Menelusuri Sejarah Bahan Polimer:Bagian 9

Ketika laju perkembangan polimer sintetik mulai meningkat pada 1920-an dan awal 1930-an, kelas bahan berdasarkan kimia klorin menjadi bagian dari lanskap. Bukti pertama dari "sintesis" PVC sebenarnya kembali ke pertengahan 1830-an ketika vinil klorida, monomer yang digunakan untuk memproduksi PVC, pertama kali disintesis pada tahun 1835 oleh Justus von Liebig dan muridnya, Henri Victor Regnault.

Tidak ada yang tertarik pada polimer. Von Liebig akan terus memberikan kontribusi besar dalam pengembangan pupuk yang menggunakan nitrogen dan kimia mineral. Dia dianggap sebagai salah satu pendiri kimia organik modern. Minat Regnault adalah mempelajari sifat-sifat gas, termasuk vinil klorida. Tetapi seperti banyak senyawa tak jenuh dengan berat molekul rendah, vinil klorida memiliki kecenderungan untuk berpolimerisasi secara spontan, dan pada tahun 1838 Regnault menemukan bubuk putih dalam wadah yang berisi vinil klorida. Ini adalah kreasi PVC pertama yang diketahui. Polimer itu “ditemukan” untuk kedua kalinya pada tahun 1872.

Mencoba untuk menggunakannya secara komersial pada awal tanggal 20 abad tidak berhasil karena masalah dengan stabilitas termal polimer. Seperti yang telah kami sebutkan, masalah ini diselesaikan oleh Waldo Semon di B.F. Goodrich, yang menemukan plasticizer untuk PVC. Pengurangan yang dihasilkan dalam suhu pelunakan polimer membuka jendela yang sempit tetapi dapat diterapkan untuk pemrosesan lelehan. Proses plasticizing PVC kemudian diperluas untuk menghasilkan berbagai macam senyawa dari kaku hingga fleksibel, tergantung pada jumlah dan jenis plasticizer yang dimasukkan ke dalam polimer.

Pada tahun 1930, Elmer Bolton, direktur penelitian di DuPont, mencari peluang komersial yang diperluas, menjadi tertarik pada kimia asetilena, yang telah menghasilkan senyawa seperti vinil asetilen. Ketika direaksikan dengan hidrogen klorida, vinil asetilena diubah menjadi kloroprena, monomer untuk Neoprena. Pada tahun 1931 DuPont telah membeli paten dari pengembang kimia, Dr. Julius Nieuwland di Notre Dame, dan telah mempolimerisasi kloroprena untuk menghasilkan karet sintetis pertama yang sesungguhnya. Seperti banyak elastomer, sifat Neoprene dapat disesuaikan dengan penggabungan plasticizer. Kimia yang sama yang telah ditemukan untuk plasticizing PVC juga ditemukan cocok untuk Neoprene.

Pada tahun 1933, polimer lain yang mengandung klorin, polivinilidena klorida (PVDC), secara tidak sengaja ditemukan oleh seorang pekerja laboratorium di perusahaan lain yang akan menciptakan jejak besar di dunia polimer, Dow Chemical. Secara kimia, PVC dan PVDC sangat mirip, seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi berikut. Rute menuju komersialisasi PVDC lebih berliku daripada Neoprene, tetapi masih jauh lebih cepat daripada perjalanan hampir 90 tahun untuk PVC.

Pencipta PVDC, Ralph Wiley, sedang mengerjakan produksi perkloroetilena, produk pembersih kering, dan menemukan bahwa beberapa gelas kimianya mengembangkan residu yang menolak semua upaya pembersihan. Seperti halnya dengan banyak penemuan polimer awal, penggunaan pertama PVDC adalah sebagai pelapis untuk melindungi produk lain dari kelembaban dan korosi, karena dapat dengan mudah disemprotkan ke berbagai bahan. Itu digunakan pada pelapis mobil dan juga pada pesawat tempur, seperti selulosa asetat telah digunakan dua puluh tahun sebelumnya. Wiley melihat potensi bahan dalam bentuk serat, tetapi bos Wiley, John Reilly, ingin mengambil pengembangan ke arah film. Selama enam tahun, bahan tersebut melewati serangkaian penyempurnaan untuk menghilangkan warna hijau dan bau yang tidak sedap, dan pada tahun 1942 bahan tersebut digunakan sebagai lapisan pelindung untuk kanvas dan karet pada perlengkapan militer.

Willard Dow, saat itu presiden Dow, mendorong untuk menghentikan pengembangan PVDC pada tahun 1943. Namun saat ini Wiley memiliki banyak paten atas bahan tersebut dan meyakinkan Dow untuk tetap menggunakan produk tersebut. Seperti yang telah kita lihat dalam banyak contoh pengembangan polimer baru, kunci keberhasilan PVDC jangka panjang adalah pengembangan proses. Wilbur Stephenson dikreditkan dengan mengembangkan gelembung Saran yang terkenal yang merupakan kunci untuk memproduksi produk film tipis. Saran, gabungan nama istri John Reilly (Sarah) dan putrinya (Ann), menjadi identik dengan PVDC dengan cara yang sama seperti nama merek Kleenex dikaitkan dengan tisu.

Ini dengan cepat menjadi bahan pilihan untuk membungkus peralatan militer yang dikirim ke luar negeri untuk melindunginya dari efek korosif kelembaban dan semprotan air asin. Ketika perang berakhir dan pasar ini mengering, Dow benar-benar menjual produk tersebut kepada dua karyawannya, yang mendirikan bisnis di Midland dengan membuat pembungkus makanan. Produk tersebut terjual dengan sangat baik sehingga Dow membeli kembali bisnis tersebut pada tahun 1948 dan secara resmi memperkuat hubungan yang terkenal antara nama Dow dan Saran Wrap.

Polietilen terklorinasi (CPE) dikembangkan segera setelah komersialisasi PVC, Neoprene, dan PVDC. Tidak seperti polimer lain ini, di mana klorin sudah menjadi bagian dari kimia monomer, polietilen terklorinasi dibuat dengan mereaksikan polietilen yang sudah terpolimerisasi dengan pelarut terklorinasi untuk menggantikan atom hidrogen dengan atom klorin di sepanjang tulang punggung polimer. Sifat-sifat polietilen terklorinasi bergantung pada jenis polietilen yang dimodifikasi (LDPE vs. HDPE) dan jumlah klorin yang direaksikan ke dalam bahan. Pada kadar klorin yang rendah, CPE adalah termoplastik.

Namun, ketika kadar klorin meningkat, bahan pertama-tama menjadi elastomer termoplastik, kemudian menjadi bahan elastomer yang lebih mirip karet, dan akhirnya menjadi polimer kaku. Paten asli untuk CPE diajukan pada tahun 1939 oleh Eric Fawcett yang sama yang merupakan bagian dari tim yang pertama kali menciptakan polietilen pada tahun 1933. Pendekatan umum yang sama sejak itu telah digunakan untuk membuat polipropilena terklorinasi. Poliolefin terklorinasi dapat digunakan dalam campuran dengan PVC untuk meningkatkan ketahanan benturan. Klorinasi setelah polimerisasi juga telah diterapkan pada PVC itu sendiri, menciptakan CPVC. Menaikkan kadar klorin meningkatkan ketahanan panas material, meningkatkan suhu transisi kaca dari sekitar 80 C menjadi 110 C.

Kehadiran klorin dalam bahan-bahan ini memberikan beberapa sifat yang sangat diinginkan dengan biaya yang relatif rendah. PVC, Neoprene, dan PVDC semuanya menunjukkan sifat penghalang luar biasa yang menjadikannya unik. Neoprene sebagai bahan masker wajah dilaporkan dapat menghentikan 99,9% dari semua partikel yang lebih besar dari 0,1 mikron. Rata-rata virus corona adalah 0,125 mikron. Saran, sebenarnya merupakan kombinasi dari PVDC dan akrilonitril, memiliki penghalang oksigen yang 3000 kali lebih baik daripada LDPE dan juga memiliki sifat penghalang yang tak tertandingi untuk berbagai macam konstituen lain yang memberikan rasa dan aroma pada produk makanan. Klorin juga memberikan sifat tahan api yang melekat.

Pada saat yang sama, keberadaan klorin membuat bahan-bahan ini sangat sensitif terhadap efek panas, menghasilkan jendela pemrosesan yang sempit dan menghasilkan produk sampingan korosif yang harus dikelola dengan perlindungan khusus untuk perkakas dan peralatan pemrosesan. Selain itu, PVC telah menjadi anak poster untuk gerakan anti-plastik, sebagian karena kontroversi mengenai pemlastis ftalat tetapi juga karena beberapa penelitian yang menunjukkan bahwa polimer itu sendiri membentuk dioksin ketika dibakar.

Pada tahun 2004, enam tahun setelah S.C. Johnson membeli Saran Wrap dari Dow Chemical, komposisi bahan diubah dari PVDC menjadi polietilen, sebagian besar karena kekhawatiran tentang dampak lingkungan dari jenis pembuangan ini. Bahan generasi baru lebih ringan, lebih murah, dan tidak dapat disangkal lebih mudah untuk diproduksi sebagai hasilnya. Tetapi tidak memiliki daya rekat yang membuatnya melekat pada dirinya sendiri dan segala sesuatu yang lain dan tidak lagi memberikan sifat penghalang yang unik dari produk aslinya.

Perhatian terhadap klorin telah meluas ke semua hal halogen, dengan tekanan regulasi juga diterapkan pada berbagai senyawa terklorinasi dan brominasi yang digunakan sebagai penghambat api. Hanya Neoprene yang tampaknya telah lolos dari mimpi buruk hubungan masyarakat, alih-alih menjadi bahan yang digunakan dalam berbagai produk konsumen yang mencakup lengan laptop, alas mouse, topeng Halloween, permukaan meja gaming, matras yoga, dan pakaian mode tinggi dari terkenal. desainer seperti Vera Wang dan Gareth Pugh. Ini mungkin salah satu contoh terbaik dari hubungan cinta-benci yang dimiliki masyarakat umum dengan plastik.

Terlepas dari semua kontroversi, polimer yang mengandung klorin telah bersama kami selama hampir 100 tahun; dan sementara upaya hampir pasti akan terus mengurangi penggunaannya, PVC telah dan selama bertahun-tahun menjadi bahan nomor tiga dalam konsumsi global tahunan, sebagian besar karena sifat yang diberikan klorin pada bahan tersebut. Halogen lain yang juga memainkan peran penting dalam dunia polimer, fluor, akan menjadi topik kita 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]