The Development of Plastics

The Development of Plastics

When rubber was first commercially produced in Europe during the nineteenth century, it rapidly became a very important commodity, particularly in the fields of transportation and electricity. However, during the twentieth century a number of new synthetic materials, called plastics, superseded natural rubber in all but a few applications.

Rubber is a polymer—a compound containing large molecules that are formed by the bonding of many smaller, simpler units, repeated over and over again. The same bonding principle—polymerization—underlies the creation of a huge range of plastics by the chemical industry.

The first plastic was developed as a result of a competition in the USA. In the 1860s, $10,000 was offered to anybody who could replace ivory—supplies of which were declining—with something equally good as a material for making billiard balls. The prize was won by John Wesley Hyatt with a material called celluloid. Celluloid was made by dissolving cellulose, a carbohydrate derived from plants, in a solution of camphor dissolved in ethanol. This new material rapidly found uses in the manufacture of products such as knife handles, detachable collars and cuffs, spectacle frames and photographic film. Without celluloid, the film industry could never have got off the ground at the end of the 19th century.

Celluloid can be repeatedly softened and reshaped by heat, and is known as a thermoplastic. In 1907, Leo Baekeland, a Belgian chemist working in the USA, invented a different kind of plastic, by causing phenol and formaldehyde to react together. Baekeland called the material Bakelite, and it was the first of the thermosets—plastics that can be cast and moulded while hot, but cannot be softened by heat and reshaped once they have set. Bakelite was a good insulator, and was resistant to water, acids and moderate heat. With these properties it was soon being used in the manufacture of switches, household items such as knife handles, and electrical components for cars.

Soon chemists began looking for other small molecules that could be strung together to make polymers. In the 1930s British chemists discovered that the gas ethylene would polymerize under heat and pressure to form a thermoplastic they called polythene. Polypropylene followed in the 1950s. Both were used to make bottles, pipes and plastic bags. A small change in the starting material—replacing a hydrogen atom in ethylene with a chlorine atom—produced PVC (polyvinyl chloride), a hard, fireproof plastic suitable for drains and gutters. And by adding certain chemicals, a soft form of PVC could be produced, suitable as a substitute for rubber in items such as waterproof clothing. A closely related plastic was Teflon, or PTFE (polytetrafluoroethylene). This had a very low coefficient of friction, making it ideal for bearings, rollers, and non-stick frying pans. Polystyrene, developed during the 1930s in Germany, was a clear, glass-like material, used in food containers, domestic appliances and toys. Expanded polystyrene—a white, rigid foam—was widely used in packaging and insulation. Polyurethanes, also developed in Germany, found uses as adhesives, coatings, and—in the form of rigid foams—as insulation materials. They are all produced from chemicals derived from crude oil, which contains exactly the same elements—carbon and hydrogen—as many plastics.

The first of the man-made fibres, nylon, was also created in the 1930s. Its inventor was a chemist called Wallace Carothers, who worked for the Du Pont company in the USA. He found that under the right conditions, two chemicals— hexamethylenediamine and adipic acid—would form a polymer that could be pumped out through holes and then stretched to form long glossy threads that could be woven like silk. Its first use was to make parachutes for the US armed forces in World War H. In the post-war years nylon completely replaced silk in the manufacture of stockings. Subsequently many other synthetic fibres joined nylon, including Orion, Acrilan and Terylene. Today most garments are made of a blend of natural fibres, such as cotton and wool, and man-made fibres that make fabrics easier to look after.

The great strength of plastic is its indestructibility. However, this quality is also something of a drawback: beaches all over the world, even on the remotest islands, are littered with plastic bottles that nothing can destroy. Nor is it very easy to recycle plastics, as different types of plastic are often used in the same items and call for different treatments. Plastics can be made biodegradable by incorporating into their structure a material such as starch, which is attacked by bacteria and causes the plastic to fall apart. Other materials can be incorporated that gradually decay in sunlight—although bottles made of such materials have to be stored in the dark, to ensure that they do not disintegrate before they have been used.

Sự phát triển của nhựa

Khi lần đầu tiên được sản xuất thương mại ở châu Âu vào thế kỷ 19, cao su đã nhanh chóng trở thành một mặt hàng rất quan trọng, đặc biệt là trong các lĩnh vực vận tải và điện. Tuy nhiên, trong thế kỷ 20, một số vật liệu tổng hợp mới, được gọi là nhựa đã thay thế cao su tự nhiên trong tất cả các lĩnh vực, chỉ trừ một vài ứng dụng.

Cao su là một dạng polymer – một hợp chất có chứa các phân tử lớn được hình thành bởi sự liên kết của nhiều đơn vị nhỏ và đơn giản hơn, lặp đi lặp lại nhiều lần. Các nguyên tắc liên kết giống nhau – sự polymer hóa – làm cơ sở cho việc tạo ra sự đa dạng cực lớn các loại nhựa trong ngành công nghiệp hóa chất.

Loại nhựa đầu tiên được phát triển là kết quả của một cuộc thi ở Mỹ. Vào những năm 1860, phần thưởng 10.000 đô la được đưa ra cho bất kỳ ai có thể thay thế ngà voi- đang bị sụt giảm nguồn cung – bằng một vật liệu nào đó tốt tương đương loại đang được sử dụng để làm ra những quả bóng bi-a. Giải thưởng đã được trao cho người chiến thắng John Wesley Hyatt nhờ một vật liệu gọi là Celluloid. Celluloid (Xenluloit) được tạo ra bằng cách hòa tan cellulose (xenlulozơ), một loại carbohydrate có nguồn gốc từ thực vật, trong dung dịch long não hòa tan trong ethanol. Vật liệu mới này nhanh chóng cho thấy sự hữu dụng trong việc sản xuất các sản phẩm như tay cầm dao, cổ áo và cổ tay có thể tháo rời, khung ảnh và phim chụp ảnh. Nếu không có celluloid, ngành công nghiệp phim có thể đã không bao giờ cất cánh vào cuối thế kỷ 19.

Celluloid có thể được làm mềm nhiều lần và định hình lại bởi nhiệt, nên còn được gọi là nhựa nhiệt dẻo. Năm 1907, Leo Baekeland, một nhà hóa học Bỉ làm việc tại Mỹ, đã phát minh ra một loại nhựa khác, bằng cách cho phenol và formaldehyd phản ứng với nhau. Bakeland gọi đó là chất liệu Bakelite, và đó là đầu tiên mà nhựa nhiệt rắn – nhựa có thể được đổ khuôn và đúc khi đang nóng, nhưng không thể được làm mềm bằng nhiệt và định hình lại một khi chúng đã hoàn thành. Bakelite là một chất cách điện tốt, có khả năng chịu nước, axit và chịu nhiệt trung bình. Nhờ các đặc điểm này, nó đã sớm được sử dụng trong việc sản xuất công tắc, các đồ dụng gia dụng như tay cầm dao và các linh kiện điện cho xe hơi.

Các nhà hóa học đã sớm bắt đầu tìm kiếm các phân tử nhỏ khác có thể được xâu chuỗi với nhau để tạo ra các polymer. Vào những năm 1930, các nhà hóa học người Anh phát hiện ra rằng khí ethylene sẽ polymer hóa dưới tác dụng của nhiệt và áp suất để tạo thành nhựa nhiệt dẻo và họ gọi chúng là polythene. Polypropylen ra đời tiếp theo vào những năm 1950. Cả hai đều được sử dụng để sản xuất chai, ống và túi nhựa. Một thay đổi nhỏ so với vật liệu ban đầu – thay thế một nguyên tử hydro ở ethylene bằng nguyên tử clo – tạo ra PVC (polyvinyl clorua), một loại nhựa cứng, chống cháy phù hợp với ống cống và máng nước. Và bằng cách thêm một số hóa chất nhất định, một dạng PVC mềm có thể được tạo ra, phù hợp để thay thế cho cao su trong các vật dụng như quần áo chống thấm nước. Một loại nhựa có liên quan mật thiết là Teflon, hoặc PTFE (Polytetrafluoroetylene). Do có hệ số ma sát rất thấp, khiến chúng lý tưởng để làm vòng bi, con lăn và chảo chống dính. Polystyrene, được phát triển trong những năm 1930 ở Đức, là một vật liệu giống như kính, trong suốt, được sử dụng làm hộp đựng thực phẩm, dụng cụ gia đình và đồ chơi. Polystyrene giãn nở – một loại hạt trắng, cứng – được sử dụng rộng rãi trong bao bì và cách nhiệt. Polyurethanes, cũng được phát triển ở Đức, được phát hiện có khả năng sử dụng làm chất kết dính, lớp phủ và – ở dạng hạt cứng – làm vật liệu cách nhiệt. Tất cả đều được sản xuất từ ​​các hóa chất có nguồn gốc từ dầu thô, chứa các nguyên tố giống y hệt – carbon và hydro – như trong nhiều loại nhựa.

Loại sợi nhân tạo đầu tiên là nylon, cũng được tạo ra vào những năm 1930. Người phát minh ra nó là nhà hóa học Wallace Carhers, làm việc cho Công ty Du Pont ở Mỹ. Ông phát hiện ra rằng dưới những điều kiện phù hợp, hai hóa chất- hexamethylenediamine và axit adipic, sẽ tạo thành một polymer có thể được bơm qua các lỗ và sau đó kéo dài để tạo thành các sợi bóng, dài có khả năng dệt như lụa. Chúng được sử dụng lần đầu tiên để tạo ra những chiếc dù cho các lực lượng quân đội Hoa Kỳ trong Thế chiến II. Trong những năm sau chiến tranh, nylon đã thay thế hoàn toàn lụa trong ngành sản xuất tất. Sau đó, nhiều loại sợi tổng hợp khác đã tiếp bước nylon, bao gồm Orion, Acrilan và Terylene. Ngày nay, hầu hết các đồ may mặc được làm ra từ sự kết hợp của các loại sợi thiên nhiên, ví dụ như bông hoặc len, và các loại sợi nhân tạo để tạo ra các loại vải dễ dàng dàng chăm sóc hơn.

Điểm mạnh lớn của nhựa là khả năng không thể bị phá hủy. Tuy nhiên, ưu điểm này cũng là một nhược điểm: ở các bãi biển trên toàn thế giới, thậm chí cả trên các hòn đảo xa xôi, chai nhựa nằm rải rác khắp nơi mà không gì có thể phá hủy chúng. Cũng không dễ dàng để tái chế nhựa, vì các loại nhựa khác nhau thường được sử dụng trong cùng một sản phẩm và đòi hỏi các phương pháp xử lý khác nhau. Nhựa có thể được xử lý phân hủy sinh học bằng cách tích hợp vào cấu trúc của chúng một chất như tinh bột, chúng bị vi khuẩn tấn công và khiến cho nhựa phân rã. Một số vật liệu được tổng hợp khác có khả năng dần dần phân hủy dưới ánh sáng mặt trời – mặc dù vậy các chai được làm bằng các vật liệu đó phải được lưu trữ trong bóng tối, để đảm bảo rằng chúng không phân rã trước khi được sử dụng.