Menelusuri Sejarah Bahan Polimer:Bagian 1

Secara berkala saya mendapatkan email yang menanyakan apakah saya pernah mendengar tentang peristiwa sejarah tertentu yang berkaitan dengan industri plastik. Salah satu cerita yang mendapat banyak perhatian adalah tentang John Wesley Hyatt, seorang penemu Amerika yang berjasa menciptakan bahan yang sering disebut sebagai plastik pertama. Bahan tersebut dipatenkan pada tahun 1869 dengan nama Celluloid. Bagian dari cerita yang tampaknya paling menarik perhatian adalah fakta bahwa Hyatt dianugerahi hadiah $10.000 yang diberikan oleh Michael Phelan, seorang pemain biliar ahli yang menjadi perhatian pada awal tahun 1860-an tentang kekurangan gading dan dampaknya. ini karena biaya bola bilyar.

Ceritanya sangat menarik karena beberapa alasan. Pertama, ini memperkuat gagasan yang sudah sangat mendarah daging dalam industri kita bahwa bahan sintetis yang dibuat melalui kejeniusan kimia telah menggantikan dan memperbaiki bahan yang berasal dari sumber alami. Faktor lainnya adalah besarnya hadiah uang, yang setara dengan hampir $200.000 hari ini.

Seperti biasa, kisah penemuan Seluloid jauh lebih rumit dan sangat bergantung pada pencapaian sebelumnya. Dan pengenalannya disertai dengan penemuan penting lainnya yang memiliki dampak yang jauh lebih besar pada industri kita daripada materi itu sendiri. Dan sementara pencapaian yang terkait dengan pembuatan bahan sintetis terutama adalah sains, mereka terkait dengan dunia bisnis, dan sebagai hasilnya—karena uang terlibat—dengan pengacara. Rangkaian artikel ini akan dikhususkan untuk memberikan pandangan yang lebih tajam tentang sejarah industri kita dan bagaimana kita semua sampai di sini.

Dunia material sintetis terinspirasi dari dunia material yang dapat ditemukan di alam. Bahan yang tampaknya memulai seluruh proses adalah karet alam, zat yang berasal dari pohon tertentu dan secara kimia dikenal sebagai poliisoprena. Struktur kimia untuk dua susunan atom yang berbeda dalam molekul, yang dikenal sebagai isomer, ditunjukkan pada gambar berikut.

Dunia bahan sintetis tampaknya telah dimulai dengan karet alam, zat yang berasal dari pohon-pohon tertentu dan secara kimia dikenal sebagai poliisoprena. Struktur kimia untuk dua susunan atom yang berbeda dalam molekul, yang dikenal sebagai isomer, ditunjukkan di sini.

Penjelajah Eropa yang melakukan perjalanan ke Karibia dan Mesoamerika pada abad ke-16 dan ke-17 menemukan peradaban yang menggunakan bahan ini untuk membuat bola padat serta menggunakannya untuk membuat kain tahan air. Keberadaan bola padat yang terbuat dari bahan dengan apa yang hari ini kita sebut sifat elastomer adalah wahyu bagi orang-orang dari Eropa utara yang hanya mengalami bola yang terbuat dari kantong kulit yang digembungkan. Itu adalah cis-isomer yang menghasilkan semua produk ini. Kami akan segera mencapai trans-isomer.

Seorang penjelajah Prancis menemukan bahan serupa ketika dia melakukan perjalanan ke Peru pada tahun 1730-an, dan pada tahun 1751 makalah ilmiah pertama tentang bahan baru ini telah dipresentasikan. Tetapi pada titik ini kimia materi tidak dipahami dengan baik. Secara khusus, pengaruh suhu pada sifat material menciptakan hambatan untuk penggunaan komersial di Eropa. Berbeda dengan iklim Mesoamerika, di mana fluktuasi suhu pada ketinggian tertentu relatif kecil, perubahan suhu di Eropa dari musim dingin ke musim panas lebih signifikan. Pada suhu dingin bahan menjadi keras dan rapuh sedangkan suhu panas musim panas membuat bahan menjadi sangat lembut dan lengket. Penggunaan yang paling kreatif untuk produk ke bagian akhir dari 18 ^th abad adalah sebagai penghapus tanda pensil timah dari kertas. Nama karet berasal dari kualitas khusus ini.

Kemajuan di era kimia ini sebagian besar merupakan masalah penemuan-penemuan yang tidak disengaja yang dibawa melalui trial and error. Pada tahun 1820 dua pengusaha di bidang yang sangat berbeda secara independen menemukan melalui kecelakaan seperti itu bahwa poliisoprena larut dalam nafta dan terpentin. Karet terlarut kemudian dapat diaplikasikan pada kapas untuk membuat pakaian tahan air. Ini bekerja dengan baik selama cuaca tidak terlalu panas. Ketika itu terjadi, kain yang dilapisi akan menjadi lengket dan kehilangan bentuknya.

Batas suhu untuk penggunaan poliisoprena terus menjadi masalah sampai tahun 1830-an dan 40-an, ketika Charles Goodyear, menggunakan metode eksperimental yang sama acaknya dengan pendahulunya, menemukan dua teknik yang pertama-tama membahas masalah kinerja suhu tinggi dan kemudian, tiga tahun kemudian, proses vulkanisasi yang lebih terkenal yang meningkatkan sifat material pada suhu rendah. Goodyear tidak memahami unsur kimia di balik proses pengikatan silang yang secara dramatis meningkatkan kinerja material. Bahkan istilah vulkanisasi diciptakan oleh pesaing Inggris yang menemukan pendekatan Goodyear dan mengajukan paten di Inggris sementara Goodyear mengajukan di AS.

Peracikan karet, modifikasi sifat material melalui penambahan plasticizer dan pengisi, masih beberapa dekade lagi. Tapi dasar untuk dunia polimer telah didirikan. Menariknya, penduduk asli Mesoamerika telah belajar bagaimana menstabilkan sifat-sifat karet ratusan tahun sebelumnya dengan mengasapi lateks mentah, mungkin dengan cara yang kurang terkontrol tetapi sama efektifnya dengan senyawa nitrat dan belerang yang dibutuhkan untuk mengikat bahan tersebut.

Pada saat yang sama ketika kasus pengadilan antara Goodyear dan rekan-rekannya dari Inggris berkecamuk pada tahun 1850-an, seorang ahli bedah Inggris yang berpraktik di Asia Tenggara mengamati penduduk asli di bagian dunia itu mengambil getah dari salah satu pohon yang tumbuh di bagian itu. Dunia. Mereka melunakkan bahan dalam air panas, dan membentuknya menjadi berbagai produk yang berguna seperti gagang perkakas dan tongkat jalan. Dinamakan gutta percha setelah spesies pohon yang menghasilkan getah, secara kimiawi merupakan trans-isomer dari poliisoprena.

Ini adalah ilustrasi awal dan sangat baik tentang pentingnya isomerisme dalam menentukan sifat-sifat polimer, prinsip yang kami gunakan secara ekstensif dalam kimia polimer modern. Isomer cis bersifat amorf dan sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Hal ini membuat crosslinking diperlukan agar materi menjadi berguna. Trans-isomer mampu mengkristal. Oleh karena itu, meskipun memiliki suhu transisi gelas subambien yang sama dengan isomer cis, ia memiliki sifat padat yang berguna di atas suhu kamar.

Sementara gutta percha adalah bahan lain yang telah dikenal dan digunakan oleh budaya asli selama ratusan tahun, di tangan orang Eropa yang lebih berorientasi pada tujuan, ia dengan cepat diadopsi sebagai bahan isolasi untuk kabel telegraf bawah air. Dalam hal ini menunjukkan beberapa kesamaan tetapi juga beberapa perbedaan penting dengan karet isomer cis. Struktur non-polar dari kedua bahan menjadikannya isolator listrik yang baik. Tetapi struktur karet yang amorf, bahkan dalam bentuk ikatan silangnya, menghasilkan bahan yang tidak memiliki ketahanan kimia terhadap air asin. Gutta percha memiliki sifat listrik yang diinginkan tetapi pada saat yang sama tahan terhadap air asin serta banyak bahan kimia lainnya. Prinsip peningkatan ketahanan kimia yang timbul dari kristalinitas ini juga dikenal di dunia polimer, dan memungkinkan aplikasi baru sangat awal dalam sejarah industri kami.

Ini juga menyoroti aspek lain yang sangat penting yang terkait dengan penggunaan bahan:hubungan antara pengembangan kimia baru dan penemuan metode pemrosesan. Sementara bahan ini digunakan untuk melapisi kabel listrik, kemampuan untuk melakukannya dimungkinkan oleh penemuan yang sangat penting:ekstruder.

Dalam angsuran kami berikutnya, kami akan melanjutkan narasi kemajuan kami menuju Seluloid dan persimpangannya dengan perkembangan lain yang sangat penting dalam pemrosesan.

TENTANG PENULIS:Mike Sepe adalah konsultan material dan pemrosesan global independen yang perusahaannya, Michael P. Sepe, LLC, berbasis di Sedona, Arizona. Dia memiliki lebih dari 40 tahun pengalaman di industri plastik dan membantu klien dengan pemilihan material, merancang untuk manufakturabilitas, proses optimasi, pemecahan masalah, dan analisis kegagalan. Hubungi:(928) 203-0408 • [email protected].