтернативу. Технологии, такие как пиролиз и деполимеризация , разбивают пластмассы на их оригинальные мономеры или основные строительные блоки углеводородов. Затем они могут быть использованы для создания новых пластмасс с тем же качеством, что и материал для производства девственных стружек. Хотя они все еще относительно дороги по сравнению с производством девственных пластмасс, химическая переработка масштабируется коммерчески по всему миру.

Материалы следующего поколения

Полимеры также находятся на переднем крае передовой материаловедения. Проводящие полимеры , такие как полианилин и PEDOT, сочетают гибкость и технологичность пластмасс с электропроводностью металлов. Обнаруженные Аланом Хигером, Аланом МакДиармидом и Хидеки Ширакавой , получившими Нобелевскую премию по химии за свою работу в 2000 году, эти материалы используются в гибкой электронике, датчиках и органических светоизлучающих диодах (OLEDs). Самовосстанавливающиеся полимеры , которые могут восстанавливать трещины при воздействии света, тепла или давления, продлевая срок службы покрытий и медицинских имплантатов. Полимеры с памятью формы могут деформироваться при комнатной температуре, но возвращаться к своей первоначальной форме при нагревании, что позволяет применять их в

Вывод: будущее синтетических полимеров

История синтетических полимеров - это история человеческой изобретательности, отвечающей потребностям материала. От вулканизированной резины и целлюлоида до нейлона, полиэтилена и современных передовых биопластиков и умных материалов, каждое новшество трансформировало общество. Пластмассы позволили легковесным транспортным средствам сжигать меньше топлива, стерильным медицинским устройствам, которые предотвращают инфекцию, безопасному хранению продуктов питания, которое уменьшает отходы, и глобальным сетям связи, которые полагаются на компоненты на основе полимера.

Тем не менее, экологическое наследие этих стойких материалов требует фундаментального сдвига. Та же творческая и техническая энергия, которая дала нам бакелит и нейлон, теперь должна быть направлена на решение кризиса отходов. Будущее пластмасс заключается не в отказе от них, а в разработке их для круговой экономики, где они производятся из возобновляемых источников сырья, используются эффективно и либо полностью переработаны, либо безопасно биодеградированы. По мере развития материаловедения история синтетических полимеров продолжает развиваться, и эти длинноцепочечные молекулы оказываются, чтобы написать еще много глав.