Bakelite: Nhựa tổng hợp đầu tiên

Leo Hendrick Baekeland (1863-1944). Ảnh: History.

Nhựa tổng hợp với nhiều hình dạng và chủng loại khác nhau đã trở thành một phần quan trọng trong đời sống hằng ngày – từ các ngành công nghiệp, kiến trúc và xây dựng nhà cho đến y học, khoa học và nghệ thuật. Chúng ta dường như khó tưởng tượng rằng cách đây hơn một thế kỷ, chỉ có một số ít chất khan hiếm trong tự nhiên được biết đến với tất cả các ứng dụng tương tự.

Công nghệ đúc [ép] các hợp chất nhựa tự nhiên để tạo ra sản phẩm thương mại bắt đầu xuất hiện tại Mỹ vào năm 1845. Những hợp chất tự nhiên này bao gồm guttapercha (có trong mủ của cây Palaquium gutta ở Malaysia), lac (vật liệu dính tạo ra bởi rệp vảy ở Ấn Độ và Myanmar), shellac (hợp chất được tiết ra bởi loài bọ cánh cứng Kerria lacca ở Đông Nam Á). Từ năm 1845 đến đầu những năm 1900, các ngành công nghiệp đã sử dụng chúng để đúc thành tay cầm bàn chải, đĩa hát, vật liệu cách điện và nút bấm. Tuy nhiên, vật liệu tự nhiên thường không có sẵn, rất khan hiếm, một số khó đúc, một số khác dễ bị hỏng [gãy, vỡ,..].

Trong thời kỳ đó, quá trình công nghiệp hóa đòi hỏi vật liệu mới cho phép sản xuất tất cả các loại vật phẩm hữu ích cho con người. Năm 1869, nhà phát minh người Mỹ John W. Hyatt đã biến đổi cellulose, một loại polymer có trong thực vật, để tạo ra chất dẻo celluloid. Quy trình của ông là cho long não kết hợp với cellulose nitrate (thu được bằng cách hòa tan sợi bông trong dung dịch cồn). Celluloid rất linh hoạt và bền bỉ. Vật liệu này có thể được cưa, chạm khắc hoặc dát mỏng thành các tấm, nên người ta ứng dụng nó để sản xuất nhiều sản phẩm như: bóng bi-a, lược, răng giả, vỏ đồng hồ và phim chụp ảnh. Tuy nhiên, celluloid rất dễ cháy và khó đúc. Do đó, các nhà phát minh tiếp tục tìm kiếm những vật liệu tốt hơn.

Nhựa tổng hợp Bakelite ra đời

Đến cuối thế kỷ 19, nhiều nhà khoa học quan sát thấy rằng việc trộn lẫn các hợp chất hữu cơ phenol và formaldehyd tạo ra một vật liệu cứng và không mang lại giá trị hữu ích nào. Phản ứng giữa hai hóa chất khá mãnh liệt và khó kiểm soát. Tuy nhiên, Leo Hendrik Baekeland đã thành công trong việc kiểm soát phản ứng này vào năm 1909. Nhờ đó ông tạo ra loại nhựa tổng hợp đầu tiên, hợp chất mà ông bán ra thị trường với tên thương mại Bakelite.

Baekeland sinh ra ở Ghent, Bỉ, vào năm 1863. Sau khi nhận bằng tiến sĩ khoa học tự nhiên tại Đại học Ghent, ông chuyển tới sống ở thành phố New York, Mỹ năm 1889. Ban đầu ông làm việc cho một công ty nhiếp ảnh và tự thành lập Công ty hóa chất Nepera để sản xuất giấy in ảnh Velox. Ông bán quy trình sản xuất Velox cho Eastman-Kodak với giá một triệu USD.

Việc phát minh ra giấy ảnh Velox đã biến Baekeland trở thành một người giàu có. Tại khu điền trang Snug Rock ở Yonkers, New York, ông thành lập một phòng thí nghiệm ngay tại nhà. Ông cùng với trợ lý Nathaniel Thurlow thực hiện hàng loạt nghiên cứu mới, chẳng hạn như các quá trình hòa tan muối trong chất điện phân đã qua sử dụng và tạo ra màng chắn giúp điều chỉnh ánh sáng đi qua thấu kính máy ảnh.

Năm 1905, Baekeland nỗ lực tạo ra một hợp chất có thể cạnh tranh thương mại với celluloid. Ông dự kiến điều chế hợp chất shellac từ phản ứng giữa phenol và formaldehyd. Phản ứng này bị ảnh hưởng rất lớn bởi tỷ lệ giữa các chất ban đầu và điều kiện mà chúng kết hợp với nhau. Baekeland đã thất bại trong việc tổng hợp shellac, thay vào đó ông tình cờ phát hiện ra nhựa tổng hợp Bakelite (hợp chất polyoxybenzylmethylenglycolanhydride).

Ngày 8/2/1909, ông Baekeland trình bày kết quả nghiên cứu của mình trước Hiệp hội Hóa học Mỹ. Ông mô tả ba giai đoạn phản ứng của phenol hoặc các dẫn xuất của nó với formaldehyd hoặc các aldehyd khác, tạo ra một sản phẩm trung gian hòa tan trong nước. Sản phẩm trung gian này có thể được sử dụng để tẩm vào gỗ, giấy, bìa cứng hoặc vải. Giai đoạn cuối cùng của phản ứng tạo ra nhựa tổng hợp Bakelite có thể chuyển đổi thành dạng bột khô, mịn. Loại bột này dễ tạo hình bằng cách nén ép [đúc] trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Baekeland được cấp bằng sáng chế # 942.699 cho nhựa tổng hợp Bakelite.

Bakelite là một loại nhựa nhiệt rắn có đặc tính trong suốt, hoặc mang màu vàng nhạt giống như celluloid nhưng cứng hơn nhiều. Bakelite có tính chất cách điện, chịu được nhiệt độ cao và có sự ổn định về kích thước. Nó chống lại sự trương nở và hòa tan trong nước cũng như tất cả các dung môi hữu cơ. Ngoài ra, nó có thể được đúc rất nhanh, một lợi thế lớn trong những quy trình sản xuất hàng loạt.

Baekeland thành lập Tập đoàn Bakelite vào năm 1910 để kinh doanh loại vật liệu mới của mình. Tập đoàn Bakelite có logo là biểu tượng toán học vô cực, và khẩu hiệu (slogan) cho sản phẩm Bakelite của họ là: “Vật liệu của hàng nghìn công dụng”. Do có giá thành rẻ nên Bakelite nhanh chóng được sử dụng một cách rộng rãi để sản xuất các sản phẩm bao gồm điện thoại cầm tay, đồ nữ trang gắn trên quần áo, đài radio, ổ cắm, máy giặt, cũng như nhiều sản phẩm trong ngành điện và ôtô.

Tuy nhiên, nhựa tổng hợp Bakelite có những hạn chế rõ ràng. Nó cứng nhưng khá giòn. Để làm cho Bakelite dễ uốn hơn và bền hơn, nhà sản xuất cần phải bổ sung thêm các chất phụ gia. Thật không may, chất phụ gia lại làm mờ màu sắc của Bakelite. Màu sắc trở thành một công cụ tiếp thị ngày càng quan trọng từ thập niên 1920 trở đi. Do đó, các công ty hóa dầu bắt đầu tìm cách tạo ra những loại nhựa mới có nguồn gốc từ sản phẩm phụ của quá trình chế biến nhiên liệu hóa thạch. Các hợp chất nhựa linh hoạt hơn như polyetylen hoặc polyvinyl clorua (PVC) bắt đầu xuất hiện, thay thế dần bakelite trong nhiều ứng dụng của nó.

Ngày nay, chỉ có một hoặc hai công ty sản xuất nhựa phenolic, nhưng sáng chế nhựa Bakelite của Baekeland đã tạo ra khuôn mẫu cho ngành công nghiệp nhựa hiện đại. Baekeland qua đời tại Beacon, New York vào năm 1944, thọ 80 tuổi. Trong suốt cuộc đời, ông đã có khoảng 400 bằng sáng chế. Baekeland vinh dự được ghi tên vào Hội trường Danh vọng Các nhà phát minh Quốc gia Mỹ (NIHF) năm 1978.