Бакелит: Первый синтетический пластик

Введение

Первый синтетический пластик

Бакелит был одним из первых материалов, похожих на пластик, представленных в современном мире, и стал популярным благодаря возможности формования и последующего затвердевания в любую форму. Благодаря своей электрической непроводности и теплостойкости он имел большой коммерческий успех. Его использовали в электрических изоляторах, корпусах радиоприемников и телефонов, а также в таких разнообразных изделиях, как кухонная утварь, ювелирные изделия, мундштуки для трубок, детские игрушки и огнестрельное оружие. Ретро-привлекательность старых изделий из бакелита сделала их коллекционными. Создание синтетического пластика стало революцией для химической промышленности, которая в то время получала основную часть дохода от красителей для тканей и взрывчатых веществ. Коммерческий успех бакелита вдохновил промышленность на разработку других синтетических пластмасс. Как первый в мире коммерчески производимый синтетический пластик, бакелит был признан Национальным историческим химическим памятником Американским химическим обществом.

История

Бакелит был впервые произведен в 1872 году Адольфом фон Бейером, хотя его использование в качестве коммерческого продукта в то время не рассматривалось. Лео Бэкленд уже был состоятельным благодаря изобретению фотобумаги Velox, когда начал исследовать реакции фенола и формальдегида в своей домашней лаборатории. Химики стали понимать, что многие натуральные смолы и волокна являются полимерами. Первоначальным намерением Бэкленда было найти замену шеллаку, материалу, ограниченному в поставках, поскольку он производился естественным путем из выделений лаковых насекомых (в частности, Kerria lacca). Он создал растворимый фенолформальдегидный шеллак под названием Novolak, но он не имел коммерческого успеха. Это был первый синтетический термореактивный пластик, и Бэкленд рассуждал о "тысяче и одной статье", для изготовления которой его можно использовать. Бэкленд подал значительное количество связанных патентов, а также запросил патентную защиту в других странах, включая Бельгию, Канаду, Данию, Венгрию, Японию, Мексику, Россию и Испанию. Он объявил о своем изобретении на собрании Американского химического общества 5 февраля 1909 года. Бэкленд начал полукоммерческое производство своего нового материала в своей домашней лаборатории, предлагая его в качестве материала для электрических изоляторов. Летом 1909 года он передал континентальные европейские права компании Rütger AG. Образованное в то время дочернее предприятие Bakelite AG стало первым, кто начал производить бакелит в промышленных масштабах. К 1910 году Бэкленд производил достаточно материала в США, чтобы оправдать расширение. Он основал General Bakelite Company в Перт-Амбое, штат Нью-Джерси, как американскую компанию для производства и сбыта своего нового промышленного материала, а также установил зарубежные связи для его производства в других странах. Однако спрос на формованные пластмассы привел к тому, что компания сосредоточилась на формовании, а не на литье твердых смол. Корпорация Bakelite была образована в 1922 году после судебного разбирательства по патентам, благоприятного для Бэкленда, в результате слияния трех компаний: General Bakelite Company Бэкленда, Condensite Company, основанной Дж. У. Айлсвортом, и Redmanol Chemical Products Company, основанной Лоуренсом В. Редманом. Под руководством директора по рекламе и связям с общественностью Аллана Брауна, пришедшего в Bakelite из Condensite, бакелит активно рекламировался как "материал для тысячи применений". 25 августа 1925 года была подана заявка на товарный знак с буквой B над математическим символом бесконечности, и утверждалось, что товарный знак используется с 1 декабря 1924 года. В заявках на регистрацию товарного знака был перечислен широкий спектр применений. Первый номер журнала "Plastics" за октябрь 1925 года представил бакелит на обложке и содержал статью "Бакелит – что это такое" Аллана Брауна. Ассортимент доступных цветов включал "черный, коричневый, красный, желтый, зеленый, серый, синий и смеси двух или более из них". В статье подчеркивалось, что бакелит выпускается в различных формах. Бакелит производится в нескольких формах для удовлетворения различных требований. Во всех этих формах основой является исходная бакелитовая смола. Этот ассортимент включает прозрачный материал для ювелирных изделий, курительных принадлежностей и т.д.; цемент для герметизации электрических ламп в металлических цоколях; лаки для пропитки электрических катушек и т.д.; лаки для защиты поверхности фурнитуры; эмали для создания устойчивого покрытия промышленного оборудования; ламинированный бакелит, используемый для бесшумных шестерен и изоляции; и формовочный материал, из которого изготавливаются бесчисленные полезные и красивые изделия. Формовочный материал обычно получают путем пропитки целлюлозных веществ исходной "неотвержденной" смолой. В Англии в 1926 году была создана Bakelite Limited, объединение трех британских поставщиков фенолформальдегидных смол (Damard Lacquer Company Limited из Бирмингема, Mouldensite Limited из Дарли Дейла и Redmanol Chemical Products Company из Лондона). Новая фабрика Bakelite открылась в Тайсли, Бирмингем, около 1928 года и оставалась "сердцем производства бакелита в Великобритании" до ее закрытия в 1987 году. В 1931 году в Баунд-Брук, штат Нью-Джерси, открылся завод по производству фенольных смол и прекурсоров. Помимо оригинального материала бакелита, эти компании в конечном итоге производили широкий спектр других продуктов, многие из которых продавались под торговой маркой "пластмассы Bakelite". Среди них были другие типы литьевых фенольных смол, аналогичные Catalin, и мочевиноформальдегидные смолы, которые можно было производить в более ярких цветах.

Bakelite was produced for the first time in 1872 by Adolf von Baeyer, though its use as a commercial product was not considered at the time. Leo Baekeland was already wealthy due to his invention of Velox photographic paper when he began to investigate the reactions of phenol and formaldehyde in his home laboratory. Chemists had begun to recognize that many natural resins and fibers were polymers. Baekeland's initial intent was to find a replacement for shellac, a material in limited supply because it was made naturally from the secretion of lac insects (specifically Kerria lacca). He produced a soluble phenol formaldehyde shellac called Novolak, but it was not a market success, It was the first synthetic thermosetting plastic produced, and Baekeland speculated on "the thousand and one articles" it could be used to make. Baekeland filed a substantial number of related patents. He also filed for patent protection in other countries, including Belgium, Canada, Denmark, Hungary, Japan, Mexico, Russia, and Spain. He announced his invention at a meeting of the American Chemical Society on February 5, 1909. Baekeland started semi commercial production of his new material in his home laboratory, marketing it as a material for electrical insulators. In the summer of 1909, he licensed the continental European rights to Rütger AG. The subsidiary formed at that time, Bakelite AG, was the first to produce Bakelite on an industrial scale. By 1910, Baekeland was producing enough material in the US to justify expansion. He formed the General Bakelite Company of Perth Amboy, New Jersey, as a U. S. company to manufacture and market his new industrial material, and made overseas connections to produce it in other countries. However, the demand for molded plastics led the company to concentrate on molding rather than cast solid resins. The Bakelite Corporation was formed in 1922 after patent litigation favorable to Baekeland, from a merger of three companies: Baekeland's General Bakelite Company; the Condensite Company, founded by J. W. Aylesworth; and the Redmanol Chemical Products Company, founded by Lawrence V. Redman. Under director of advertising and public relations Allan Brown, who came to Bakelite from Condensite, Bakelite was aggressively marketed as "the material of a thousand uses". A filing for a trademark featuring the letter B above the mathematical symbol for infinity was made August 25, 1925, and claimed the mark was in use as of December 1, 1924. A wide variety of uses were listed in their trademark applications. The first issue of Plastics magazine, October 1925, featured Bakelite on its cover and included the article "Bakelite – What It Is" by Allan Brown. The range of colors that were available included "black, brown, red, yellow, green, gray, blue, and blends of two or more of these". The article emphasized that Bakelite came in various forms. quote|Bakelite is manufactured in several forms to suit varying requirements. In all these forms the fundamental basis is the initial Bakelite resin. This variety includes clear material, for jewelry, smokers' articles, etc. ; cement, for sealing electric light bulbs in metal bases; varnishes, for impregnating electric coils, etc. ; lacquers, for protecting the surface of hardware; enamels, for giving resistive coating to industrial equipment; Laminated Bakelite, used for silent gears and insulation; and molding material, from which are formed innumerable articles of utility and beauty. The molding material is prepared ordinarily by the impregnation of cellulose substances with the initial "uncured" resin. In England, Bakelite Limited, a merger of three British phenol formaldehyde resin suppliers (Damard Lacquer Company Limited of Birmingham, Mouldensite Limited of Darley Dale and Redmanol Chemical Products Company of London), was formed in 1926. A new Bakelite factory opened in Tyseley, Birmingham, around 1928. It was the "heart of Bakelite production in the UK" until it closed in 1987. A factory to produce phenolic resins and precursors opened in Bound Brook, New Jersey, in 1931. In addition to the original Bakelite material, these companies eventually made a wide range of other products, many of which were marketed under the brand name "Bakelite plastics". These included other types of cast phenolic resins similar to Catalin, and urea formaldehyde resins, which could be made in brighter colors than
Once Baekeland's heat and pressure patents expired in 1927, Bakelite Corporation faced serious competition from other companies. Because molded Bakelite incorporated fillers to give it strength, it tended to be made in concealing dark colors. The creation of marbled phenolic resins may also be attributable to the Catalin company.

После истечения срока действия патентов Бэкленда на нагрев и давление в 1927 году корпорация Bakelite столкнулась с серьезной конкуренцией со стороны других компаний. Поскольку формованный бакелит включал наполнители для придания ему прочности, он, как правило, производился в темных, маскирующих цветах. Создание мраморных фенольных смол также может быть связано с компанией Catalin.

Синтез

Изготовление бакелита – это многостадийный процесс. Он начинается с нагрева фенола и формальдегида в присутствии катализатора, такого как соляная кислота, хлорид цинка или основание аммиак. Это создает жидкий продукт конденсации, именуемый бакелитом А, который растворим в спирте, ацетоне или дополнительном феноле. При дальнейшем нагревании продукт становится частично растворимым и все еще может быть размягчен нагревом. Продолжительный нагрев приводит к образованию «нерастворимой твердой массы». Однако высокие температуры, необходимые для этого, склонны вызывать бурное вспенивание смеси при стандартном атмосферном давлении, что приводит к образованию пористого и хрупкого охлажденного материала. Инновационным шагом Бэйкланда было помещение его «последнего продукта конденсации» в яйцевидный «бакелизатор». Нагревая его под давлением, примерно до 150 °C (302 °F), Бэйкланд смог подавить вспенивание, которое в противном случае произошло бы. Полученное вещество чрезвычайно твердое, неплавкое и нерастворимое. Асбест постепенно был заменен в качестве наполнителя, поскольку многие страны запретили его производство. Миллионы деталей можно было быстро и относительно дешево дублировать. Листовой бакелит производится в различных коммерческих марках и с различными добавками для удовлетворения разнообразных механических, электрических и тепловых требований. Некоторые распространенные типы включают:
Бумажный армированный NEMA XX по MIL I 24768 PBG. Для обычных электротехнических применений, умеренная механическая прочность, непрерывная рабочая температура.
Тканевый армированный NEMA C по MIL I 24768 TYPE FBM NEMA CE по MIL I 24768 TYPE FBG. Хорошая механическая и ударопрочность при непрерывной рабочей температуре 250 °F.
Льняной армированный NEMA L по MIL I 24768 TYPE FBI NEMA LE по MIL I 24768 TYPE FEI. Хорошая механическая и электрическая прочность. Рекомендуется для сложных высокопрочных деталей. Непрерывная рабочая температура 250 °F.
Нейлоновый армированный NEMA N 1 по MIL I 24768 TYPE NPG. Превосходные электрические свойства во влажных условиях, устойчивость к грибкам, непрерывная рабочая температура.

Making Bakelite is a multi stage process. It begins with the heating of phenol and formaldehyde in the presence of a catalyst such as hydrochloric acid, zinc chloride, or the base ammonia. This creates a liquid condensation product, referred to as Bakelite A, which is soluble in alcohol, acetone, or additional phenol. Heated further, the product becomes partially soluble and can still be softened by heat. Sustained heating results in an "insoluble hard gum". However, the high temperatures required to create this tend to cause violent foaming of the mixture when done at standard atmospheric pressure, which results in the cooled material being porous and breakable. Baekeland's innovative step was to put his "last condensation product" into an egg shaped "Bakelizer". By heating it under pressure, at about 150 °C (302 °F), Baekeland was able to suppress the foaming that would otherwise occur. The resulting substance is extremely hard and both infusible and insoluble. Asbestos was gradually abandoned as filler because many countries banned the production of asbestos. Millions of parts could be duplicated quickly and relatively cheaply. Bakelite phenolic sheet is produced in many commercial grades and with various additives to meet diverse mechanical, electrical, and thermal requirements. Some common types include:
Paper reinforced NEMA XX per MIL I 24768 PBG. Normal electrical applications, moderate mechanical strength, continuous operating temperature of Canvas reinforced NEMA C per MIL I 24768 TYPE FBM NEMA CE per MIL I 24768 TYPE FBG. Good mechanical and impact strength with a continuous operating temperature of 250 °F. Linen reinforced NEMA L per MIL I 24768 TYPE FBI NEMA LE per MIL I 24768 TYPE FEI. Good mechanical and electrical strength. Recommended for intricate high strength parts. Continuous operating temperature convert 250 °F. Nylon reinforced NEMA N 1 per MIL I 24768 TYPE NPG. Superior electrical properties under humid conditions, fungus resistant, continuous operating temperature of .

Свойства

Бакелит обладает рядом важных свойств. Его можно быстро формовать, что сокращает время производства. Изделия из него гладкие, сохраняют форму и устойчивы к воздействию тепла, царапин и агрессивных растворителей. Он также устойчив к электричеству и ценится за низкую электропроводность. Бакелит не является гибким материалом. Изделия из фенольных смол могут незначительно набухать в условиях экстремальной влажности или при постоянном воздействии влаги. При трении или сжигании бакелит выделяет характерный резкий, приторно-сладкий или рыбный запах.

Применение и использование

Благодаря своим свойствам бакелит был особенно пригоден для формования, в качестве клея или связующего, лака и защитного покрытия, а также для развивающихся электротехнической и автомобильной промышленности благодаря его исключительно высокой устойчивости к электричеству, теплу и химическому воздействию. Вскоре бакелит стали использовать для изготовления непроводящих деталей телефонов, радиоприемников и других электрических устройств, включая основания и патроны для лампочек и электронных (вакуумных) ламп, опоры для любых типов электрических компонентов, крышки распределителей автомобилей и других изоляторов. К 1912 году из него делали бильярдные шары, поскольку его упругость и звук были схожи со слоновой костью. Во время Первой мировой войны бакелит широко применялся, особенно в электрических системах. Важными проектами стали двигатель самолета Liberty, беспроводной и радиотелефон, а также использование бакелитовых винтов Micarta в бомбардировщике NBS 1 и самолете DH 4B. Доступность бакелита, легкость и скорость формования способствовали снижению затрат и увеличению доступности продукции, благодаря чему телефоны и радио стали обычными предметами бытовой техники. Он также был важен для развивающейся автомобильной промышленности. Вскоре его стали использовать в огромном количестве других потребительских товаров, от мундштуков трубок и пуговиц до саксофонных мундштуков, фотоаппаратов, первых пулеметов и корпусов бытовой техники. Бакелит также часто использовался для изготовления формованных накладок на рукоятки пистолетов, мебели для автоматов и пулеметов, классических бакелитовых магазинов для винтовок Калашникова, а также многочисленных рукояток ножей и "накладок" в первой половине XX века. Начиная с 1920-х годов, он стал популярным материалом для изготовления ювелирных изделий. Дизайнер Коко Шанель включала браслеты из бакелита в свои коллекции бижутерии. Такие дизайнеры, как Эльза Шиапарелли, использовали его для украшений, а также для изготовления специально разработанных пуговиц для платьев. Позже Диана Вриланд, редактор журнала Vogue, была в восторге от бакелита. Бакелит также использовался для изготовления подарочных коробок для часов Breitling. К 1930 году дизайнер Пол Т. Франкл считал бакелит "Materia Nova", "выражением нашей эпохи". Из него делали домино и наборы для маджонга. Кухонную утварь из бакелита, включая канистры и посуду, рекламировали за ее устойчивость к нагреву и сколам. В середине 1930-х годов компания Northland выпустила линейку лыж с черным основанием "Ebonite", покрытым бакелитом. К 1935 году его стали использовать в электрогитарах с цельным корпусом. Исполнители, такие как Джерри Берд, любили звучание бакелитовых гитар, но им было сложно поддерживать их строй. Чарльз Плимптон запатентовал BAYKO в 1933 году и выпустил свои первые конструкторские наборы к Рождеству 1934 года. Он назвал игрушку Bayko Light Construction Sets, где слова "Bayko Light" были игрой слов на слове "бакелит". Во время Второй мировой войны бакелит использовался в различных военных приборах, включая летные очки и полевые телефоны. Его также использовали для изготовления патриотических украшений военного времени. В 1943 году термореактивная фенольная смола даже рассматривалась для изготовления монет из-за нехватки традиционных материалов. Бакелит и другие неметаллические материалы были протестированы для использования в изготовлении монет в США, прежде чем Монетный двор остановился на стали с цинковым покрытием. Во время Второй мировой войны бакелитовые пуговицы были частью британской униформы, включая коричневые пуговицы для армии и черные пуговицы для ВВС. В 1947 году голландский подделыватель произведений искусства Хан ван Меегерен был осужден за подделку после того, как химик и куратор Пол Корманс доказал, что предполагаемая картина Вермеера содержала бакелит, который ван Меегерен использовал в качестве отвердителя краски. Бакелит иногда использовался для изготовления пистолетной рукоятки, цевья и приклада огнестрельного оружия. AKM и некоторые ранние винтовки AK 74 часто ошибочно идентифицируются как изготовленные с использованием бакелита, но большинство из них были сделаны из AG 4S. К концу 1940-х годов новые материалы стали вытеснять бакелит во многих областях. Советские тепловые щиты для боеголовок межконтинентальных баллистических ракет и космических аппаратов при возвращении в атмосферу состояли из асбестового текстолита, пропитанного бакелитом. Бакелит также используется для крепления металлических образцов в металлографии.

The characteristics of Bakelite made it particularly suitable as a molding compound, an adhesive or binding agent, a varnish, and a protective coating, as well as for the emerging electrical and automobile industries because of its extraordinarily high resistance to electricity, heat, and chemical action. Bakelite was soon used for non conducting parts of telephones, radios, and other electrical devices, including bases and sockets for light bulbs and electron tubes (vacuum tubes), supports for any type of electrical components, automobile distributor caps, and other insulators. By 1912, it was being used to make billiard balls, since its elasticity and the sound it made were similar to ivory. During World War I, Bakelite was used widely, particularly in electrical systems. Important projects included the Liberty airplane engine, the wireless telephone and radio phone, and the use of micarta bakelite propellers in the NBS 1 bomber and the DH 4B aeroplane. Bakelite's availability and ease and speed of molding helped to lower the costs and increase product availability so that telephones and radios became common household consumer goods. It was also very important to the developing automobile industry. It was soon found in myriad other consumer products ranging from pipe stems and buttons to saxophone mouthpieces, cameras, early machine guns, and appliance casings. Bakelite was also very commonly used in making molded grip panels on handguns, as furniture for submachine guns and machineguns, the classic Bakelite magazines for Kalashnikov rifles, as well as numerous knife handles and "scales" through the first half of the 20th century. Beginning in the 1920s, it became a popular material for jewelry. Designer Coco Chanel included Bakelite bracelets in her costume jewelry collections. Designers such as Elsa Schiaparelli used it for jewelry and also for specially designed dress buttons. Later, Diana Vreeland, editor of Vogue, was enthusiastic about Bakelite. Bakelite was also used to make presentation boxes for Breitling watches. By 1930, designer Paul T. Frankl considered Bakelite a "Materia Nova", "expressive of our own age". dominoes, and mahjong sets. Kitchenware made with Bakelite, including canisters and tableware, was promoted for its resistance to heat and to chipping. In the mid 1930s, Northland marketed a line of skis with a black "Ebonite" base, a coating of Bakelite. By 1935, it was used in solid body electric guitars. Performers such as Jerry Byrd loved the tone of Bakelite guitars but found them difficult to keep in tune. Charles Plimpton patented BAYKO in 1933 and rushed out his first construction sets for Christmas 1934. He called the toy Bayko Light Constructional Sets, the words "Bayko Light" being a pun on the word "Bakelite". During World War II, Bakelite was used in a variety of wartime equipment including pilots' goggles and field telephones. It was also used for patriotic wartime jewelry. In 1943, the thermosetting phenolic resin was even considered for the manufacture of coins, due to a shortage of traditional material. Bakelite and other non metal materials were tested for usage for the one cent coin in the US before the Mint settled on zinc coated steel. During World War II, Bakelite buttons were part of British uniforms. These included brown buttons for the Army and black buttons for the RAF. In 1947, Dutch art forger Han van Meegeren was convicted of forgery, after chemist and curator Paul B. Coremans proved that a purported Vermeer contained Bakelite, which van Meegeren had used as a paint hardener. Bakelite was sometimes used in the pistol grip, hand guard, and buttstock of firearms. The AKM and some early AK 74 rifles are frequently mistakenly identified as using Bakelite, but most were made with AG 4S. By the late 1940s, newer materials were superseding Bakelite in many areas. Soviet heatshields for ICBM warheads and spacecraft reentry consisted of asbestos textolite, impregnated with Bakelite. Bakelite is also used in the mounting of metal samples in metallography.

Статус коллекционируемого

Изделия из бакелита, особенно украшения и радиоприемники, стали популярными коллекционными предметами.

Патенты

7 декабря 1909 года Патентное ведомство США выдало Бэйкеланду патент на «способ получения нерастворимых продуктов фенола и формальдегида».

Подобные пластмассы

Каталин также является фенольной смолой, подобной бакелиту, но содержит различные минеральные наполнители, позволяющие производить изделия светлых оттенков. Конденситы – это схожие термореактивные материалы, обладающие практически идентичными свойствами, характеристиками и областями применения. Кристаллат – это один из первых видов пластика. Фатуран – это фенольная смола, также похожая на бакелит, которая со временем краснеет, независимо от исходного цвета. Галалит – это ранний пластик, получаемый из молочных продуктов. Микарта – это ранняя композитная изоляционная пластина, в которой бакелит использовался в качестве связующего. Она была разработана в 1910 году компанией Westinghouse Elec. & Mfg Co. Novotext – это торговая марка фенольной смолы для хлопчатобумажных тканей.