Menelusuri Sejarah Bahan Polimer:Bagian 5

Tinjauan terhadap sejarah perkembangan teknologi menunjukkan bahwa terobosan tidak terjadi dalam ruang hampa. Kontributor yang berbeda mengambil langkah-langkah kecil, yang kemudian dimajukan oleh orang lain, dan ketika sebuah penemuan seperti fenolik bersatu dalam bentuk akhirnya, penciptaannya dapat dilacak melalui rangkaian peristiwa yang panjang. Juga benar bahwa banyak orang sering kali memiliki ide yang sama, dan orang yang diingat oleh sejarah sering kali adalah orang yang pertama kali menerima pengakuan formal karena menempatkan potongan terakhir dari teka-teki, menjadikan pembangunan layak secara teknologi dan layak secara ekonomi.

Sebelum Leo Baekeland di A.S. bahkan memulai penyelidikannya tentang apa yang akan menjadi kimia fenolik, Arthur Smith memperoleh paten Inggris pada tahun 1899, paten pertama yang dikeluarkan dalam upaya untuk menghasilkan fenolik yang berguna. Namun, dibutuhkan beberapa hari untuk mengeras pada suhu 90-100 C dan terdistorsi dalam prosesnya. Pada saat yang sama Baekeland bekerja untuk menyempurnakan reaksi antara fenol dan formaldehida, seorang ahli kimia Jerman, Carl Heinrich Meyer, menghasilkan reaksi katalis asam antara fenol dan formaldehida, tetapi penggunaannya terbatas pada pernis dan perekat.

Seorang ahli kimia Austria bernama Adolf Luft telah mengerjakan masalah yang sama. Tetapi senyawa yang dihasilkan Luft menggunakan kapur barus sebagai pelarut dan sangat rapuh. Seorang insinyur listrik Inggris, James Swinburne, bekerja selama tiga tahun untuk menemukan pelarut yang akan memperbaiki kekurangan ini dan akhirnya menemukan soda api sebagai solusinya. Dia tiba di kantor paten Inggris sedikit terlambat untuk menjadi tokoh sejarah yang dikenang karena penciptaan fenolik. Faktanya, Baekeland mendahuluinya satu hari.

Meskipun saingan dan musuh potensial, Baekeland dan Swinburne akhirnya bekerja sama setelah Baekeland awalnya mengancam litigasi paten ketika Swinburne mendirikan pabrik di AS. Faktanya, Baekeland berhasil mempertahankan posisi dominan di pasar melalui kombinasi ancaman litigasi paten, pemberian izin untuk penggunaan patennya kepada Swinburne dan yang lainnya selama Perang Dunia I, dan akhirnya membeli banyak pesaingnya di akhir tahun 1920-an tepat saat patennya akan habis masa berlakunya.

Rute yang ditempuh Baekeland dan Swinburne ke proses pembuatan fenolat merupakan cerminan dari kesulitan dalam mengendalikan reaksi polimerisasi kondensasi. Polimerisasi kondensasi biasanya menghasilkan produk sampingan yang tidak diinginkan yang dapat menghambat reaksi yang diinginkan dan harus dihilangkan atau ditekan. Masalah mengelola aspek reaksi kimia ini secara dramatis diilustrasikan oleh pengalaman ahli kimia Jerman Adolf von Baeyer. Baeyer terutama dikenang karena sintesis indigonya, dan dia memenangkan Hadiah Nobel dalam bidang kimia pada tahun 1905. Dia juga merupakan anak didik August Kekulé, ahli kimia terkenal yang disebutkan dalam kolom bulan lalu, yang asistennya membimbing Baekeland melalui gelar doktornya. Baeyer dikreditkan sebagai orang pertama yang menyelidiki reaksi kimia antara fenol dan formaldehida pada tahun 1872. Reaksi kimia yang keras menghasilkan padatan resin seperti tar yang dibuang Baeyer setelah ia tidak dapat menganalisis komposisinya.

Itu bisa menjadi akhir dari jalan untuk polimer berbasis formaldehida, jika bukan karena penemuan kebetulan lain yang dibuat oleh ahli kimia Bavaria Adolf Spitteler 25 tahun kemudian. Seekor kucing yang tinggal di lab Spitteler menjatuhkan botol berisi larutan formaldehida, menumpahkan isinya ke dalam cawan susu. Spitteler mengamati bahwa susu dengan cepat mengental menjadi senyawa keras yang tampaknya memiliki sifat yang mirip dengan seluloid. Reaksi kimia yang menghasilkan bahan ini melibatkan ikatan silang dari campuran protein yang dikenal sebagai kasein oleh formaldehida dan polimer yang dikenal sebagai kasein. Penemuan bahwa formaldehida membuat kasein tidak larut dalam air sebenarnya telah dibuat empat tahun sebelumnya pada tahun 1893 oleh seorang ahli kimia Prancis, Alfred Trillat. Namun penghargaan sejarah diberikan kepada Spitteler dan kolaborator non-kimiawan, Wilhelm Krische.

Krische sedang mencari bahan yang bisa dia gunakan untuk membuat papan tulis putih yang bisa dicuci. Dia sudah mencoba menggunakan kasein, dan ketika itu berhasil pada awalnya, kasein melunak saat pertama kali papan tulis dibersihkan dengan air. Bahan ikatan silang memecahkan masalah ini dan pasar sangat signifikan sehingga Spitteler dan Krische mendirikan perusahaan untuk membuat kasein dan produk terkait. Trillat telah mencoba meyakinkan sebuah perusahaan Prancis untuk memproduksi produk yang berasal dari penelitiannya, tetapi dia tidak dapat menghasilkan minat yang dibutuhkan. Keberhasilan perusahaan Jerman, ditambah dengan kesadaran bahwa kasein dapat dengan mudah dibuat menjadi berbagai bentuk, mendorong terlambatnya pendirian operasi Prancis yang bersaing.

Produk komersialnya diberi nama Galalith ("batu susu" dalam bahasa Yunani). Materi tersebut ditampilkan di Paris Universal Exhibition pada tahun 1900 dan dipatenkan pada tahun 1906. Tidak ada informasi sejarah yang menunjukkan bahwa perusahaan Jerman dan Prancis mengajukan tuntutan untuk hak tersebut. Mereka berdua memproduksi bahan untuk memenuhi pasar yang berkembang, terutama di industri fashion untuk membuat kancing, gesper dan perhiasan, meskipun kasein banyak ditemukan pada produk yang juga menggunakan seluloid, seperti sisir dan gagang pisau. Itu bahkan digunakan untuk membuat isolator listrik sebelum munculnya fenolik.

Untuk semua keberhasilannya, dan fakta bahwa ia mendahului fenolik lebih dari satu dekade, kasein masih merupakan bahan yang sama seperti karet dan seluloid, modifikasi dari bahan alami dan bukan produk sintetis sejati. Namun, itu jauh lebih mudah untuk diproduksi daripada fenolik karena protein, yang terdiri dari alfa, beta, dan kappa-kasein, sudah merupakan polimer dengan berat molekul dalam kisaran 20.000 hingga 25.000 g/mol. Fenol memiliki berat molekul hanya 94, membutuhkan pembentukan prapolimer sebelum ikatan silang.

Sebagai catatan, mereka yang telah berkecimpung di industri plastik selama lebih dari 15 tahun ingat saat General Electric memiliki divisi bahan plastik. Ketika ditanya tentang sejarah GE Plastics, bahkan sebagian besar dari kita, para pemula, akan menunjuk pada munculnya polikarbonat pada pertengahan 1950-an. Kisah perkembangan itu diceritakan dalam sebuah iklan yang banyak ditayangkan pada acara berita Minggu pagi di tahun 1990-an dan menunjukkan seekor kucing berjalan melalui laboratorium di tengah malam. Kucing itu menjatuhkan botol dan di pagi hari seorang ilmuwan, mungkin Dan Fox, datang ke lab untuk menemukan segumpal bahan bening yang kemudian dia tundukkan pada air mendidih, api, dan palu, yang semuanya gagal mempengaruhi integritas. materi.

Meskipun benar bahwa polikarbonat adalah salah satu penemuan yang tidak disengaja, tidak ada kucing. Pemasar brilian di GE telah meminjam kisah kucing Spitteler untuk iklan mereka. Namun polikarbonat bukanlah produk pertama yang dibuat oleh divisi GE Plastics. Sebaliknya, itu adalah fenolik. Ingat, kompetensi inti GE adalah di industri kelistrikan, di mana fenolik pertama kali menonjol. GE mulai memajukan kimia fenolik pada akhir 1920-an setelah paten Baekeland berakhir dan menjual bahan dengan nama dagang Genal hingga awal 1980-an.

Keberhasilan kimia kasein-formaldehida terjadi sebelum Baekeland melakukan terobosan dengan fenolik. Tapi kesuksesan inilah yang menghidupkan kembali minat pada eksperimen awal Baeyer. Dan sementara beberapa ahli kimia sedang mengerjakan kimia baru ini secara bersamaan, Baekeland-lah yang mengerjakan sistem yang mengendalikan kekuatan ledakan yang cukup besar yang terkait dengan generasi produk sampingan dari reaksi kondensasi yang terlibat dalam produksi material. Eksperimen sebelumnya telah berusaha mengendalikan reaksi dengan menurunkan suhu untuk memperlambat segalanya, dan untuk sementara waktu Baekeland mengikuti strategi yang sama. Terobosannya datang ketika dia mencoba pendekatan yang berlawanan, menaikkan suhu dan mengendalikan reaksi yang lebih cepat yang dihasilkan dengan menjalankannya dalam bejana bertekanan, Bakelizer yang disebutkan di atas.

Kompleksitas polimerisasi fenolik berkontribusi pada keputusan Baekeland untuk masuk ke sisi produksi bisnis daripada menghasilkan uang dengan memberikan lisensi. Prosesnya terlalu rumit untuk produsen tanpa latar belakang kimia. Bakelizer adalah sesuatu yang tidak akan pernah lulus inspeksi OSHA. Itu termasuk agitator yang membutuhkan tenaga listrik. Tetapi jaringan listrik yang baru lahir belum mencapai daerah Baekeland pada saat itu. Jadi, ia memperoleh mesin uap dan memasok uap ke mesin menggunakan boiler berbahan bakar batubara yang dipasang di sudut laboratorium. Uap kemudian disalurkan ke garasi di mana pembuatan resin dilakukan. Kebakaran menghanguskan sebagian besar garasi pada bulan Maret 1909, menyebabkan Baekeland pindah ke pabrik kimia di Perth Amboy, N.J., tempat pabrik formaldehida besar berada.

Polimer sintetik penuh pertama membuat jejaknya di isolator listrik, tetapi selama 30 tahun berikutnya ia memperluas pengaruhnya ke berbagai pasar yang mencakup peralatan, peralatan kantor, komunikasi, otomotif, pesawat terbang, dan persenjataan, serta area yang lebih sepele dari perlengkapan kamar mandi dan tong pena. Kemampuan pembentukan fenolik melahirkan disiplin desain plastik. Dan itu memupuk kimia lain berdasarkan ikatan silang dengan formaldehida, termasuk urea dan melamin. Bahan-bahan ini lebih mudah diwarnai dan memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap efek arus listrik jangka panjang yang dikenal sebagai pelacakan.

Polimer sintetik pertama adalah termoset, dan mereka mendominasi industri plastik selama beberapa dekade, jauh dari lanskap industri kita saat ini. Tetapi serangan termoplastik sudah dimulai dan akan mengubah banyak hal mulai tahun 1930-an. Kami akan mengalihkan perhatian kami ke bagian cerita selanjutnya.

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]