Бакелит ( / ˈb eɪ kəl aɪ t / BAY -kə-lyte ), формально полиоксибензилметиленгликолангидрид, представляет собой термореактивную фенолформальдегидную смолу , образующуюся в результате реакции конденсации фенола с формальдегидом . Первый пластик , изготовленный из синтетических компонентов, был разработан Лео Бэкеландом в Йонкерсе, штат Нью-Йорк , в 1907 году и запатентован 7 декабря 1909 года. [3]
Бакелит был одним из первых пластикоподобных материалов, появившихся в современном мире, и был популярен, поскольку его можно было формовать , а затем затвердевать, придавая любую форму.
Благодаря своей электронепроводимости и термостойкости он имел большой коммерческий успех. Его использовали в электрических изоляторах , корпусах радио- и телефонов, а также в таких разнообразных изделиях, как кухонная посуда, ювелирные изделия, мундштуки для трубок, детские игрушки и огнестрельное оружие.
Ретро - привлекательность старых изделий из бакелита сделала их предметом коллекционирования. [4]
Создание синтетического пластика стало революционным событием для химической промышленности, которая в то время получала большую часть доходов от красок для ткани и взрывчатых веществ. Коммерческий успех бакелита вдохновил промышленность на разработку других синтетических пластмасс. Как первый в мире коммерческий синтетический пластик , бакелит был назван Американским химическим обществом Национальным историческим химическим памятником . [5]
Бакелит был впервые произведен в 1872 году Адольфом фон Байером , хотя его использование в качестве коммерческого продукта в то время не рассматривалось. [6]
Лео Бэкеланд уже был богат благодаря изобретению фотобумаги Velox , когда он начал исследовать реакции фенола и формальдегида в своей домашней лаборатории. Химики начали осознавать, что многие природные смолы и волокна являются полимерами . Первоначальное намерение Бэкеланда состояло в том, чтобы найти замену шеллаку , материалу, запасы которого ограничены, поскольку он производится естественным путем из секреции лаковых насекомых (в частности, Kerria lacca ). Он произвел растворимый фенол-формальдегидный шеллак под названием Новолак , но он не имел рыночного успеха [5] , хотя его используют и по сей день (например, в качестве фоторезиста ).
Затем он начал экспериментировать по укреплению древесины, пропитывая ее синтетической смолой, а не покрывая ее покрытием. [5] Контролируя давление и температуру, применяемые к фенолу и формальдегиду , он создал твердый формуемый материал, который в свою честь назвал бакелитом. [7] [8] Это был первый синтетический термореактивный пластик, и Бэкеланд размышлял о «тысяче и одном ... изделии», которое можно было бы использовать для изготовления. [9] : 58–59 Он рассматривал возможности использования широкого спектра наполнителей, включая хлопок, бронзовую пудру и сланцевую пыль, но наибольший успех добился с древесиной и асбестовыми волокнами, [9] хотя от асбеста постепенно отказались все. производителей из-за ужесточения экологического законодательства. [10] : 9
Бэкеланд подал значительное количество соответствующих патентов. [5] Бакелит, его «метод получения нерастворимых продуктов из фенола и формальдегида», был подан 13 июля 1907 года и выдан 7 декабря 1909 года. [11] Он также подал заявку на патентную защиту в других странах, включая Бельгию, Канада, Дания, Венгрия, Япония, Мексика, Россия и Испания. [12] Он объявил о своем изобретении на собрании Американского химического общества 5 февраля 1909 года. [13]
Бэкеланд начал полукоммерческое производство своего нового материала в своей домашней лаборатории, продавая его как материал для электрических изоляторов. Летом 1909 года он передал лицензию на права континентальной Европы компании Rütger AG. Образованная в то время дочерняя компания Bakelite AG первой начала производить бакелит в промышленных масштабах.
К 1910 году Бэкеланд производил в США достаточно материала, чтобы оправдать расширение. Он основал компанию General Bakelite Company в Перте Амбой, штат Нью-Джерси, как американскую компанию по производству и сбыту своего нового промышленного материала, а также установил зарубежные связи для производства его в других странах. [5]
Компания Bakelite производила «прозрачную» литейную смолу (без наполнителя ) для небольшого рынка в 1910-х и 1920-х годах. [14] : 172–174 Блоки или стержни из литой смолы, также известные как «искусственный янтарь», обрабатывались и вырезались для создания таких предметов, как мундштуки для трубок , мундштуки и украшения . [14] [15] Однако спрос на формованные пластмассы заставил компанию сконцентрироваться на формовании, а не на литье твердых смол. [14] : 172–174.
Корпорация Bakelite была образована в 1922 году после патентного спора, благоприятного для Baekeland, в результате слияния трех компаний: General Bakelite Company Baekeland; Condensite Company, основанная Дж. У. Эйлсвортом; и компания Redmanol Chemical Products , основанная Лоуренсом В. Редманом . [16] Под руководством директора по рекламе и связям с общественностью Аллана Брауна, который пришел в бакелит из компании Condensite, бакелит агрессивно рекламировался как «материал тысячи применений». [9] : 58–59 [17] Заявка на товарный знак с буквой B над математическим символом бесконечности была подана 25 августа 1925 года и утверждала, что этот знак использовался с 1 декабря 1924 года. виды использования были указаны в их заявках на товарные знаки. [18]
В первом выпуске журнала Plastics за октябрь 1925 года на обложке был изображен бакелит и включена статья Аллана Брауна «Бакелит – что это такое». Диапазон доступных цветов включал «черный, коричневый, красный, желтый, зеленый, серый, синий и смеси двух или более из них». [19] В статье подчеркивается, что бакелит бывает различных форм.
Бакелит производится в нескольких формах для удовлетворения различных требований. Во всех этих формах фундаментальной основой является исходная бакелитовая смола. В эту разновидность входят прозрачные материалы для ювелирных изделий, курительных принадлежностей и т. д.; цемент, для герметизации электрических лампочек в металлических цоколях; лаки для пропитки электрических катушек и т.п.; лаки для защиты поверхности метизов; эмали для нанесения резистивного покрытия на промышленное оборудование; Ламинированный бакелит, используемый для бесшумных передач и изоляции; и формовочный материал, из которого изготавливаются бесчисленные полезные и красивые предметы. Формовочный материал готовят обычно путем пропитки целлюлозных веществ исходной «неотвержденной» смолой. [17] : 17
В отчете 1925 года Тарифная комиссия США назвала коммерческое производство синтетической фенольной смолы «явно американским достижением» и отметила, что «публикация цифр, однако, была бы фактическим раскрытием производства отдельной компании». . [20]
В Англии в 1926 году была образована компания Bakelite Limited, возникшая в результате слияния трех британских поставщиков фенолформальдегидных смол (Damard Lacquer Company Limited из Бирмингема , Mouldensite Limited из Дарли Дейла и Redmanol Chemical Products Company из Лондона ). В Тайсели открылся новый завод по производству бакелита , Бирмингем, около 1928 года. [21] Это был «сердце производства бакелита в Великобритании», пока он не закрылся в 1987 году. [22]
Завод по производству фенольных смол и прекурсоров открылся в Баунд-Бруке, штат Нью-Джерси , в 1931 году. [9] : 75
В 1939 году компании были приобретены Union Carbide и Carbon Corporation .
В 2005 году немецкий производитель бакелита Bakelite AG был приобретен компанией Borden Chemical из Колумбуса, штат Огайо, ныне Hexion Inc. [23].
В дополнение к оригинальному бакелитовому материалу эти компании в конечном итоге начали производить широкий спектр других продуктов, многие из которых продавались под торговой маркой «Бакелитовые пластмассы». К ним относятся другие типы литых фенольных смол, подобных Каталину , и карбамидоформальдегидные смолы, которые могут быть изготовлены в более ярких цветах, чем полиоксибензилметиленгликолангидрид. [4] [9]
После того, как в 1927 году истек срок действия патентов Бэкеланда на тепло и давление, Bakelite Corporation столкнулась с серьезной конкуренцией со стороны других компаний. Поскольку в формованный бакелит включены наполнители, придающие ему прочность, его, как правило, изготавливали в скрывающих темные цвета. [9] В 1927 году компания Catalin производила бусы, браслеты и серьги с помощью другого процесса, который позволил им представить 15 новых цветов. Полупрозрачные украшения, покерные фишки и другие изделия из фенольных смол были представлены в 1930-х или 1940-х годах компанией Catalin под маркой Prystal. [24] [25] Создание мраморных фенольных смол также может быть связано с компанией Catalin. [ нужна цитата ]
Изготовление бакелита — многоэтапный процесс. Он начинается с нагревания фенола и формальдегида в присутствии катализатора, такого как соляная кислота, хлорид цинка или аммиак. При этом образуется жидкий продукт конденсации, называемый бакелитом А , который растворим в спирте, ацетоне или дополнительном феноле. При дальнейшем нагревании продукт становится частично растворимым и все еще может быть размягчен под воздействием тепла. В результате длительного нагревания образуется «нерастворимая твердая смола». Однако высокие температуры, необходимые для этого, имеют тенденцию вызывать сильное вспенивание смеси при стандартном атмосферном давлении, в результате чего охлажденный материал становится пористым и хрупким. Инновационным шагом Бэкеланда было помещение его «последнего продукта конденсации» в «Бекелайзер» яйцевидной формы. Нагревая его под давлением примерно до 150 °C (300 °F), Бэкеланд смог подавить пенообразование, которое в противном случае могло бы возникнуть. Полученное вещество чрезвычайно твердое, неплавкое и нерастворимое. [4] : 67 [9] : 38–39
Формованный бакелит образуется в результате реакции конденсации фенола и формальдегида с древесной мукой или асбестовым волокном в качестве наполнителя под высоким давлением и нагреванием в течение нескольких минут отверждения . В результате получается твердый пластичный материал. [26] От асбеста в качестве наполнителя постепенно отказались, поскольку во многих странах производство асбеста запрещено. [10] : 9
Процесс формования бакелита имел ряд преимуществ. Бакелитовая смола может поставляться либо в виде порошка, либо в виде предварительно отформованных частично отвержденных заготовок, что увеличивает скорость литья. Термореактивные смолы, такие как бакелит, требуют тепла и давления во время цикла формования, но их можно удалить из процесса формования без охлаждения, что снова ускоряет процесс формования. Кроме того, из-за гладкой полированной поверхности бакелитовые предметы требовали меньше отделки. [27] Миллионы деталей можно быстро и относительно дешево скопировать. [9] : 42–43
Еще одним рынком для бакелитовой смолы стало производство фенольных листовых материалов. Фенольный лист — это твердый, плотный материал, изготовленный путем воздействия тепла и давления на слои бумаги или стеклоткани, пропитанные синтетической смолой. [9] : 53 Бумага, хлопчатобумажные ткани, синтетические ткани, стеклоткани и нетканые материалы — все это возможные материалы, используемые при ламинировании. Под действием тепла и давления полимеризация превращает слои в термореактивный промышленный ламинированный пластик. [28]
Фенольный лист бакелита производится во многих коммерческих сортах и с различными добавками для удовлетворения разнообразных механических, электрических и термических требований. Некоторые распространенные типы включают: [29]
Бакелит обладает рядом важных свойств. Его можно формовать очень быстро, сокращая время производства. Молдинги гладкие, сохраняют форму, устойчивы к нагреванию, царапинам и разрушительным растворителям. Он также устойчив к электричеству и ценится за низкую проводимость. Это не гибко. [9] : 44–45 [27] [30]
Изделия из фенольной смолы могут слегка набухать в условиях повышенной влажности или постоянной сырости. [31] При трении или сжигании бакелит приобретает характерный едкий, приторно-сладкий или рыбный запах. [32]
Характеристики бакелита сделали его особенно подходящим в качестве формовочного состава, клея или связующего вещества, лака и защитного покрытия, а также для развивающейся электротехнической и автомобильной промышленности из-за его чрезвычайно высокой устойчивости к электричеству, теплу и химическому воздействию. действие. [9] : 44–45
Самым ранним коммерческим использованием бакелита в электротехнической промышленности было формование крошечных изолирующих втулок, изготовленных в 1908 году для Weston Electrical Instrument Corporation Ричардом В. Сибери из Boonton Rubber Company. [9] : 43 [33] Бакелит вскоре стал использоваться для изготовления непроводящих частей телефонов, радиоприемников и других электрических устройств, включая цоколи и патроны для лампочек и электронных ламп (вакуумных ламп), опор для любых типов электрических компонентов, крышки автомобильных распределителей и другие изоляторы. [9] [34] К 1912 году из него делали бильярдные шары, поскольку его эластичность и звук, который он издавал, были похожи на слоновую кость. [35] [36]
Во время Первой мировой войны бакелит широко использовался, особенно в электрических системах. Важные проекты включали двигатель самолета «Либерти» , [37] беспроводной телефон и радиотелефон, [38] и использование микарта-бакелитовых винтов в бомбардировщике NBS-1 и самолете DH-4B . [39] [40]
Доступность бакелита, а также простота и скорость формования помогли снизить затраты и повысить доступность продукции, так что телефоны и радио стали обычными бытовыми потребительскими товарами. [9] : 116–117 [41] [42] Это также было очень важно для развивающейся автомобильной промышленности. [43] Вскоре он был обнаружен во множестве других потребительских товаров, начиная от мундштуков и пуговиц до мундштуков для саксофонов, фотоаппаратов, первых пулеметов и корпусов приборов. Бакелит также очень широко использовался при изготовлении формованных панелей рукояток на пистолетах, в качестве мебели для пистолетов-пулеметов и пулеметов, классических бакелитовых магазинов для автоматов Калашникова, а также многочисленных рукояток ножей и «весов» в первой половине 20 века. [44]
Начиная с 1920-х годов он стал популярным материалом для изготовления украшений. [45] Дизайнер Коко Шанель включила браслеты из бакелита в свои коллекции бижутерии. [46] : 27–29 Такие дизайнеры, как Эльза Скиапарелли, использовали его для изготовления украшений, а также для изготовления пуговиц для платьев специального дизайна. [47] [48] Позже Диана Вриланд , редактор Vogue , была в восторге от бакелита. [49] Бакелит также использовался для изготовления презентационных коробок для часов Breitling . [50]
К 1930 году дизайнер Пол Т. Франкл считал бакелит «Новой материей», «выражающей нашу эпоху». [9] : 107 К 1930-м годам бакелит использовался для изготовления таких игровых фигур, как шахматные фигуры , фишки для покера , [51] домино , [52] и наборы для маджонга . [53] [54] Кухонная посуда, изготовленная из бакелита, в том числе канистры и столовая посуда, рекламировалась из-за ее устойчивости к нагреванию и сколам. [55] [56] В середине 1930-х годов компания Northland выпустила на рынок линейку лыж с черной «эбонитовой» основой и бакелитовым покрытием. [57] [58] К 1935 году он использовался в цельнокорпусных электрогитарах . Такие исполнители, как Джерри Берд, любили звучание бакелитовых гитар, но им было трудно держать строй. [59]
Чарльз Плимптон запатентовал BAYKO в 1933 году и выпустил свои первые конструкторы к Рождеству 1934 года. Он назвал игрушку Bayko Light Construction Sets , слова «Bayko Light» представляют собой игру слов на слове «Бакелит». [60]
Во время Второй мировой войны бакелит использовался в различном военном оборудовании, включая очки пилотов и полевые телефоны. [61] Он также использовался для изготовления патриотических украшений военного времени. [62] [63] В 1943 году термореактивная фенольная смола даже рассматривалась для изготовления монет из-за нехватки традиционного материала. Бакелит и другие неметаллические материалы были протестированы на предмет использования в одноцентовой монете в США до того, как Монетный двор остановился на оцинкованной стали . [64] [65]
Во время Второй мировой войны бакелитовые пуговицы были частью британской униформы. В их число входили коричневые пуговицы для армии и черные пуговицы для Королевских ВВС . [66]
В 1947 году голландский фальсификатор произведений искусства Хан ван Меегерен был признан виновным в подделке произведений искусства после того, как химик и куратор Пол Б. Кореманс доказал, что предполагаемый Вермеер содержал бакелит, который ван Меегерен использовал в качестве отвердителя краски. [67]
Бакелит иногда использовался в пистолетной рукоятке, гарде и прикладе огнестрельного оружия. АКМ и некоторые ранние винтовки АК-74 часто ошибочно идентифицируются как использующие бакелит, но большинство из них было сделано из AG-4S . [68]
К концу 1940-х годов бакелит во многих областях вытеснили новые материалы. [43] Сегодня фенолы реже используются в потребительских товарах общего назначения из-за их стоимости, сложности производства и хрупкости. Они все еще встречаются в некоторых областях применения, где требуются их особые свойства, например, в небольших компонентах прецизионной формы, формованных цилиндрах дисковых тормозов, ручках кастрюль, электрических вилках, переключателях и деталях для электрических утюгов, печатных платах , а также в области недорогие настольные и настольные игры производства Китая, Гонконга и Индии. Такие предметы, как бильярдные шары, домино и фигуры для настольных игр, таких как шахматы, шашки и нарды, изготовлены из бакелита благодаря его внешнему виду, долговечности, прекрасной полировке, весу и звуку. [ нужна цитация ] Обычные игральные кости иногда изготавливаются из бакелита из-за веса и звука, но большинство из них сделаны из термопластичного полимера, такого как акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС). Бакелит по-прежнему используется для изоляции проводов, тормозных колодок и сопутствующих автомобильных компонентов, а также в промышленной электротехнике. Бакелитовая заготовка по-прежнему производится в виде листов, стержней и трубок для промышленного применения в электронике, энергетике и аэрокосмической промышленности, а также под различными коммерческими торговыми марками. [43]
Фенольные смолы обычно используются в абляционных теплозащитных экранах. [69] Советские теплозащитные экраны для боеголовок межконтинентальных баллистических ракет и спускаемых космических кораблей состояли из асбестового текстолита, пропитанного бакелитом. [70] Бакелит также используется при креплении металлических образцов в металлографии . [71]
Предметы из бакелита, особенно ювелирные изделия и радиоприемники, стали популярными предметами коллекционирования. [43]
Термин «бакелит» иногда используется на перепродажном рынке как универсальный термин для различных типов ранних пластиков, включая Catalin и Faturan , которые могут быть ярко окрашены, а также предметов, изготовленных из настоящего бакелита. [42] [72]
Ведомство США по патентам и товарным знакам выдало Бэкеланду патент на «Метод получения нерастворимых продуктов фенола и формальдегида» 7 декабря 1909 года. [11] Производство твердых, компактных, нерастворимых и неплавких продуктов конденсации фенолов и формальдегида ознаменовало собой Начало современной индустрии пластмасс . [73]