Charles Goodyear: Sáng chế cao su lưu hóa

Charles Goodyear sinh ra tại New Haven, Connecticut (Mỹ) vào năm 1800. Ông là con trai của một chủ cửa hàng kim khí. Khi công việc buôn bán của gia đình thất bại vào năm 1830, ông đã quyết định chuyển sang lĩnh vực kinh doanh mới là các sản phẩm liên quan đến cao su.

Cao su tự nhiên – còn được gọi là “cao su Ấn Độ”, “cao su Amazon” hoặc “caoutchouc” – là một loại nhựa cây màu trắng đục có nguồn gốc từ nhiều loại cây nhiệt đới. Nó có đặc tính dẻo, mềm và dính sau khi đông tụ bằng axit. Vào đầu thế kỷ 19, hàng chục doanh nhân Mỹ đã nhập khẩu loại vật liệu này (chủ yếu từ Brazil) và mở nhà máy sản xuất các sản phẩm cao su như túi đựng hành lý, phao cứu sinh, ủng, áo mưa....

Trong một chuyến tham quan thành phố New York vào năm 1834, Goodyear tình cờ đi ngang qua một cửa hàng bán lẻ của Công ty Cao su Roxbury. Ông cảm thấy ấn tượng với một sản phẩm mới của công ty đang trưng bày tại cửa hàng, đó là chiếc phao cứu sinh làm bằng cao su. Thực ra, điều khiến ông chú ý đầu tiên là chiếc van thô sơ trên phao cứu sinh. Về nhà, ông đã bắt tay vào việc cải tiến nó.

Vài ngày sau, Goodyear quay lại cửa hàng để giới thiệu sáng chế mới của ông tới quản lý của cửa hàng. Đó là một van khí độc đáo dành cho phao cứu sinh. Đáng tiếc là công ty không quan tâm đến thiết bị của Goodyear, do họ đang đứng trên bờ vực phá sản. Quản lý cửa hàng cho biết, mùa hè nóng bất thường đã khiến các mặt hàng cao su trong kho của công ty tan chảy thành một thứ hỗn độn có mùi nồng nặc, vô giá trị.

Hiện tượng bị nóng chảy không phải là nhược điểm duy nhất của cao su tự nhiên. Thời tiết lạnh làm cho nó cứng lại và nứt ra. Ngay cả ở nhiệt độ phòng, cao su vẫn quá mềm để giữ nguyên hình dạng và có xu hướng dính vào mọi thứ mà nó chạm vào.

Trong khi ngành công nghiệp cao su trên đà sụp đổ do nhiều công ty phải đóng cửa, Goodyear vẫn giữ vững niềm tin. Ông quyết định tìm cách khắc phục các nhược điểm của cao su tự nhiên. Ông bắt đầu thử nghiệm, trộn bột khô vào cao su để làm cho nó bớt mềm và dính. Goodyear đã đạt được một số tiến bộ nhưng không có đủ kinh phí nghiên cứu. Gia đình của ông trở nên kiệt quệ, thiếu ăn do những khoản nợ lớn.

Bước đột phá đầu tiên của Goodyear xảy ra vào cuối năm 1834, khi ông phát hiện axit nitric (HNO3) làm cho bề mặt cao su trở nên mịn, khô và không dính. Trong quá trình trộn hóa chất vào cao su thô trong các nồi và chảo, ông đã hít phải khói thoát ra từ các chất pha chế độc hại bao gồm axit nitric, vôi và nhựa thông.

Với sản phẩm cao su cải tiến, Goodyear đã giành được một hợp đồng với Bưu điện Mỹ ở Boston để chế tạo các túi đựng thư làm bằng cao su. Tuy nhiên, các sản phẩm này vẫn bị tan chảy khi thời tiết quá nóng.

Không lùi bước trước khó khăn, Goodyear vẫn tiếp tục nghiên cứu và cải tiến cao su tự nhiên. Bước đột phá tiếp theo của ông xảy ra trong lúc ông thử thêm lưu huỳnh (S) vào cao su. Điều này làm cho cao su ít dính hơn và chịu được sự thay đổi của nhiệt độ. Tuy nhiên, cao su vẫn còn quá mềm.

Năm 1839, Goodyear đến thăm một chủ cửa hàng ở Woburn, bang Massachusetts để chào bán sản phẩm mới của mình. Trong lúc cầm một khối cao su trên tay, ông tình cờ làm rơi một ít cao su trộn với lưu huỳnh lên bề mặt nóng của bếp lò trong phòng. Ông vội vàng xin lỗi, nhanh chóng cạo bỏ lớp cao su trên bếp. Ông nhận thấy một điều thú vị là cao su đã trở nên rất cứng thay vì bị tan chảy sau quá trình tăng nhiệt.

Ngay sau đó, Goodyear quay trở về nhà và tiếp tục tiến hành các thí nghiệm với cao su trong thời gian khoảng năm năm. Một lần nữa, gia đình ông rơi vào hoàn cảnh kinh tế khó khăn, nợ nần và có lần ông bị ốm đến mức suýt chết.

Sau nhiều lần nung nóng cao su đã bổ sung lưu huỳnh bằng ấm đun nước trên bếp lò, Goodyear cuối cùng đã hoàn thiện quy trình hấp áp suất cao su – sau này gọi là “sự lưu hóa” cao su. Thuật ngữ “sự lưu hóa” (vulcanization) được đặt tên theo thần lửa của người La Mã.

Bản chất của quá trình lưu hóa [đun nóng hỗn hợp cao su và lưu huỳnh (S) với tỷ lệ khoảng 97:3 về khối lượng ở 150°C] là tạo ra cầu nối –S–S– giữa các mạch phân tử cao su, làm cho chúng trở thành mạng không gian. Cao su lưu hóa có tính đàn hồi cao, chịu nhiệt, lâu mòn, khó tan trong dung môi hơn cao su thường.

Goodyear được cấp bằng sáng chế của Mỹ về cao su lưu hóa năm 1844. Hội chợ Thế giới đã trưng bày các sản phẩm cao su lưu hóa vào những năm 1950. Khi đó, Goodyear đã tưởng tượng về một thế giới mà gần như tất cả mọi thứ như tiền, nhạc cụ, danh thiếp và quần áo đều làm bằng cao su.

Trong khi đó, nhiều công ty kinh doanh cao su tại Mỹ và các quốc gia khác bắt đầu ăn cắp quy trình sản xuất cao su lưu hóa của Goodyear. Cuối cùng, ông đã dành phần lớn thời gian và tiền bạc trong các vụ kiện tại tòa án. Khi ông qua đời vào năm 1860, các khoản nợ của ông tại Mỹ lên tới 200.000 USD. “Tôi không có quyền phàn nàn về việc mình đã gieo trồng để những người khác hái quả. Một người chỉ có lý do để hối tiếc khi anh ta gieo nhưng không có ai gặt hái cả”, Goodyear cho biết.

Chỉ sau khi Goodyear qua đời vào năm 1860, vợ và các con của ông mới bắt đầu kiếm đủ tiền từ bản quyền sáng chế để có cuộc sống tốt hơn. Năm 1898, thương nhân người Mỹ Frank Seiberling đã thành lập Công ty lốp xe & cao su Goodyear tại Akron, bang Ohio để tưởng nhớ đến công lao của ông.

Ngành công nghiệp sản xuất lốp xe của Mỹ trị giá 6 tỷ USD mỗi năm và các sản phẩm khác làm từ cao su lưu hóa không thể được sử dụng rộng rãi như ngày nay nếu không có sáng chế của Goodyear.