Úvod do historie termoplastů

2.1 Úvod do historie termoplastů

Ing. Miloš Sova, CSc.

V průběhu 20. století pronikly do každodenního života obyvatel všech průmyslových zemí syntetické makromolekulární látky - polymery. Staly se základem obrovského množství materiálů, nazývaných termoplasty, reaktoplasty a kaučuky. V současné době se staly plasty nenahraditelnými v celé řadě odvětví. Kdyby nějakým nařízením nebo zázrakem všechny plasty náhle zmizely ze světa, okamžitě by se zhroutila naše současná civilizace. Různé aplikace plastů využívají jejich snadné zpracovatelnosti, nízké měrné hmotnosti, odolnosti proti korozi, dobrých tepelně izolačních i elektroizolačních vlastností a také příznivé ceny.

Na druhé straně není pochyb o tom, že plasty s sebou přinášejí řadu ekologických problémů. To platí zejména pro obaly, které se po krátkém čase po výrobě stávají součástí odpadu. Výzkum spolu s příslušnou legislativou musí problémy plastových odpadů vyřešit tak, aby plastové výrobky lidem sloužily a nezatěžovaly životní prostředí. Recyklace řady plastů i jejich směsí je ostatně již technologicky vyřešena, alespoň v poloprovozním měřítku. Ne vždycky je však pro zpracovatele ekonomicky výhodná. Postupně se daří zlepšovat také mechanické vlastnosti recyklovaných plastů. Zejména pevnost a houževnatost hraje v řadě aplikací kritickou úlohu.

Ekologičtí aktivisté, kteří pokládají plasty za symbol konzumní společnosti, by si měli uvědomit, že řada plastových materiálů v podobě filtrů, membrán, izolací, sorbentů a analytických a lékařských pomůcek životnímu prostředí i samotnému životu bezprostředně slouží. Různé plastové materiály poslední generace umožňují nejen záznam zvuku, ale také nebývale zhuštěný záznam informací a jejich přenos. Plasty se tak zařazují do celé řady médií, které lidstvu umožňují uchovávat technologické informace a kulturní dědictví a předávat je dalším generacím.

I když rozvoj syntetických polymerů v moderním smyslu nastal až ve dvacátém století, některé polymerní materiály byly známy a využívány už mnohem dříve. Zpočátku ovšem šlo o přírodní polymery vhodně modifikované. Také principy plastikářské technologie jsou mnohem starší, než by se snad zdálo. V Anglii byl už ve dvanáctém století založen cech zpracovatelů rohoviny. Jejich řemeslo bylo založeno na poznatku, že rohovina při teplotě nad 125 °C měkne a dá se pak tvarovat, třeba vyválcovat do poloprůhledných desek. Ty se ve středověku používaly na výplně oken nebo luceren. Kaučuk je v Evropě znám už od roku 1496, kdy se Kryštof Kolumbus (1451 - 1506) vrátil ze své druhé cesty do Nového světa. V roce 1748 Charles-Marie de la Condamine dopravil z jihoamerické expedice do Paříže vzorek přírodního kaučuku, mléko kaučukovníku Hevea brasiliensis, nazývaného v Brazílii „kauču” („caouchou” ve francouzském přepisu), doslova plačící strom. Anglický název pro kaučuk rubber pochází z roku 1770, kdy se začaly kaučukové kostičky používat na gumování písma třením (rubbing) papíru. Název kaučuk se rozšířil přes francouzštinu i do německé a české terminologie. Významnější bylo použití přírodního kaučuku po rozpuštění v terpentinu jako lepidla. Bavlněnou tkaninu impregnovanou kaučukem použil skotský chemik Charles Mackintosh (1766 - 1843) na nepromokavé pláště. Vulkanizaci přírodního kaučuku sírou, tedy výrobu pryže, zveřejnil Charles Goodyear (1800 - 1860) v roce 1844. Pneumatiku patentoval britský vynálezce John Boyd Dunlop (1840 - 1921).

Je zajímavé, že u zrodu prvního opravdového plastu nebyl žádný významný průmysl, ale - kulečník. Tato hra dosáhla nesmírné popularity v druhé polovině minulého století, jak v Evropě, tak v Americe. Jenže během války severu proti jihu byla slonovina na výrobu kulečníkových koulí v Americe stále vzácnější a v roce 1863 byl její nedostatek už tak kritický, že newyorští výrobci kulečníku Phelan a Collender vypsali soutěž na dokonalou náhradu slonoviny a dotovali ji částkou 10 000 dolarů. To byla tehdy spousta peněz, která nedala spát mladému tiskaři Johnu Wesleymu Hyattovi. V tiskařské dílně se tehdy používal roztok nitrátu celulózy (kolodia) spolu s kafrem na ošetření drobných poranění. Když tento roztok vyschl, zůstala na dně lahvičky pružná a tvrdá hmota. J. W. Hyatt (1837 - 1920) spolu se svým bratrem začal s touto látkou experimentovat a posléze připravil materiál, který při pokojové teplotě opravdu připomínal slonovinu. Za studena se dal snadno obrábět, ale při zahřátí byl tvárný jako vosk. Bratři Hyattové sice slíbenou odměnu nikdy nedostali, ale zato vstoupili do dějin, protože připravili vůbec první plast, celuloid. Ten o něco později umožnil rozvoj filmového průmyslu a kinematografie.

Rozvoj výroby moderních plastů byl na počátku dvacátého století výrazně motivován potřebou lepších izolantů pro elektrotechnický průmysl. První čistě syntetický materiál připravil v roce 1907 americký chemik narozený v Belgii, Leo Baekeland (1863 - 1944). Baekeland dospěl k materiálu se zajímavými mechanickými i elektrickými vlastnostmi, jehož chemickou podstatou je fenolformaldehydová pryskyřice. Byl na svůj objev tak hrdý, že jej sám po sobě pojmenoval Bakelite. Dnes je tento plast jedním z velké skupiny nazývané reaktoplasty. Bakelit brzy nalezl široké uplatnění v elektrotechnice, ale jeho vůbec první pozoruhodná aplikace byl knoflík rychlostní páky luxusního Rolls-Royce z roku 1917. V porovnání s dřevěnou rukojetí, která se musela soustružit, to představovalo úsporu práce a zároveň symbol pokroku.

Další rozvoj polymerních materiálů pak velmi ovlivnili dva geniální chemici: Němec Staudinger a Američan Carothers [káradrs]. Staudinger první pochopil skutečnou molekulární strukturu polymerů, a tím ukázal cestu, jak by se daly nové polymery syntetizovat. A tak byl v podstatě podle jeho vůdčí myšlenky v roce 1927 připraven acetát celulózy a krátce nato i polyvinylchlorid (PVC).

V roce 1928 vystudoval Harvardskou univerzitu „tvůrce nylonového věku”, Wallace H. Carothers (1896 - 1942). Výsledkem jeho práce byly nesmírně zajímavé materiály: chloroprénový kaučuk (neoprén), polyestery, a konečně také polyamidy, zejména polyamid 66, známý pod názvem nylon.

Ve třicátých letech pracovali někdejší Carothersovi spolupracovníci R. Gibson a E. Fawcet v laboratořích britské firmy ICI na polymeraci ethylénu. Po sérii neúspěšných experimentů, které se neobešly ani bez docela hrozivého laboratorního výbuchu, jim nakonec pomohla šťastná náhoda. Při opakovaném tlakování totiž pronikl do reaktoru kyslík právě v takové koncentraci, že působil jako katalyzátor reakce. V roce 1933 tak bylo připraveno při tlaku kolem 100 MPa a poměrně vysoké teplotě prvních 8 g polymeru, jemuž se dnes říká nízkohustotní polyethylén. Podobně jako nylon i polyethylén se stal za druhé světové války strategickým materiálem. Byl použit na izolaci podmořských kabelů a velmi se osvědčil také jako izolátor ve vysokofrekvenčních koaxiálních kabelech. Spolu s teflonem tak vlastně umožnil i konstrukci radaru.

Začátkem padesátých let studoval Karl Ziegler (1898 - 1973) v Ústavu Maxe Plancka v německém Mühlheimu možnosti syntézy některých organokovových sloučenin. Přitom zjistil, že přítomnost určitých alkylových sloučenin hliníku přiměje ethylén k rychlé polymeraci, a to při poměrně nízkém tlaku.