Дэвид Спенс (химия резины)
Химик
Дэвид Спенс
Рожденный( 1881-09-26 )26 сентября 1881 г.
Удни, Шотландия
Умер24 сентября 1957 г. (24.09.1957)(75 лет)
Нью-Йорк, Нью-Йорк
ГражданствоВеликобритания (1881-1906) США (1906-1957)
Альма-матерУниверситет Йены (доктор философии, 1906)
НаградыМедаль Чарльза Гудьира (1941)
Научная карьера
ПоляХимия
УчрежденияDiamond Rubber, BF Goodrich, Norwalk Tire & Rubber, Международная резиновая компания
Тезис (1906)

Дэвид Спенс (26 сентября 1881 г. – 24 сентября 1957 г.) был одним из пионеров химии каучука . [1] Он помогал военным во время Второй мировой войны , разрабатывая новые способы извлечения натурального каучука из растений, и работал над улучшением обработки каучука. В течение своей карьеры он работал над улучшением процессов окрашивания резиновых изделий и вулканизации каучука, а также над разработкой новых ускорителей для укрепления натурального каучука низкого качества. В 1941 году он стал первым обладателем медали Чарльза Гудиера , присуждаемой Американским химическим обществом . [2]

Биография

Дэвид был сыном преподобного Александра Спенса (священника Церкви Шотландии) и его жены Агнес Спенс, урожденной Баркли (которые поженились в Скуни 15 июня 1876 года). Он родился в 7:00 утра 26 сентября 1881 года в особняке Мэнса в Удни, округ Абердин, Шотландия. Он был «вакцинирован в соответствии с сертификатом от 18 декабря 1881 года».

Спенс получил докторскую степень в Йенском университете в Германии в 1906 году. Три года спустя он занял должность директора исследовательской лаборатории в компании Diamond Rubber Company в Акроне, штат Огайо . [1]

Он остался в Diamond Rubber после того, как в 1912 году ее купила компания BF Goodrich . [3] Там ему удалось синтезировать изопрен для использования в синтетическом каучуке. Он покинул компанию в 1914 году и основал Norwalk Tire & Rubber Company, где был вице-президентом и управляющим до 1925 года. Он вышел на пенсию в 1931 году, после чего продолжил собственные исследования каучука.

За время своей карьеры он отвечал за разработку нескольких различных процессов: он разработал ускорители для процесса вулканизации; процесс девулканизации резины; систему извлечения натурального каучука из гваюлы ; и процесс изменения физических свойств резины. Во время Первой мировой войны Спенс возглавлял Отдел резины Национального исследовательского совета, а во время Второй мировой войны был консультантом Совета по военному производству . В 1941 году он стал первым обладателем медали Чарльза Гудиера. [2] Он умер 24 сентября 1957 года в Нью-Йорке. [4]

Научная карьера

Пара-аминодиметиланилин

Органические ускорители

В первые годы производства резины высококачественный натуральный каучук получали из дерева Hevea braziliensis , произрастающего в регионах, граничащих с рекой Амазонка . [5] Высококачественный каучук демонстрировал желаемые свойства, такие как высокая прочность на разрыв (более 2800 фунтов на квадратный дюйм) и двухчасовое время вулканизации . Вулканизация — это процесс, при котором натуральный каучук укрепляется путем сшивания различных полимерных цепей либо мостиками элементарной серы , либо другими молекулами, известными как ускорители. Однако высококачественный натуральный каучук был дорогим, его цена превышала 1,50 доллара за фунт. [5] Diamond Rubber экспериментировала с различными добавками, такими как иодид ртути и анилин , в попытке улучшить свойства резины более низкого качества. Добавление всего лишь 2,5–6 процентов этих добавок улучшило прочность на разрыв резины низкого качества с 1800 фунтов на квадратный дюйм до 2800 фунтов на квадратный дюйм и сократило время вулканизации до 90 минут. Однако эти добавки были вредны для срока службы резины. В 1912 году Спенс работал с Джорджем Оэнслагером в Diamond Rubber, чтобы найти различные добавки для преодоления этих недостатков. Работая над анилиновыми добавками Оэнслагера, Спенс обнаружил, что п-аминодиметиланилин был намного более эффективным ускорителем, требующим всего 0,5 весовых процентов, добавленных в процесс вулканизации, чтобы значительно улучшить прочность резины на разрыв. [5] П-аминодиметиланилин был принят в качестве ускорителя по выбору компанией Diamond Rubber Company в 1912 году. [6]

Традиционная вулканизация, зависящая от серы, с парааминодиметиланилином в качестве ускорителя

Разработка гваюлы как альтернативы каучуку

Во время Второй мировой войны союзные войска страдали от нехватки латексного каучука из-за того, что Япония отрезала Америке доступ к малазийским каучуковым плантациям. Спенс вместе с другими союзными учеными боролся за то, чтобы обеспечить себе другой ресурс натурального каучука. Латекс, полученный из Parthenium argentatum , более известного как Guayule , был идеальным кандидатом в качестве замены каучука из-за свойств вулканизированного каучука, полученного из Guayule, которые были похожи на каучук, полученный с малазийских каучуковых плантаций. [7] Латекс из Guayule был впервые получен в 1876 году путем экстракции латекса растворителем с использованием ацетона , и этот процесс экстракции использовался в коммерческих целях компанией Diamond Rubber Company вплоть до 1930-х годов. [7] [8] Однако процесс экстракции ацетоном был слишком дорогим, чтобы удовлетворить большой спрос на каучук, вызванный Второй мировой войной, что создало толчок к разработке более традиционных методов механической обработки для извлечения латекса. [7] Значительной производственной проблемой при производстве латекса из гваюлы было то, что как масса извлеченного латекса, так и прочность латекса на разрыв падали из-за длительного времени хранения между сбором гваюлы и ее переработкой. [7] Компания Intercontinental Rubber поручила Спенсу решить эту проблему.

Кустарник гуаюла

В 1933 году Спенс запатентовал методики, позволяющие улучшить качество и выход каучука, полученного из гваюлы с помощью обычных механических методов. [8] После проведения исследования Спенс определил, что сушка гваюлы является причиной высокой изменчивости как выхода, так и качества латекса. [8] Процессы вымачивания Спенса при обработке кустарника гваюлы увеличили как однородность выхода, так и качество каучука, извлекаемого из растения гваюлы. Процесс вымачивания включал замачивание измельченного растения гваюлы в 1% растворе пара-диметилфениламина, чтобы естественные бактерии и ферменты разложили нежелательный растительный материал на водорастворимые побочные продукты и предотвратили окислительную потерю натурального каучука растения. Эти побочные продукты затем можно было смыть во время процесса измельчения. [8] Процесс вымачивания улучшил процесс фрезерования и экстракции гваюлы более чем на шесть процентов и повысил прочность на разрыв с 1800-2000 фунтов на квадратный дюйм до 2800 фунтов на квадратный дюйм, прочность на разрыв сопоставима с прочностью на разрыв каучуковых деревьев. [8]

Синтетическое производство изопрена

Синтетический путь получения мономера изопрена из различных исходных материалов

К сожалению, каучук с завода Guayule не удовлетворял американский спрос на каучук. Несмотря на то, что президент Франклин Д. Рузвельт накопил около 1 миллиона тонн каучука, годовой уровень потребления каучука в США составлял 600 тысяч тонн. [9] Поэтому для предотвращения дефицита каучука требовались дополнительные поставки каучука. Это представляло бы серьезную уязвимость для американской военной машины, поскольку каучук использовался для производства широкого спектра военных материалов. Президент Рузвельт поручил американской резиновой и нефтяной промышленности быстро разработать и внедрить заменители синтетического каучука, что привело к быстрому расширению обеих этих отраслей. [9] Чтобы решить проблему дефицита каучука, Спенс и ученые из Goodyear , Firestone , Goodrich и New Jersey Standard объединились в рамках соглашения о совместном использовании патентов. [9] Целями проекта по производству синтетического каучука были либо синтетическое производство мономера изопрена, либо объединение нескольких мономеров для производства подходящего синтетического заменителя каучука. Спенс, совместно с доктором Александром Кларком, разработал метод получения синтетического изопрена путем дегидратации 2,3-диметилбут-1-ен-3-ола и других спиртов с использованием ледяной уксусной кислоты. [10] Благодаря своему участию в синтезе мономера изопрена, Спенс стал первым обладателем медали Чарльза Гудиера . [2]

Разработка нового процесса вулканизации и крашения резиновых изделий

Работая в Goodyear, Спенс изменил процессы вулканизации и нанесения цветных красителей на резину. Традиционно вулканизация осуществлялась на воздухе с серой и другими ускорителями. [11] Наблюдая за девулканизацией , Спенс заметил, что продукты разложения зависят от содержания кислорода в системе, и что без кислорода резина не девулканизируется. Основываясь на этих наблюдениях, Спенс разработал процесс вулканизации без кислорода , серы и ускорителя, используя органические окислители, такие как хиноны или органические пероксиды. Процесс вулканизации Спенса требовал помещения латексной смеси в буферный раствор с pH 7 и нанесения органического окислителя на смесь в инертной атмосфере азота . [ 11]

Анаэробная вулканизация через бензилпероксид

В дополнение к переосмыслению процесса вулканизации, Спенс разработал метод нанесения красителей на сырую резину. [12] До метода Спенса красители наносились во время обработки резины. Это оказалось слишком дорогим и было ограничено термическим разложением красителей. [12] Погружение резиновых изделий в адсорбционную ванну с аминным красителем, гидратом натрия, хлоридом натрия и серной кислотой позволило ковалентно связать красители с резиновой матрицей. Амины в растворе реагировали с первичными аминами в резиновой матрице, образуя азокрасители на резиновых волокнах. Было обнаружено, что эта методология окрашивания резины применима к сырой, вулканизированной и другим готовым резиновым изделиям. [12]

Ссылки

  1. ^ ab Ширер, Бенджамин Ф. (2007). Герои тыла: Биографический словарь американцев военного времени, том 3. Greenwood Publishing Group. стр. 935. ISBN 978-0313334238.
  2. ^ abc "Синтетика в центре внимания на встрече по резине". Chemical & Engineering News . 26 (32): 2354– 2355. 9 августа 1948 г. doi :10.1021/cen-v026n032.p2354.
  3. ^ «История Акрона, Огайо» (PDF) .
  4. ^ "НЕКРОЛОГИЯ". Новости химии и техники . 35 (41): 142–144 . 14 октября 1957 г. doi :10.1021/cen-v035n041.p142.
  5. ^ abc Geer, WC; Bedford, CW (24 января 1925 г.). «История органических ускорителей в резиновой промышленности». Industrial and Engineering Chemistry . 17 (4): 393– 396. doi :10.1021/ie50184a021.
  6. ↑ Oenslager, George (февраль 1933 г.). «Органические ускорители». Industrial and Engineering Chemistry . 25 (2): 232– 237. doi :10.1021/ie50278a031.
  7. ^ abcd Спенс, Дэвид (ноябрь 1925 г.). «Химия гваюлы». Промышленная и инженерная химия . 18 (1): 1125– 1128. doi :10.1021/ie50203a008.
  8. ^ abcde Патент США 1918671, Дэвид Спенс, «Резина» 
  9. ^ abc Программа США по синтетическому каучуку. Акрон, Огайо: Американское химическое общество, Отдел истории химии и Управление коммуникаций. 29 августа 1998 г.
  10. ^ Патент США 1161904, Дэвид Спенс и Александр Кларк, «Способ производства резиноподобных веществ из спиртов» 
  11. ^ ab патент США 2,265,324, Дэвид Спенс, «Модифицированный каучук» 
  12. ^ abc Патент США 1122653, Дэвид Спенс, «Окрашивание резины и резиновых изделий» 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Дэвид_Спенс_(химия_резины)&oldid=1241494356"