Бакелит ( / ˈ b eɪ k ə l aɪ t / BAY -kə -lyte ), формально полиоксибензилметиленгликольангидрид , представляет собой термореактивную фенолформальдегидную смолу , образованную в результате реакции конденсации фенола с формальдегидом . Первый пластик, изготовленный из синтетических компонентов, был разработан Лео Бакеландом 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 пользовался популярностью, поскольку его можно было формовать , а затем затвердевать, придавая ему любую форму.
Благодаря своей неэлектропроводности и термостойкости он стал очень успешным в коммерческом плане. Он использовался в электроизоляторах , корпусах радио и телефонов, а также в таких разнообразных изделиях, как кухонная утварь, ювелирные изделия, чубуки для трубок, детские игрушки и огнестрельное оружие.
Ретро - стиль старых бакелитовых изделий сделал их предметом коллекционирования. [4]
Создание синтетического пластика было революционным для химической промышленности, которая в то время получала большую часть своего дохода от красителей для тканей и взрывчатых веществ. Коммерческий успех бакелита вдохновил промышленность на разработку других синтетических пластиков. Как первый в мире коммерческий синтетический пластик , бакелит был назван Американским химическим обществом Национальным историческим химическим памятником . [5]
Бакелит был впервые получен в 1872 году Адольфом фон Байером , хотя его использование в качестве коммерческого продукта в то время не рассматривалось. [6]
Лео Бакеланд уже был богат благодаря изобретению им 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 . Первоначально Бакеланд намеревался найти замену шеллаку , материалу, который был в ограниченном количестве, поскольку он производился естественным образом из секреции лаковых насекомых (в частности, Kerria lacca ). Он создал растворимый фенолформальдегидный шеллак под названием Novolak , но он не имел успеха на рынке, [5] хотя он все еще используется по сей день (например, в качестве фоторезиста ).
Затем он начал экспериментировать по укреплению древесины, пропитывая ее синтетической смолой, а не покрывая ее. [5] Контролируя давление и температуру, применяемые к фенолу и формальдегиду , он получил твердый формуемый материал, который назвал бакелитом в свою честь. [7] [8] Это был первый полученный синтетический термореактивный пластик, и Бакеланд размышлял о «тысяче и одном ... изделии», которое можно было бы изготовить с его помощью. [9] : 58–59 Он рассматривал возможности использования самых разных наполнителей, включая хлопок, порошкообразную бронзу и сланцевую пыль, но наибольшего успеха добился с древесными и асбестовыми волокнами, [9] хотя от асбеста постепенно отказались все производители из-за более строгих законов об охране окружающей среды. [10] : 9 [11]
Бакеланд подал заявку на значительное количество связанных патентов. [5] Бакелит, его «метод изготовления нерастворимых продуктов фенола и формальдегида», был подан 13 июля 1907 года и выдан 7 декабря 1909 года. [12] Он также подал заявку на патентную защиту в других странах, включая Бельгию, Канаду, Данию, Венгрию, Японию, Мексику, Россию и Испанию. [13] Он объявил о своем изобретении на заседании Американского химического общества 5 февраля 1909 года. [14]
Бакеланд начал полукоммерческое производство своего нового материала в домашней лаборатории, продавая его как материал для электроизоляторов. Летом 1909 года он лицензировал континентальные европейские права компании Rütger AG. Дочерняя компания, образованная в то время, Bakelite AG, стала первой, кто начал производить бакелит в промышленных масштабах.
К 1910 году Бакеланд производил достаточно материала в США, чтобы оправдать расширение. Он основал General Bakelite Company в Перт-Эмбое, штат Нью-Джерси, как американскую компанию для производства и сбыта своего нового промышленного материала и установил зарубежные связи для его производства в других странах. [5]
Компания Bakelite Company производила «прозрачную» литой смолы (которая не включала наполнитель ) для небольшого рынка в 1910-х и 1920-х годах. [15] : 172–174 Блоки или стержни литой смолы, также известной как «искусственный янтарь», обрабатывались и вырезались для создания таких предметов, как чубуков трубок , мундштуков для сигарет и ювелирных изделий . [15] [16] Однако спрос на формованные пластмассы заставил компанию сосредоточиться на формовке, а не на литье твердых смол. [15] : 172–174
Bakelite Corporation была образована в 1922 году после патентного разбирательства в пользу Baekeland, в результате слияния трех компаний: Baekeland's General Bakelite Company; Condensite Company, основанной JW Aylesworth; и Redmanol Chemical Products Company , основанной Lawrence V. Redman . [17] Под руководством директора по рекламе и связям с общественностью Аллана Брауна, который пришел в Bakelite из Condensite, бакелит агрессивно позиционировался как «материал тысячи применений». [9] : 58–59 [18] Заявка на регистрацию товарного знака с буквой B над математическим символом бесконечности была подана 25 августа 1925 года, и утверждалось, что знак использовался с 1 декабря 1924 года. В их заявках на регистрацию товарного знака было указано множество вариантов использования. [19]
Первый выпуск журнала Plastics , октябрь 1925 года, поместил бакелит на обложку и включил 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». [20] В статье подчеркивалось, что бакелит существует в различных формах.
Бакелит производится в нескольких формах, чтобы соответствовать различным требованиям. Во всех этих формах фундаментальной основой является исходная бакелитовая смола. Это разнообразие включает прозрачный материал для ювелирных изделий, курительных принадлежностей и т. д.; цемент для герметизации электрических лампочек в металлических основаниях; лаки для пропитки электрических катушек и т. д.; политуры для защиты поверхности оборудования; эмали для нанесения резистивного покрытия на промышленное оборудование; ламинированный бакелит, используемый для бесшумных передач и изоляции; и формовочный материал, из которого формируются бесчисленные предметы полезности и красоты. Формовочный материал обычно готовят путем пропитки целлюлозных веществ исходной «неотвержденной» смолой. [18] : 17
В отчете 1925 года Тарифная комиссия США приветствовала коммерческое производство синтетической фенольной смолы как «явное американское достижение» и отметила, что «публикация цифр, однако, была бы фактическим раскрытием производства отдельной компании» [21] .
В Англии в 1926 году была образована компания Bakelite Limited, слияние трех британских поставщиков фенолформальдегидной смолы (Damard Lacquer Company Limited из Бирмингема , Mouldensite Limited из Дарли-Дейла и Redmanol Chemical Products Company из Лондона ). Новый завод по производству бакелита открылся в Тайсли , Бирмингем, около 1928 года. [22] Он был «сердцем производства бакелита в Великобритании» до своего закрытия в 1987 году. [23]
В 1931 году в Баунд-Брук, штат Нью-Джерси , открылся завод по производству фенольных смол и прекурсоров. [9] : 75
В 1939 году компании были приобретены Union Carbide and Carbon Corporation .
В 2005 году немецкий производитель бакелита Bakelite AG был приобретен компанией Borden Chemical из Колумбуса, штат Огайо, ныне Hexion Inc. [24]
В дополнение к оригинальному материалу бакелит, эти компании в конечном итоге произвели широкий спектр других продуктов, многие из которых были проданы под торговой маркой «Bakelite plastics». Они включали другие типы литых фенольных смол, похожих на Catalin , и мочевино-формальдегидные смолы, которые могли быть сделаны в более ярких цветах, чем полиоксибензилметиленгликольангидрид. [4] [9]
После того, как в 1927 году истек срок действия патентов Baekeland на нагревание и давление, Bakelite Corporation столкнулась с серьезной конкуренцией со стороны других компаний. Поскольку формованный бакелит включал наполнители для придания ему прочности, его, как правило, изготавливали в темных тонах, скрывающих его. [9] В 1927 году бусы, браслеты и серьги были произведены компанией Catalin с помощью другого процесса, который позволил им ввести 15 новых цветов. Прозрачные ювелирные изделия, фишки для покера и другие предметы из фенольных смол были представлены в 1930-х или 1940-х годах компанией Catalin под названием Prystal. [25] [26] Создание мраморных фенольных смол также может быть приписано компании Catalin. [ необходима цитата ]
Изготовление бакелита — многоступенчатый процесс. Он начинается с нагревания фенола и формальдегида в присутствии катализатора, такого как соляная кислота, хлорид цинка или базовый аммиак. Это создает 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 теплом. Длительное нагревание приводит к образованию «нерастворимой твердой смолы». Однако высокие температуры, необходимые для ее создания, как правило, вызывают сильное вспенивание смеси при стандартном атмосферном давлении, что приводит к тому, что охлажденный материал становится пористым и ломким. Инновационный шаг Бакеланда заключался в том, чтобы поместить свой «последний продукт конденсации» в яйцевидный «Bakelizer». Нагревая его под давлением, примерно при 150 °C (302 °F), Бакеланд смог подавить вспенивание, которое в противном случае произошло бы. Полученное вещество чрезвычайно твердое и одновременно 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 температурой в течение нескольких минут отверждения . В результате получается твердый пластиковый материал. [27] Асбест постепенно перестали использовать в качестве наполнителя, поскольку многие страны запретили его производство. [10] : 9
Процесс формования бакелита имел ряд преимуществ. Бакелитовая смола могла поставляться либо в виде порошка, либо в виде предварительно сформированных частично отвержденных заготовок, что увеличивало скорость литья. Термореактивные смолы, такие как бакелит, требовали тепла и давления во время цикла формования, но могли быть удалены из процесса формования без охлаждения, что снова ускоряло процесс формования. Кроме того, из-за гладкой полированной поверхности, которая получалась, бакелитовые предметы требовали меньше отделки. [28] Миллионы деталей можно было дублировать быстро и относительно дешево. [9] : 42–43
Другим рынком для бакелитовой смолы стало создание фенольных листовых материалов. Фенольный лист — это твердый, плотный материал, изготовленный путем применения тепла и давления к слоям бумаги или стеклоткани, пропитанным синтетической смолой. [9] : 53 Бумага, хлопчатобумажные ткани, синтетические ткани, стеклоткани и нетканые материалы — все это возможные материалы, используемые для ламинирования. При применении тепла и давления полимеризация преобразует слои в термореактивный промышленный ламинированный пластик. [29]
Бакелитовый фенольный лист производится во многих коммерческих сортах и с различными добавками для удовлетворения разнообразных механических, электрических и термических требований. Некоторые распространенные типы включают: [30]
Бакелит обладает рядом важных свойств. Его можно формовать очень быстро, что сокращает время производства. Молдинги гладкие, сохраняют форму и устойчивы к нагреванию, царапинам и разрушающим растворителям. Он также устойчив к электричеству и ценится за свою низкую проводимость. Он не гибкий. [9] : 44–45 [28] [31]
Изделия из фенольной смолы могут слегка разбухать в условиях повышенной влажности или постоянной сырости. [32] При трении или сжигании бакелит приобретает характерный едкий, тошнотворно-сладкий или рыбный запах. [33]
Характеристики бакелита сделали его особенно подходящим в качестве формовочной смеси, клея или связующего вещества, лака и защитного покрытия, а также для развивающейся электротехнической и автомобильной промышленности из-за его необычайно высокой устойчивости к электричеству, теплу и химическому воздействию. [9] : 44–45
Самым ранним коммерческим применением бакелита в электротехнической промышленности было формование крошечных изолирующих втулок, изготовленных в 1908 году для Weston Electrical Instrument Corporation Ричардом У. Сибери из Boonton Rubber Company. [9] : 43 [34] Бакелит вскоре стал использоваться для изготовления непроводящих частей телефонов, радиоприемников и других электрических приборов, включая основания и гнезда для лампочек и электронных ламп (вакуумных трубок), опоры для любых типов электрических компонентов, автомобильные распределительные крышки и другие изоляторы. [9] [35] К 1912 году его использовали для изготовления бильярдных шаров, поскольку его эластичность и издаваемый им звук были похожи на звук слоновой кости. [36] [37]
Во время Первой мировой войны бакелит широко использовался, особенно в электрических системах. Важные проекты включали двигатель самолета Liberty , [38] беспроводной телефон и радиотелефон, [39] и использование микарта-бакелитовых винтов в бомбардировщике NBS-1 и самолете DH-4B . [40] [41]
Доступность бакелита, простота и скорость формования помогли снизить затраты и повысить доступность продукта, так что телефоны и радио стали обычными бытовыми потребительскими товарами. [9] : 116–117 [42] [43] Он также был очень важен для развивающейся автомобильной промышленности. [44] Вскоре он был обнаружен во множестве других потребительских товаров, начиная от трубок и кнопок до мундштуков саксофонов, камер, ранних пулеметов и корпусов приборов. Бакелит также очень широко использовался для изготовления формованных накладок на пистолетах, в качестве фурнитуры для пистолетов-пулеметов и пулеметов, классических бакелитовых магазинов для автоматов Калашникова, а также многочисленных рукояток ножей и «чешуек» в первой половине 20-го века. [45]
Начиная с 1920-х годов он стал популярным материалом для ювелирных изделий. [46] Дизайнер Коко Шанель включила браслеты из бакелита в свои коллекции бижутерии. [47] : 27–29 Такие дизайнеры, как Эльза Скиапарелли, использовали его для ювелирных изделий, а также для специально разработанных пуговиц для платьев. [48] [49] Позже Диана Вриланд , редактор Vogue , была в восторге от бакелита. [50] Бакелит также использовался для изготовления подарочных коробок для часов Breitling . [51]
К 1930 году дизайнер Пол Т. Франкл считал бакелит «Materia Nova», «выражающим нашу эпоху». [9] : 107 К 1930-м годам бакелит использовался для игровых фигур, таких как шахматные фигуры , фишки для покера , [52] домино , [53] и наборы для маджонга . [54] [55] Кухонная утварь, изготовленная из бакелита, включая канистры и столовые приборы, рекламировалась за ее устойчивость к нагреванию и сколам. [56] [57] В середине 1930-х годов Northland выпустила на рынок линейку лыж с черной основой «эбонит», покрытием из бакелита. [58] [59] К 1935 году он использовался в цельнокорпусных электрогитарах . Такие исполнители, как Джерри Берд, любили тон гитар из бакелита, но считали, что их трудно настроить. [60]
Чарльз Плимптон запатентовал BAYKO в 1933 году и выпустил свои первые конструкторы к Рождеству 1934 года. Он назвал игрушку Bayko Light Constructional Sets , слова «Bayko Light» были каламбуром со словом «Bakelite» (Бакелит). [61]
Во время Второй мировой войны бакелит использовался в различном военном снаряжении, включая очки пилотов и полевые телефоны. [62] Он также использовался для патриотических военных украшений. [63] [64] В 1943 году термореактивная фенольная смола даже рассматривалась для изготовления монет из-за нехватки традиционного материала. Бакелит и другие неметаллические материалы были испытаны для использования в одноцентовой монете в США, прежде чем Монетный двор остановился на оцинкованной стали . [65] [66]
Во время Второй мировой войны бакелитовые пуговицы были частью британской униформы. Они включали коричневые пуговицы для армии и черные пуговицы для Королевских ВВС . [67]
В 1947 году голландский фальсификатор произведений искусства Хан ван Меегерен был признан виновным в подделке после того, как химик и куратор Пол Б. Кореманс доказал, что предполагаемая картина Вермеера содержала бакелит, который ван Меегерен использовал в качестве отвердителя краски. [68]
Бакелит иногда использовался в пистолетной рукоятке, цевье и прикладе огнестрельного оружия. АКМ и некоторые ранние винтовки АК-74 часто ошибочно идентифицируются как использующие бакелит, но большинство из них были сделаны из AG-4S. [69]
К концу 1940-х годов новые материалы вытесняли бакелит во многих областях. [44] Фенольные смолы сегодня реже используются в обычных потребительских товарах из-за их стоимости и сложности производства, а также их хрупкой природы. Они все еще появляются в некоторых приложениях, где требуются их особые свойства, таких как небольшие прецизионные компоненты, формованные цилиндры дисковых тормозов, ручки кастрюль, электрические вилки, переключатели и детали для электрических утюгов, печатные платы , а также в области недорогих настольных игр, производимых в Китае, Гонконге и Индии. Такие предметы, как бильярдные шары, домино и фигуры для настольных игр, таких как шахматы, шашки и нарды, изготавливаются из бакелита из-за его внешнего вида, долговечности, тонкой полировки, веса и звука. [ необходима цитата ] Обычные игральные кости иногда изготавливаются из бакелита из-за веса и звука, но большинство из них изготовлены из термопластичного полимера, такого как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС). Бакелит по-прежнему используется для изоляции проводов, тормозных колодок и связанных с ними автомобильных компонентов, а также для промышленных электрических приложений. Бакелитовый запас по-прежнему производится и производится в форме листов, стержней и труб для промышленного применения в электронной, энергетической и аэрокосмической промышленности, а также под различными коммерческими торговыми марками. [44]
Фенольные смолы обычно использовались в абляционных тепловых экранах. [70] Советские тепловые экраны для боеголовок МБР и космических кораблей состояли из асбестового текстолита, пропитанного бакелитом. [71] Бакелит также используется для крепления металлических образцов в металлографии . [72]
Изделия из бакелита, особенно ювелирные изделия и радиоприемники, стали популярными предметами коллекционирования. [44]
Термин «Бакелит» иногда используется на рынке перепродажи как всеобъемлющее название для различных типов ранних пластиков, включая Catalin и Faturan , которые могут быть ярко окрашены, а также для изделий, изготовленных из настоящего бакелита. [43] [73]
Из-за своей эстетичности существует аналогичный материал фейкелит (поддельный бакелит), изготавливаемый из современных более безопасных материалов. [ необходима цитата ]
Патентное и товарное ведомство США выдало Бакеланду патент на «Способ изготовления нерастворимых продуктов фенола и формальдегида» 7 декабря 1909 года. [12] Производство твердых, компактных, нерастворимых и неплавких продуктов конденсации фенолов и формальдегида ознаменовало начало современной индустрии пластмасс . [74]