Traçando a História de Materiais Poliméricos:Parte 1

Periodicamente, recebo e-mails perguntando se já ouvi falar de eventos históricos específicos relacionados à indústria de plásticos. Uma das histórias que chama muita atenção é aquela sobre John Wesley Hyatt, um inventor americano que recebeu o crédito por criar um material que costuma ser referido como o primeiro plástico. O material foi patenteado em 1869 com o nome de Celluloid. A parte da história que parece atrair mais atenção é o fato de o Hyatt ter recebido um prêmio de US $ 10.000 oferecido por Michael Phelan, um mestre jogador de bilhar que ficou preocupado no início de 1860 com a escassez de marfim e o impacto isso estava tendo sobre o custo das bolas de bilhar.

A história é muito atraente por alguns motivos. Em primeiro lugar, reforça a ideia muito arraigada em nossa indústria de que os materiais sintéticos criados pelo gênio da química substituíram e melhoraram os materiais derivados de fontes naturais. O outro fator é o tamanho do prêmio monetário, equivalente a quase US $ 200.000 hoje.

Como de costume, a história da invenção da celulóide é muito mais complicada e dependia muito de realizações anteriores. E sua introdução foi acompanhada por outra invenção notável, que teve um impacto muito maior em nossa indústria do que o próprio material. E embora as realizações associadas à criação de materiais sintéticos sejam principalmente científicas, elas estão interligadas ao mundo dos negócios e, como resultado - porque há dinheiro envolvido - aos advogados. Esta série de artigos será dedicada a fornecer uma visão mais criteriosa da história de nosso setor e de como todos nós chegamos aqui.

O mundo dos materiais sintéticos foi inspirado no mundo dos materiais que podem ser encontrados na natureza. O material que parece ter iniciado todo o processo foi a borracha natural, substância derivada de certas árvores e quimicamente conhecida como poliisopreno. As estruturas químicas para dois arranjos diferentes dos átomos na molécula, conhecidas como isômeros, são mostradas na imagem a seguir.
O mundo dos materiais sintéticos parece ter começado com a borracha natural, uma substância derivada de certas árvores e quimicamente conhecida como poliisopreno. As estruturas químicas para dois arranjos diferentes dos átomos na molécula, conhecidas como isômeros, são mostradas aqui.
Exploradores europeus que viajaram para o Caribe e a Mesoamérica nos séculos 16 e 17 encontraram civilizações que usavam esse material para fazer bolas sólidas e também para fazer tecidos à prova d'água. A existência de uma bola sólida feita de um material com o que hoje chamaríamos de propriedades elastoméricas foi uma revelação para as pessoas do norte da Europa que haviam experimentado apenas bolas feitas de uma bexiga inflada de couro. Foi o isômero cis que produziu todos esses produtos. Em breve chegaremos ao isômero trans.

Um explorador francês encontrou um material semelhante quando viajou para o Peru na década de 1730 e, em 1751, o primeiro artigo científico sobre esse novo material foi apresentado. Mas, neste ponto, a química do material não era bem compreendida. Em particular, o efeito da temperatura nas propriedades do material criou barreiras ao uso comercial na Europa. Ao contrário dos climas da Mesoamérica, onde as flutuações de temperatura em uma determinada altitude eram relativamente pequenas, as mudanças de temperatura na Europa do inverno ao verão foram mais significativas. Em temperaturas frias, o material tornou-se duro e quebradiço, enquanto as altas temperaturas do verão tornaram o material muito macio e pegajoso. O uso mais criativo para o produto na última parte do 18 ^th século foi como uma borracha de marcas de lápis de chumbo de papel. O nome borracha vem dessa qualidade particular.

O progresso nesta era da química foi em grande parte uma questão de descobertas acidentais provocadas por tentativa e erro. Em 1820, dois homens de negócios em áreas muito diferentes descobriram independentemente, por meio de tais acidentes, que o poliisopreno era solúvel em nafta e terebintina. A borracha dissolvida pode então ser aplicada ao algodão para fazer roupas à prova d'água. Isso funcionou bem, desde que o tempo não esquentasse muito. Quando isso acontecia, os tecidos revestidos ficavam pegajosos e perdiam a forma.

Os limites de temperatura para o uso de poliisopreno continuaram a ser um problema até as décadas de 1830 e 40, quando Charles Goodyear, usando métodos experimentais tão aleatórios quanto os de seus predecessores, tropeçou em duas técnicas que abordavam primeiro os problemas de desempenho em alta temperatura e então, três anos depois, o mais conhecido processo de vulcanização que melhorou as propriedades do material em baixas temperaturas. A Goodyear não tinha conhecimento da química por trás do processo de reticulação, que melhorava drasticamente o desempenho do material. Até mesmo o termo vulcanização foi cunhado por um concorrente britânico que descobriu a abordagem da Goodyear e entrou com o pedido de patentes na Inglaterra enquanto a Goodyear estava entrando com o pedido nos EUA.

A composição da borracha, a modificação das propriedades do material por meio da adição de plastificantes e cargas, ainda estava a décadas de distância. Mas a base para o mundo dos polímeros foi estabelecida. Curiosamente, os povos nativos da Mesoamérica aprenderam como estabilizar as propriedades da borracha centenas de anos antes, fumando o látex bruto, provavelmente introduzindo de maneira menos controlada, mas igualmente eficaz, os nitratos e compostos de enxofre necessários para reticular o material.

Ao mesmo tempo em que os processos judiciais entre Goodyear e seus colegas britânicos estavam sendo travados na década de 1850, um cirurgião britânico atuando no sudeste da Ásia observou os povos indígenas daquela parte do mundo extraindo a seiva de uma das árvores que cresciam naquela parte de o mundo. Eles amoleceram o material em água quente e o moldaram em uma variedade de produtos úteis, como cabos de ferramentas e bengalas. Chamada de guta-percha em homenagem à espécie de árvore que produz a seiva, ela é quimicamente o isômero trans do poliisopreno.

Esta é uma ilustração antiga e excelente da importância do isomerismo na determinação das propriedades dos polímeros, um princípio que fazemos uso extensivo na química moderna de polímeros. O isômero cis é amorfo e muito sensível às mudanças de temperatura. Isso torna a reticulação necessária para que o material seja útil. O isômero trans é capaz de cristalizar. Portanto, embora tenha a mesma temperatura de transição vítrea subambiente que o isômero cis, ele tem propriedades sólidas úteis acima da temperatura ambiente.

Embora a guta-percha fosse outro material conhecido e usado por culturas indígenas por centenas de anos, nas mãos dos europeus mais orientados para um objetivo, ela foi rapidamente adotada como material isolante para fios telegráficos subaquáticos. Nesse aspecto, mostrou algumas semelhanças, mas também algumas diferenças importantes com a borracha de isômero cis. A estrutura apolar de ambos os materiais os torna bons isolantes elétricos. Mas a estrutura amorfa da borracha, mesmo em sua forma reticulada, resultou em um material sem resistência química à água salgada. A guta-percha tinha as propriedades elétricas desejáveis, mas ao mesmo tempo era resistente à água salgada e a muitos outros produtos químicos. Este princípio de maior resistência química decorrente da cristalinidade também é bem conhecido no mundo dos polímeros e possibilitou novas aplicações desde muito cedo na história de nossa indústria.

Isso também traz à tona outro aspecto muito importante associado ao uso de materiais:a relação entre o desenvolvimento de novas químicas e a invenção de métodos de processamento. Embora esse material fosse usado para revestir fios elétricos, a capacidade de fazê-lo foi possibilitada por uma invenção muito importante:a extrusora.

Em nossa próxima edição, continuaremos a narrativa de nosso progresso em direção à celulóide e sua intersecção com outro desenvolvimento muito importante no processamento.

SOBRE O AUTOR:Mike Sepe é um consultor independente e global de materiais e processamento cuja empresa, Michael P. Sepe, LLC, está sediada em Sedona, Arizona. Ele tem mais de 40 anos de experiência na indústria de plásticos e auxilia clientes na seleção de materiais, projetos para capacidade de fabricação, processo otimização, solução de problemas e análise de falhas. Contato:(928) 203-0408 • [email protected].