Дэвид Спенс (26 сентября 1881 - 24 сентября 1957) был одним из пионеров химиков каучука . [1] Он помогал военным во время Второй мировой войны , изобретая новые способы извлечения натурального каучука из растений, и работал над улучшением обработки каучука. На протяжении своей карьеры он работал над улучшением процессов окрашивания резиновых изделий и вулканизации резины, а также над разработкой новых ускорителей для упрочнения низкокачественного натурального каучука. В 1941 году он стал первым лауреатом медали Чарльза Гудиера , присужденной Американским химическим обществом . [2]
Дэвид Спенс | |
---|---|
Родившийся | Удны, Шотландия | 26 сентября 1881 г.
Умер | 24 сентября 1957 г. Нью Йорк, Нью Йорк | (75 лет)
Гражданство | Соединенное Королевство (1881-1906) Соединенные Штаты (1906-1957) |
Альма-матер | Йенский университет (доктор философии, 1906 г.) |
Награды | Медаль Чарльза Гудиера (1941) |
Научная карьера | |
Поля | Химия |
Учреждения | Diamond Rubber, BF Goodrich, Norwalk Tire & Rubber, Международная резиновая компания |
Тезис | (1906) |
биография
Дэвид был сыном преподобного Александра Спенса (министра церкви Шотландии) и его жены Агнес Спенс в девичестве Барклай (которые поженились в Скуни 15 июня 1876 года). Он родился в 7 часов утра 26 сентября 1881 года в особняке в Удни, округ Абердин, Шотландия. Он был «вакцинирован согласно справке от 18 декабря 1881 года».
Спенс получил докторскую степень в Йенском университете в Германии в 1906 году. Три года спустя он принял должность директора исследовательской лаборатории в Diamond Rubber Company в Акроне, штат Огайо . [1]
Он остался в Diamond Rubber после того, как она была куплена BF Goodrich в 1912 году. [3] Там ему удалось синтезировать изопрен для использования в синтетическом каучуке. Он покинул компанию в 1914 году и основал Norwalk Tire & Rubber Company, где он был вице-президентом и менеджером до 1925 года. Он вышел на пенсию в 1931 году, после чего продолжил свои собственные исследования в области каучука.
В течение своей карьеры он отвечал за разработку нескольких различных процессов: он разработал ускорители для процесса вулканизации; процесс девулканизации резины; система для извлечения натурального каучука из гваюлы ; и способ модификации физических свойств резины. Во время Первой мировой войны Спенс возглавлял отдел резины Национального исследовательского совета, а во время Второй мировой войны он был консультантом Управления военного производства . В 1941 году он стал первым обладателем медали Чарльза Гудиера. [2] Он умер 24 сентября 1957 года в Нью-Йорке. [4]
Научная карьера
Органические ускорители
В первые годы производства каучука высококачественный натуральный каучук получали из дерева Hevea braziliensis , произрастающего в регионах, граничащих с рекой Амазонка. [5] Каучук высокого качества показал 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 упрочняется путем сшивания различных полимерных цепей с помощью мостиков элементарной серы или других молекул, известных как ускорители. Однако высококачественный натуральный каучук был дорогим и превышал 1,50 доллара за фунт. [5] Diamond Rubber экспериментировала с различными добавками, такими как йодид ртути и анилин , в попытке улучшить свойства каучука более низкого качества. Добавление всего от 2,5 до 6 процентов этих добавок улучшило предел прочности на разрыв низкокачественной резины с 1800 фунтов на квадратный дюйм до 2800 фунтов на квадратный дюйм и сократило время вулканизации до 90 минут. Однако эти добавки отрицательно сказались на сроке службы резины. В 1912 году Спенс работал с Джорджем Онслагером в Diamond Rubber, чтобы найти различные добавки для преодоления этих недостатков. Отработав анилиновые добавки Oenslager, Спенс обнаружил, что п-аминодиметиланилин является гораздо более эффективным ускорителем, требующим добавления всего 0,5 мас.% В процесс вулканизации для значительного повышения прочности резины на разрыв. [5] П-аминодиметиланилин был выбран в качестве ускорителя Diamond Rubber Company в 1912 году. [6]
Разработка гуаюлы как альтернативы каучуку
Во время Второй мировой войны союзные войска страдали от нехватки латексного каучука из-за того, что Япония перекрыла доступ Америки к каучуковым плантациям Майлас. Спенс вместе с другими учеными-союзниками пытался заполучить еще один ресурс натурального каучука. Латекс, полученный из Parthenium argentatum , более часто называемый Guayule , был идеальным кандидатом в качестве заменителя каучука из-за свойств вулканизированного каучука, произведенного из Guayule, которые были аналогичны каучуку, произведенному на каучуковых плантациях Maylasian. [7] Латекс из Гуаюле был впервые получен в 1876 году путем экстракции латекса растворителем с использованием ацетона , и этот процесс экстракции коммерчески использовался компанией Diamond Rubber Company вплоть до 1930-х годов. [7] [8] Однако процесс экстракции ацетоном был слишком дорогим для удовлетворения большого спроса на каучук, вызванного Второй мировой войной, что послужило толчком для разработки более традиционных методов механической обработки для извлечения латекса. [7] Существенная производственная проблема при производстве латекса из Гуаюле заключалась в том, что как масса извлеченного латекса, так и прочность на разрыв латекса упали из-за длительного времени хранения между сбором Гуаюле и его переработкой. [7] Intercontinental Rubber поручила Спенсу решить эту проблему.
Спенс запатентовал методики для улучшения качества и выхода каучука, произведенного из гваюле с помощью обычных механических технологий в 1933 году. [8] Проведя исследование, Спенс определил, что сушка гуаюле является причиной высокой вариабельности выхода и качества каучука. латекс. [8] Процессы вымачивания Спенса при обращении с кустом Гуаюле повысили как однородность урожая, так и качество каучука, извлекаемого из растения Гуаюле. Процесс вымачивания включал замачивание измельченного растения гваюле в 1% растворе пара-диметилфениламина, чтобы природные бактерии и ферменты разлагали нежелательный растительный материал на водорастворимые побочные продукты и предотвращали окислительную потерю натурального каучука растения. . Эти побочные продукты затем могут быть смыты в процессе измельчения. [8] Процесс вымачивания улучшил процесс извлечения гуаюла при измельчении более чем на шесть процентов и повысил предел прочности на разрыв с 1800-2000 фунтов на квадратный дюйм до 2800 фунтов на квадратный дюйм, что сопоставимо с прочностью на растяжение каучуковых деревьев. [8]
Синтетическое производство изопрена
К сожалению, каучук с завода в Гуаюле не удовлетворил американский спрос на каучук. Несмотря на то, что президент Франклин Д. Рузвельт накопил примерно 1 миллион тонн каучука, годовой уровень потребления в США составлял 600 тысяч тонн каучука. [9] Следовательно, потребовались дополнительные запасы резины, чтобы избежать нехватки резины. Это было бы серьезной уязвимостью американской военной машины, поскольку каучук использовался для производства самых разных 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 нехватки каучука, Спенс и ученые из Goodyear , Firestone , Goodrich и New Jersey Standard объединились в рамках соглашения о совместном использовании патента. [9] Целями проекта синтетического каучука были либо синтетическое производство мономера изопрена, либо объединение нескольких мономеров для производства подходящего синтетического заменителя каучука. Спенс вместе 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 его участию в синтезе мономера изопрена, Спенс был первым получателем медали Чарльза Гудиера . [2]
Разработка нового процесса вулканизации и окрашивания резиновых изделий.
Работая в Goodyear, Спенс изменил процессы вулканизации и нанесения цветных красителей на резину. Традиционно вулканизация проводилась на воздухе с использованием серы и других ускорителей. [11] Наблюдая за девулканизацией , Спенс заметил, что продукты разложения зависят от содержания кислорода в системе, и что без кислорода каучук не может девулканизироваться. Основываясь на этих наблюдениях, Спенс разработал процесс вулканизации без кислорода , серы и ускорителей с использованием органических окислителей, таких как хиноны или органические пероксиды. Процесс вулканизации Спенса требовал помещения латексной смеси в буферный раствор с pH 7 и применения органического окислителя к смеси в инертной атмосфере азота . [11]
В дополнение к переработке процесса вулканизации Спенс разработал метод нанесения красителей на необработанный каучук. [12] До метода Спенса красители применялись во время обработки резины. Это оказалось слишком дорого и ограничивалось термическим разложением красителей. [12] Погружение резиновых изделий в ванну адсорбента с аминовым красителем, гидратом натрия, хлоридом натрия и серной кислотой позволило красителям ковалентно связываться с резиновой матрицей. Амины в растворе реагируют с первичными аминами в резиновой матрице с образованием азокрасителей на резиновых волокнах. Было обнаружено, что эта методология окрашивания резины применима к необработанным, вулканизированным и другим резиновым изделиям. [12]
Рекомендации
- ^ a b Ширер, Бенджамин Ф. (2007). Герои тыла: Биографический словарь американцев во время войны, Том 3 . Издательская группа "Гринвуд". п. 935. ISBN 978-0313334238.
- ^ а б в "Центр внимания синтетики на резиновой встрече". Новости химии и машиностроения . 26 (32): 2354–2355. 9 августа 1948 г. doi : 10.1021 / cen-v026n032.p2354 .
- ^ "История Акрона Огайо" (PDF) .
- ^ «НЕКРОЛОГИЯ». Новости химии и машиностроения . 35 (41): 142–144. 14 октября 1957 года DOI : 10.1021 / СЕН-v035n041.p142 .
- ^ а б в Гир, туалет; Бедфорд, CW (24 января 1925 г.). «История органических ускорителей в резиновой промышленности». Промышленная и инженерная химия . 17 (4): 393–396. DOI : 10.1021 / ie50184a021 .
- ^ Oenslager, Джордж (февраль 1933 г.). «Органические ускорители». Промышленная и инженерная химия . 25 (2): 232–237. DOI : 10.1021 / ie50278a031 .
- ^ а б в г Спенс, Дэвид (ноябрь 1925 г.). «Химия Гуаюле». Промышленная и инженерная химия . 18 (1): 1125–1128. DOI : 10.1021 / ie50203a008 .
- ^ a b c d e Патент 1918671 , Дэвид Спенс, "Резина"
- ^ а б в Программа США по синтетическому каучуку . Акрон, Огайо: Отдел истории химии Американского химического общества и Управление коммуникаций. 29 августа 1998 г.
- ^ патент 1161904 , Дэвид Спенс и Александр Кларк, «Процесс производства резиноподобных веществ из спиртов»
- ^ a b патент 2 265 324 , Дэвид Спенс, «Модифицированный каучук»
- ^ a b c Патент 1122653 , Дэвид Спенс, «Крашение резины и резиновых изделий»