Menelusuri Sejarah Bahan Polimer, Bagian 13

Dalam kedua kasus ini, satu atau kedua reaktan memiliki gugus reaktif hanya pada satu ujung molekul, jadi begitu reaksi berlangsung, prosesnya selesai. Namun, Carothers dan timnya menemukan bahwa jika mereka menggunakan reaktan dengan gugus fungsi pada kedua ujung molekul, reaksi dapat diperpanjang untuk membuat makromolekul rantai panjang, sebuah polimer. Gambar 3 menunjukkan prinsip ini diterapkan pada nilon 66. Poliester, yang sebenarnya telah disintesis sebelumnya menggunakan jenis reaksi yang sama, diletakkan di rak sementara semua fokus dialihkan ke nilon.

Jika reaktan dengan gugus fungsi digunakan pada kedua ujung molekul, reaksi dapat diperpanjang untuk membuat makromolekul rantai panjang—polimer. Prinsip ini diterapkan di sini untuk nilon 66.

Untuk memahami alasannya, kita perlu memahami kimia ester dan gugus amida. Gugus amida terdiri dari ikatan nitrogen-karbon di dalam tulang punggung polimer. Terlampir pada karbon dengan ikatan rangkap adalah atom oksigen, sedangkan atom hidrogen melekat pada nitrogen. Ini membuat situasi yang sangat kebetulan. Kedua segmen kelompok amida ini berperilaku sebagai magnet kecil dengan kutub positif dan negatif yang terdefinisi dengan baik. Dalam kasus ikatan C=O, oksigen bermuatan negatif, sedangkan pada ikatan N-H hidrogen bermuatan positif. Ketika segmen tetangga rantai polimer sejajar, gaya tarik menarik antara oksigen bermuatan negatif dan hidrogen bermuatan positif sangat kuat dan menghasilkan sifat mekanik yang unggul dan titik leleh yang sangat tinggi.

Itu adalah titik leleh 260 C (500 F), serta kekuatan dan modulus material yang sangat tinggi, yang menarik perhatian para peneliti DuPont. Kehadiran hidrogen yang terikat pada nitrogen adalah kuncinya di sini. Hidrogen adalah elemen paling sederhana di alam semesta kita, terdiri dari nukleus yang mengandung satu proton bermuatan positif di mana satu elektron bermuatan negatif mengorbit. Ketika ada atom yang masuk ke dalam reaksi kimia, ia melakukannya dengan berbagi setidaknya satu elektron dengan pasangannya.

Dalam kasus hidrogen, berbagi elektron ini membuat inti positif tidak terlindungi. Jika atom pasangan mampu melepaskan elektron hidrogen cukup jauh dari nukleusnya, nukleus positif menjadi mampu berpartisipasi dalam gaya tarik menarik yang sangat kuat yang dikenal sebagai ikatan hidrogen. Hanya tiga elemen yang mampu menarik elektron hidrogen cukup jauh dari nukleusnya untuk menciptakan ikatan hidrogen seperti itu dan nitrogen adalah salah satunya. Ketika muatan positif yang kuat ini sejajar dengan atom oksigen bermuatan negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, gaya yang mengikat segmen ini menjadi sangat kuat dan sifat nilon yang sangat baik adalah hasilnya.

Penting untuk dicatat bahwa struktur polimer nilon antara gugus amida hanya terdiri dari rantai karbon dengan atom hidrogen yang melekat pada sisi rantai. Ini menyerupai struktur kimia polietilen, geometri molekul sederhana yang disebut dalam kimia sebagai struktur alifatik. Struktur alifatik biasanya tidak menghasilkan sifat termal dan mekanik yang sangat mengesankan. Tapi ini bekerja dalam poliamida karena kombinasi gaya tarik kuat yang diberikan oleh ikatan hidrogen, ditambah dengan simetri jarak gugus amida, memberikan sifat yang jauh melampaui apa yang biasanya diharapkan.

Jadi mengapa poliester diletakkan di bagian belakang kompor untuk mendukung bahan kimia nilon? Jika kita kembali ke struktur pada Gambar 1, kita dapat melihat bahwa gugus ester, meskipun mirip dengan gugus amida, kehilangan kesempatan untuk membentuk ikatan hidrogen. Di tempat kelompok N-H kita hanya memiliki atom oksigen. Tidak adanya ikatan hidrogen menghasilkan poliester alifatik dengan titik leleh yang jauh lebih rendah dan kekuatan yang jauh lebih rendah. Poliester alifatik dengan berat molekul rata-rata sebanding dengan nilon 66 akan memiliki titik leleh hanya 80 C (176 F) dan juga akan menunjukkan kecenderungan yang signifikan untuk mengalami hidrolisis. Properti ini tidak memenuhi harapan para peneliti DuPont, yang berfokus terutama pada serat untuk kain dan pakaian.

Oleh karena itu, sementara pembuatan poliester dan pembentukannya menjadi serat di laboratorium mendahului nilon sekitar tiga tahun, nilon menerima semua penekanan dalam pengembangan dan poliester ditempatkan di rak. Di penghujung tahun 1930-an, dua peneliti Inggris, John Rex Whinfield dan James Tennant Dickson, mulai meninjau pekerjaan yang telah dilakukan tim Carothers di DuPont pada poliester. Mereka menemukan bahwa tim DuPont tidak mengejar jalan untuk meningkatkan profil properti poliester dengan menggunakan kimia yang menggantikan struktur alifatik asli dengan jenis kimia yang dikenal sebagai aromatik. Dalam kimia istilah aromatik memiliki arti yang sangat khusus:Ini mengacu pada struktur kimia seperti cincin yang biasanya melibatkan enam karbon dan dicontohkan oleh zat seperti benzena dan xilena.

Cincin aromatik merupakan bagian tak terpisahkan dari kimia polimer modern, tetapi pada tahun 1930-an penggunaannya masih terbatas pada polimer termoset seperti fenolik. Cincin ini planar dan sangat kaku dan karena itu mereka memberikan peningkatan yang signifikan dalam kinerja termal dan mekanik ketika mereka dimasukkan ke dalam senyawa organik dan polimer. Pada tahun 1939, Whinfield dan Dickson menggunakan asam karboksilat aromatik, asam tereftalat, dalam kombinasi dengan etilen glikol, untuk menghasilkan poliester komersial pertama, polietilen tereftalat (PET). Bekerja dengan dua penemu Inggris, W.K. Kelahiran dan C.G. Ritchie, mereka mematenkan poliester PET dan mengkomersialkan serat berdasarkan bahan yang diperkenalkan oleh Imperial Chemical Industries (ICI) pada tahun 1941 sebagai Terylene.

Perkembangan ini memulai sejarah panjang poliester yang akan kami ceritakan dalam angsuran berikutnya.

TENTANG PENULIS:Michael Sepe adalah konsultan bahan dan pemrosesan independen yang berbasis di Sedona, Arizona, dengan klien di seluruh Amerika Utara, Eropa, dan Asia. Dia memiliki lebih dari 45 tahun pengalaman di industri plastik dan membantu klien dengan pemilihan material, merancang untuk manufakturabilitas, optimasi proses, pemecahan masalah, dan analisis kegagalan. Hubungi:(928) 203-0408 • [email protected]