لاستيک- طبيعي و صنايع

ولکانيزاسيون

در اوايل سده شانزدهم، کلمب و ديگر کاوشگران اسپانيايي مشاهده کردند که سرخپوستان آمريکايي جنوبي با توپي که از شيره گياهي يا شيرابه ي انواع خاصي از درختان درست شده بود بازي مي کردند. يکي از نام هايي که سرخپوستان بر شيرابه اطلاق مي کردند هِـوِئا بود، و مهمترين درختي که شيرابه مزبور را از آن به دست مي آوردند هوئا برزيلينسيس نام داشت. گر چه کاوشگران اسپانيايي مقداري از اين" صمغ هندي" را با خود به اروپا آوردند، اما استفاده چنداني از آن نشد، تا سرانجام جوزف پريستلي، کاشف اکسيژن، نشان داد که مالش آن بر خطوطي که با مداد نوشته شده باشند، آنها را پاک مي کند. بر اساس همين کاربرد نسبتاً عوامانه اما با وجود اي پر فايده، امروزه در زبان انگليسي لاستيک راRUBBER مي خوانند.
علت اين که اروپاييان در طي دو قرن نتوانستند استفاده مهمي براي لاستيک بيابند اين بود که در دماهاي زياد نرم، چسبنده، و در دماهاي کمتر سفت و شکننده مي شد. چارلز مکينتاش اسکاتلندي دو قطعه پارچه را از لاستيک مي پوشاند و در حالي که لاستيک در و سط آن دو به عنوان چسب عمل مي کرد، آنها را به يکديگر مي فشرد؛ بدين ترتيب با استفاده از چسبندگي لاستيک در حرارت هاي بالا، مصرفي براي لاستيک هندي پيدا کرد.
مکينتاش از پارچه مضاعفي که با اين روش ضد آب شده بود براي توليد باراني استفاده مي کرد. بدين ترتيب باراني مکينتاش اختراع شد، و هنوز هم در انگلستان لباس هاي باراني را که از پارچه هاي امروزي تهيه شده باشند به همين نام مي خوانند.
در ابتدا چکمه ها و کفش هايي که از لاستيک يا پارچه هاي پوشيده از لاستيک تهيه شده بودند در انگلستان توليد و به ايالات متحده صادر مي شدند؛ بعدها در دهه 1830، در خود ايالات متحده به مرحله توليد رسيدند. اما چندي نگذشت که آمريکاييان از کفش هايي که در زمستان سفت و در تابستان نرم و بي شکل مي شدند بيزار شدند. در همين زمان بود که چارلز گوديير وارد صحنه شد.
گوديير در سال 1800 در نيوهيون کانتيکت به دنيا آمد. پدرش مخترع و تاجر ناموفقي بود. گوديير جوان دوست داشت راهي براي مقاوم ساختن لاستيک در برابر تغييرات دما بيابد تا در مصارف گوناگوني کاربرد پيدا کند. اين علاقه به شيفتگي عميقي تبديل شد که سلامتي و سرمايه اندکي را که او و خانواده اش در فاصله سالهاي 1830 تا 1839 داشتند، به باد داد. دراين مدت گوديير چندين بار به زندان بدهکاران افتاد؛ براي تامين غذا و مسکن محتاج خويشاوندانش شد؛ اما باز هم شيفتگي اش باقي بود. يکي از شکست هاي زندگي اش فروش تعداد زيادي کيسه نامه به دولت بود که براي ضد آب شدن با لاستيک آميخته شده بودند، اما هنوز آنها را از کارخانه بيرون نبرده بودند که در برابر گرما چسبناک و بي شکل شدند.
پس از تلاش هاي ناموفق و غيرعلمي بسياري که براي بهبود لاستيک انجام داد، در يکي از اين تلاش ها که قصد داشت آن را با گوگرد مخلوط کند، تصادفاً مخلوطي از لاستيک و گوگرد با اجاق تماس پيدا کرد. گود يير در کمال شگفتي مشاهده کرد که لاستيک ذوب نشد، بلکه مثل قطعه اي چرم فقط کمي سوخت. گوديير بلافاصله به اهميت اين تصادف پي برد. بعدها دخترش گفت:
همچنان که از اتاقش مي گذشتم، بر حسب اتفاق قطعه صمغ کوچکي را که نزديک آتش گرفته بود ديدم و نيز متوجه شدم که بر اثر اکتشافي که ظاهراً کرده بود، برخلاصه هميشه حالتي سرزنده داشت. قطعه صمغ را در سرماي شديد بيرون در آشپزخانه بر ميخي آويزان کرد. وقتي آن را صبح روز بعد به داخل آورد، با خوشحالي بر دست بلندش کرد. آن را درست مثل روز قبل که بيرونش گذاشته بود، ارتجاعي يافت.
گوديير پس از انجام آزمايش هاي بيشتر، بهترين دما و مدت حرارت را براي تثبيت لاستيک تعيين کرد. تقاضاي ثبت اکتشافش را کرد، و در سال 1844 فرايند خود را بر اساس نام خداي آتش روم باستان، ولکان، فرايند ولکانيزاسيون ناميد، که به نام او ثبت شد.

پسنوشت

وقتي لاستيک در مجاورت گوگرد حرارت داده شود، اتمهاي گوگرد زنجيره هاي بلند مولکول هاي پليمري لاستيک را به يکديگر متصل مي کنند و بدين ترتيب ماده زمينه اي لاستيک را به توده يکپارچه اي تبديل مي کنند که حساسيت کمتري به تغيير دما نشان مي دهد.
اگر بخواهيم تعريف والپول را به طور کاملاً دقيق تفسير کنيم، کشف تصادفي ولکانيزاسيون لاستيک به دست گوديير را نمي توان بخت يارانه ناميد. به جاي اينکه چيزي را که مورد جست و جو نبود به طور تصادفي کشف کند، تصادفاً راه حلي پيدا کرد که سخت به دنبال آن بود. همان طور که در ديباچه گفته ام نمونه هاي بسياري از تصادف هاي پر برکت مي توان يافت که وقوع آنها منجر به اکتشافاتي شده است، و تا زماني که اين حوادث اتفاق نيفتاده بودند، کساني که به دنبال چيزي بودند آن را نمي يافتند. اين تصادف ها درست آن مفهومي را که منظور والپول از بخت ياري بود نمي رسانند، ولي آن قدر شبيه اند که مي توان آنها را شبه بخت ياري ناميد.
گوديير حتي پس از کشف فرايند ولکا نيزاسيون هم زندگي خوشي نداشت. درگير دفاع قانوني از حق امتياز اکتشافش شد، و اگر چه دانيال وبستر توانست در يکي از پرونده هاي نقض امتيازش او را در دادگاه پيروز کند، اما تا زمان مرگش در سال 1860 ، هرگز نتوانست از زير بار سنگين بدهيهايش کمر راست کند. با اين حال فرايند ولکا نيزاسيون منجر به فعاليت گسترده اي در زمينه توليد و مصرف لاستيک شد. تا سال 1858، ارزش اجناس توليد شده از لاستيک به حدود 5000000 دلار رسيد. بزرگترين شرکتهاي لاستيک سازي از جمله شرکت گوديير از سال 1870 به بعد در آکرون اوهايو تاسيس شدند. اين قبل از اختراع اتوموبيل، کاميون و هواپيما بود، که قسمت اعظم لاستيکي که امروزه مصرف مي شود در تايرهاي آنها به کار رفته است.

لاستيک صناعي

دو لاستيک صناعي که براي نخستين بار با موفقيت تجاري همراه بودند، يعني نئوپرن و تيوکول، هر دو برحسب تصادف توليد شدند. کشف نئوپرن شبه بخت يارانه و کشف تيوکول بخت يارانه بود.
شيميدانان با حرارت دادن لاستيک در شرايط تنظيم شده و شناسايي قطعاتي که از تجزيه آن به دست مي آمد، مطالبي در باره ساختار مولکولي لاستيک آموختند. يکي از اين قطعات ايزوپرن بود، که ترکيبي پنج کربني با دو پيوند مضاعف است. در سال 1920 هرمان استاودينگر مقاله معروفي نوشت که در آن براي ساختار فراورده هاي طبيعي مهمي نظير لاستيک، سلولوز، و پروتئين ها، و نيز برخي مواد صناعي که ويژگي هاي مشابهي داشتند، توجيهي ارائه شده بود. به نظر وي اين مواد، که ظاهراً با ترکيبات آلي ساده تر تفاوت مرموزي داشتند، پليمر بودند ( اين کلمه از دو واژه يوناني پلي به معناي چندين و مروس به معناي پاره يا قطعه مشتق شده است). پليمرها از مولکول هاي عظيمي تشکيل شده اند که در آنها واحدهاي تکرارشونده با همان انواعي از پيوندهاي شيمياي که در ترکيبات ساده تر ديده مي شوند به هم متصل شده اند. به عنوان نمونه فرمول مولکول لاستيک چنين پيشنهاد شد:
فرض شد که تعداد زيادي واحد ايزوپرن " منومر" ( لغتاً به معناي " يک پاره" ) در درخت کائوچو طي واکنش هاي زيست شناختي به يکديگر متصل مي شوند و مولکول هاي پليمري بزرگ لاستيک به دست مي آيد.
پس از آنکه اين فرمول براي لاستيک طبيعي پيشنهاد شد، تلاشهاي زيادي براي تهيه نوعي لاستيک صناعي که ساختار مولکول و خاصيت ارتجاعي لاستيک به دست آمده از درخت را داشته باشد انجام شد. ايزوپرن در معرض کاتاليزورهاي مختلفي قرار گرفت تا معلوم شود آيا به شکل چيزي مثل لاستيک پليمريزه مي شود يا نه. اين تلاش ها به اندازه اي موفقيت آميز بودند که مشخص شد نظريه استاد و دينگر صحيح است، اما جنبه هاي جزئيتر ساختار مولکولي ناشناخته بودند، تا سرانجام کارل زيگلر در 1953 کاتاليزورهاي تنظيم کننده آرايش فضايي را کشف کرد ( در فصل 26 در باره اين اکتشاف بخت يارانه توضيح داده شده است). معلوم شد که در لاستيک طبيعي آرايش واحدهاي منومر ايزوپرن " تمام – سيس" است؛ اين آرايش را مي شد با کاتاليزورهاي جديد در لاستيک صناعي تقليد کرد، در حالي که کاتاليزورهاي قبلي باعث ايجاد آرايش اتفاقي واحدهاي سيس و ترانس مي شدند. تنها از اين موقع بود که توليد لاستيک صناعي مقدور گرديد، به نحوي که تقريباً نمي شد فرقي بين آن و همتاي طبيعي اش گذاشت. امروز مهمترين عامل تعيين کننده استفاده از لاستيک طبيعي يا صناعي در ساخت تاير و توليدات ديگر قيمت نفت است، که ماده اوليه لاستيک صناعي است.
دکتر و. س. کلکات، که در آزمايشگاه جکسون شرکت دوپون پژوهش مي کرد، متوجه تحقيقاتي که پدر نيولند در دانشگاه نوتردام انجام داده بود شد. نيولند کشيشي کاتوليک، رئيس نوتردام و شيميدان بود. او با انتشار نتايج تحقيقاتش نشان داد که استيلن، هيدروکربني که فرمولH2 C2 را دارد، تحت شرايطي يک يا دوبار به خود اضافه مي شود، و وينيل استيلن و دي وينيل استيلن، که مولکول هايي با فرمولC6H6,C4H4 هستند، ايجاد مي کند. به عقيده کلکات ممکن بود اين ديمرها و تريمرها آن قدر به واحد سازنده لاستيک طبيعي، يا ايزوپرن، شباهت داشته باشند که بتوان از آنها براي تهيه لاستيک صناعي استفاده کرد. عده اي از شيميدانان زير دست خود را در دوپون به اين کار مشغول ساخت، اما موفقيتي نصيب شان نشد، بنابر اين نزد والاس کارودرز رفت، که در ايستگاه آزمايشي دوپون که محل انجام مهمترين پژوهش ها در زمينه پليمرها بود مقام سرگروهي داشت.
کارودرز به مسئله علاقه مند شد. از شيميداني به نام آرنولد کالينز که زير نظرش کار مي کرد خواست تا نمونه اي از مخلوط خامي را که به روش نيولند از استيلن به دست مي آمد تخليص کند. وقتي کالينز اين کار را انجام داد توانست مقدار ناچيزي مايع جدا کند که به نظر مي رسيد نه وينيل استيلن باشد نه دي وينيل استيلن، و نيولند نيز آن را شرح نداده بود. اما آن را دور نريخت، بلکه در مدت تعطيلات آخر هفته بر ميز کارش در کناري گذاشت. وقتي دوشنبه برگشت متوجه شد که مايع سفت شده است، و وقتي آنرا بررسي کرد، دريافت که حالتي لاستيکي پيدا کرده است، تا حدي که وقتي آن را روي ميزش مي انداخت، برمي گشت.
شايد بگوييد اين هيچ تصادف نبود، بلکه همان چيزي بود که کلکات انتظارش را مي کشيد يا حتي پيش بيني مي کرد. اما وقتي اين جامد لاستيکي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت، معلوم شد شکل پليمري هيدروکربن استيلن نيست، بلکه در آن کلر وجود دارد، که کاملاً غير مترقبه بود. ظاهراً اين کلر ناشي از اسيد کلريدريک (HCI) بود که در روش نيولند براي به دست آوردن ديمر و تريمر استيلن استفاده مي شد، و به وينيل استيلن اضافه شده بود. محصولي که از اين اضافه شدن به دست آمد به دليل شباهتش به ايزوپرن، کلروپرن نام گرفت. تنها تفاوتي که وجود داشت اين بود که در مولکول منومر آن، اتم کلر به جاي يک گروه متيل ( واحدي مولکولي متشکل از يک اتم کربن متصل به سه اتم هيدروژن، يعني CH3) قرار گرفته بود. اين پليمر يزاسيون خود به خودي کلروپرن در طي تعطيلات آخر هفته بر ميزکالينز ايجاد جامد لاستيک مانندي کرده بود که شرکت دوپون نئوپرن ناميد.
معلوم شد که اين لاستيک صناعي جديد بر خلاف لاستيک طبيعي مقاومت زيادي در برابر نفت، بنزين واوزون دارد. همين ويژگي ها باعث شد دوپون آن را با وجود گرانتر بودنش در مقايسه با لاستيک طبيعي، در سال 1930 توليد و به بازار عرض کند. نئوپرن هنوز هم مفيد و ارزشمند است؛ دوامش در کار بردهاي سنگيني همچون شلنگهاي صنعتي، پوشش کف کفش، درزگيري دور شيشه ، تسمه هاي انتقال نيروهاي مکانيکي سنگين و پوشش کابل هاي برق، اثبات شده است. از کاربردهاي تازه و جالب آن، استفاده از نئوپرن به عنوان ماده چسباننده کمربندهاي چرمي دو لايه است: با اين ماده مي توان دو نوار چرمي سياه و قهوه اي را بدون دوزندگي بطور دايمي به هم چسباند و کمربندهاي دو رنگ قابل تعويض توليد کرد.
در سال 1924 ج . س . پاتريک تصميم گرفت از مقادير زياد اتيلن و گاز کلر که محصول جانبي فرايندهاي صنعتي بود، ماده مفيدي تهيه کند. از قبل مي دانستندکه از ترکيب اين دو ماده دي کلريد اتيلن به دست مي آيد؛ پاتريک مشغول آزمايش بر روي واکنش مواد مختلف با دي کلريد اتيلن بود، به اين اميد که اتيلن گليکول، که محصول قابل فروشي بود، توليد شود. يکي از موادي که امتحان کرد پلي سولفيد سديم بود. واکنش اين ماده با دي کلريد اتيلن موجب توليد مايع گليکولي که به دنبال آن بود نشد، بلکه ماده اي نيمه جامد و لاستيکي به دست آمد. پاتريک بي درنگ به اهميت بالقوه اين جسم لاستيکي پيش بيني نشده پي برد، و طرح پژوهشي گسترده اي را آغاز کرد که پس از مدت کوتاهي به در خواست ثبت امتياز و تاسيس شرکتي براي توليد اين لاستيک صناعي جديد منجر شد.
شرکت شيميايي تيوکول، که پاتريک رئيس آن بود، تيوکول A را در سال 1929 به بازار فرستاد. ساختار مولکولي آن با لاستيک طبيعي کاملاً تفاوت داشت، ولي در عين حال ارتجاعي بود. نسبت به لاستيک طبيعي يک برتري داشت و آن اينکه مثل نئوپرن در برابر مواد نفتي مقاوم بود. اما چندي نگذشت که عيب بزرگ آن معلوم شد: بوي گندي داشت!
شرکت تيوکول و ديگران لاستيک هاي پلي سولفيد متعددي توليد کردند. در به کار گرفتن آنها از مقاومتشان در مقابل فراورده هاي نفتي و ويژگي هاي عايقکاري خوبشان نظير درزگرفتن دور شيشه هاي اتومبيل و پوشاندن مخازن سوختي که در بالهاي هواپيماها وجود دارند استفاده مي شد. چون لاستيک هاي تيوکول را مي شد در دماي پايين تثبيت کرد، مدتي از آنها به عنوان چسباننده و جزئي از سوخت هاي جامد موشک براي پرتاب ماهواره ها و سفينه هاي فضايي به مدار استفاده مي شد.در سال 1982 شرکت نمک مورتون، شرکت تيوکول را خريد و تشکيل شرکت مورتون تيوکول را داد؛ هر دو شرکت قبل از ادغام در يکديگر مواد شيميايي تخصصي توليد کرده بودند و پس از ادغام نيز به کار خود ادامه دادند. شرکت مورتون تيوکول که از پيمانکاران عمده در ساخت شاتل فضايي نا فرجام چلنجر بود، دچار بدنامي زيادي شد. اما حلقه O شکلي که انفجار سفينه فضايي مزبور را به آن نسبت مي دادند از لاستيک هاي صناعي پلي سولفيد تيوکول نبود، بلکه آن را از ويتون، نوعي پليمر ارتجاعي که از لحاظ شيميايي بيشتر به تفلون شباهت دارد، تهيه کرده بودند.