Historia de los polímeros: nailon

DuPont se involucró en el negocio de la celulósica cuando adquirió los derechos del celofán de la compañía francesa fundada por Jacques Brandenberger. Por muy innovador que fuera el celofán, no ofrecía una barrera óptima contra la humedad, deficiencia que fue resuelta por William Hale Charch, en DuPont en 1927.

En ese mismo año, DuPont se embarcó en un programa para financiar la investigación pura en la ciencia de los materiales. Esto supuso un cambio en la forma como las corporaciones habían participado hasta entonces en la investigación científica.

Por lo general, en Estados Unidos las innovaciones provenían de empresarios privados o del mundo académico y luego eran adoptadas por las empresas manufactureras mediante la transferencia de tecnología, la adquisición o la concesión de licencias. Con el fin de apoyar este nuevo enfoque para el desarrollo de materiales, Wallace Carothers fue contratado fuera de Harvard y se unió a la iniciativa de investigación pura de DuPont en su estación experimental a principios de febrero de 1928.

Carothers se había centrado en la química orgánica a lo largo de su educación y se había convertido en instructor, primero en la Universidad de Illinois durante dos años, y luego en Harvard.

Mientras Carothers obtenía sus títulos avanzados, Hermann Staudinger desarrollaba sus teorías, entonces controvertidas, de que los polímeros como el caucho y la celulosa en realidad estaban compuestos por moléculas individuales de enorme tamaño. Propuso esto por primera vez en 1920 y publicó más sobre el tema en 1922, acuñando el término macromoléculas.

Las ideas de Staudinger estaban en conflicto con la sabiduría convencional respecto a las propiedades únicas de los polímeros. En 1926, cuando Staudinger asumió el puesto que ocuparía durante el resto de su carrera profesional en la Universidad de Friburgo, Alemania, su predecesor le aconsejó abandonar su idea de moléculas muy grandes, puesto que las moléculas con un peso molecular superior a 5,000 no existían y no podían sintetizarse.

Como señalamos antes, las ideas revolucionarias a menudo evolucionan, y las personas históricamente reconocidas como innovadoras muy a menudo ponen en su lugar las piezas finales del rompecabezas.

El uso de la palabra polímeros, y la idea de que podrían sintetizarse, se remonta a Marcellin Berthelot, el químico francés que utilizó catalizadores como el ácido sulfúrico para promover reacciones con compuestos de bajo punto de ebullición, como el etileno y el propileno, creando hidrocarburos de cadena más larga, a los que se refirió como polietileno.

El nacimiento de los polímeros sintéticos: de poliéster a neopreno

Estas moléculas todavía eran de un peso molecular relativamente bajo, tal vez un poco más de 200 g/mol. Más tarde, el químico alemán Emil Fischer creó un material con un peso molecular de 4,200, y la creencia generalizada era que este era el límite superior práctico.

Pero Staudinger fue persistente. En la década de 1920, en colaboración con el físico Gustav Mie, Staudinger descubrió el polioximetileno (POM), también llamado acetal. Si bien el POM no se comercializaría durante otras tres décadas debido a problemas con la estabilidad térmica, Staudinger pudo demostrar que el tamaño de los cristales formados por este polímero era mucho más pequeño que las moléculas individuales.

Además, Staudinger y Mie produjeron fibras a partir de los materiales sintéticos que estaban creando, lo que demostraba que estos materiales podrían ofrecer una alternativa a las fibras naturales.

Desarrollo de fibras sintéticas: superando desafíos

Una de las personas que estaban atentas al trabajo de Staudinger era Wallace Carothers. Encargados de fabricar materiales sintéticos que pudieran ser utilizados en forma de fibras, Carothers y su equipo, desde un laboratorio en Wilmington, Del., denominado Purity Hall, establecieron como objetivo la creación de un material con un peso molecular que superara los 4,200.

La pureza de la investigación fundamental no duró mucho. A finales de 1929, Carothers no tenía nada que mostrar en sus esfuerzos por sintetizar un material de alto peso molecular, y su jefe inmediato comenzó a presionar para obtener algunos resultados prácticos que pudieran comercializarse. No tuvo que esperar mucho.

A principios de 1930, mientras investigaba compuestos basados en acetileno, un miembro del equipo de Carothers, Arnold M. Collins, aisló el compuesto líquido cloropreno, esencialmente butadieno clorado. En otro ejemplo de un descubrimiento accidental, Collins dejó de lado el material desconocido durante un tiempo y cuando regresó a los tubos de ensayo, descubrió que el material se había congelado en un sólido que rebotaba cuando se caía.

El líquido de cloropreno se había polimerizado espontáneamente en policloropreno y fue el primer caucho verdaderamente sintético.

Cuando se entrecruzaba por vulcanización, se convertía en un material útil con mejor resistencia a la intemperie, a la grasa y al aceite que el caucho natural. Hoy, el material se conoce como neopreno después de haber sido vendido durante unos años como dupreno.

El neopreno se crea a través de la polimerización por adición de radicales libres, una reacción relativamente fácil de ejecutar. Pero no se podía convertir en una fibra. La química para el desarrollo de fibras sintéticas siguió la ruta de las reacciones de condensación, un proceso mucho más difícil de controlar ya que produce subproductos que dificultan el proceso de polimerización. Estos desarrollos comenzaron con los esfuerzos de otro miembro del equipo de Carothers, Julian Hill.

En el mismo año en que se sintetizó el policloropreno, Hill finalmente rompió la barrera del peso molecular al reaccionar un ácido orgánico disfuncional y un alcohol disfuncional (un glicol) para producir un poliéster con un peso molecular promedio de 12,000 g/mol.

Confirmando las teorías de Staudinger, Carothers observó que con el aumento del peso molecular venían propiedades mecánicas mejoradas, en especial la ductilidad, que se manifestaba como la capacidad de estirar las fibras considerablemente sin romperlas. Esto permitió el proceso de estirado en frío.

Pero el poliéster que Hill creó no era el mismo que los tipos de poliéster usados hoy. Su material era demasiado soluble en agua para permitir el lavado y tenía un punto de fusión demasiado bajo para el planchado de un tejido hecho con las fibras.

El legado de Carothers: Nailon 6/6

Sin embargo, el proceso de estirado en frío sería fundamental para desarrollar la solución que vendría cinco años después. Tras dejar de lado el esfuerzo de hacer una fibra sintética durante un tiempo, Carothers volvió al problema en 1934, cuando reemplazó el glicol con una amina disfuncional. En ese año, otro miembro del equipo de Carothers, Donald Coffman, creó una fibra basada en una aminoquímica que resolvió todos los inconvenientes asociados con el poliéster.

Pero la química de la reacción fue complicada, y Carothers y su equipo experimentaron con diferentes variaciones. En un año habían reducido el campo a dos opciones, nailon 5/10 y nailon 6/6. Carothers prefería el nailon 5/10, pero se seleccionó nailon 6/6 porque era más sencillo preparar los productos intermedios a partir de benceno, fácil de conseguir.

El material se llamó originalmente Fibra 66 y se amplió rápidamente desde unas pocas libras a 2,000 libras. Paul Flory, químico físico que más tarde ganaría un Premio Nobel por su trabajo en polímeros, ayudó con el programa al desarrollar una estrategia para estabilizar la complicada reacción de condensación.

El propio Carothers desarrolló la ecuación que describe la relación entre el grado de conversión del monómero en polímero y el peso molecular final de ese polímero.

En 1938, DuPont comenzó la construcción de una planta en Delaware que tenía la capacidad de producir 12 millones de libras de fibra de nailon (nylon). Carothers nunca vería este logro. Acosado por la depresión durante la mayor parte de su vida, ingirió cianuro en Filadelfia el 29 de abril de 1937.

El origen del nombre "nylon"

El polímero desarrollado por Carothers y su equipo fue el primero de una gran familia de poliamidas, el término utilizado adecuadamente para describir estos materiales. Hay muchas historias apócrifas sobre el origen de la palabra nailon como descripción del polímero.

En la actualidad, el proceso de establecer un nombre probablemente se entregaría a una empresa de publicidad que cobraría ocho cifras por el resultado.

Pero parece haber sido un proceso relativamente torpe impulsado por los líderes de la división química de DuPont, a quienes se les presentaron cientos de propuestas y finalmente escogieron el término no-run, que se transformaría a través de varios pasos lingüísticos en nylon.

Durante la primera década de producción la atención se centró en la fibra, primero para medias, y durante la Segunda Guerra Mundial para los paracaídas, como refuerzo de neumáticos, en chalecos antibalas y mosquiteros, y después volvió a la industria de la moda en 1945. Pero sus propiedades se adaptaron con facilidad a otros tipos de procesamiento por fusión, como el moldeo por inyección y la extrusión, ya que el material se convirtió en el primer termoplástico de ingeniería verdadero.

Paralelamente a estos desarrollos se descubrieron y comercializaron diversos materiales que empleaban la química del cloro ejemplificada por el neopreno. Estos materiales serán el foco de nuestra próxima entrega.