Bruken av polyetylen

Et hemmelig militært materiale

I løpet av en relativt kort tid etter oppdagelsen skulle polyetylen få innflytelse på utfallet av krigen. Ved slutten av 1939 solgte ICI det nye materialet sitt til noen få omhyggelig utvalgte kunder. Innen et år ble kundekretsen strengt innskrenket, mens behovet for å produsere mer ble enormt. Det året brukte tre britiske kabelprodusenter 8000 kg ALKETH, mens ytterligere 800 kg gikk til en produsent av vokslys. Etter Frankrikes fall mente man at det var mindre behov for vokslys til skyttergravene, og så godt som all produksjon ble rettet mot elektrisk isolasjon. Vi kan si at høyfrekvenskablene som trengtes til de nye radarinstallasjonene var den viktigste avtakeren, selv om det ikke finnes noen opplysninger om dette i tilgjengelige arkiver fra den tiden. Produksjonen skjøt rett i været fra 8 gram i 1935 til 8 tonn i 1938, 557 tonn i 1942 og 1441 tonn i 1944. Det er trist at en stor del av denne historien om utvikling og utnyttelse av polyetylen gikk tapt i alt hemmelighetsremmeriet som omga det som mellom 1935 og 1950 ble et strategisk militært produkt.

Bruken av polyetylen

Etter en liten nedgang i etterspørselen ved slutten av krigshandlingene, begynte det å dukke opp nye markeder for dette billige, anvendbare materialet. Ved slutten av 1946 hadde ICI tre produksjonsenheter med en total produksjon på 4000 tonn per år. Omkring 1950 var anvendelsene av dette materialet utvidet til emballasje (flasker, folier, poser og sekker) og det hadde begynt å erstatte metaller i forskjellige markedsnisjer. Dette skulle komme til å bli et av polymervitenskapens særtrekk de neste 50 årene.

I polyetylenproduksjonens barndom var produktene temmelig enkle, som for eksempel oppvaskbaljer og bøtter. Det var nødvendig med ny kjemi før materialet kunne utfordre stålkabler i strekkfasthet, gass- og drikkevannrør i bruddfasthet og endelig tilfredsstille de strenge kravene som stilles til kirurgiske implantater. Hvordan dette skjedde er neste del av historien vår.

Ekstrudering av plast. Polyetylen brukes også til å fremstille rør.

En moden teknolog?

Omkring 1950 antok mange av forretningsfolkene i de selskapene som produserte polyetylen at produksjonen og anvendelsene av denne plasten hadde nådd fram til det man kan kalle en «moden teknologi». Det betyr at det ikke var noe mer grunnleggende teknisk å oppdage og at den eneste interessante oppgaven var å få ned produksjonskostnadene. De kunne ikke tatt mer feil!

I 1950 hadde ikke beslutningstagerne i selskapene hørt om arbeidet til Karl Zieglers gruppe ved Max Planck-instituttet i Mülheim i Tyskland. Ziegler var fascinert av dannelsen av metall-karbonbindinger og reaksjonene deres. Tidlig på 50-tallet jobbet gruppen hans med alumunium-alkylforbindelser. En nøkkelkomponent her var trialkylaluminium, R₃Al, der et enkelt aluminiumatom er bundet til tre hydrokarbongrupper (R) med aluminiumkarbon-
bindinger. Etylen reagerer med denne forbindelsen ved å sette seg selv inn i aluminium-karbon-bindingen:

R₃Al+CH₂=CH₂→R₂Al-CH₂-CH₂-R

Denne prosessen gikk bra ved temperaturer mellom 100 og 120 °C, og den ble utført i lukkede reaksjonskar kalt autoklaver, men ved mye lavere trykk enn det som ble brukt av ICI i polyetylen-prosessen deres. Akkurat på samme måte som ICIs tidligere arbeid hadde også denne forskningen et spenningselement i seg, til og med fare, fordi aluminiumalkyl-forbindelsene er pyrofore – det betyr at de tar fyr av seg selv i luft!

Zieglers gruppe fant at de noen ganger fikk et hvitt pulver som helt åpenbart var polyetylen, men som var mer krystallinsk og hadde høyere smeltepunkt enn det som ble produsert med ICI-metoden. Aluminiumtrialkyl-forbindelsen katalyserte polymerisasjonen av etylen. Denne oppdagelsen lot til å kunne utvide rekkevidden for polyetylenets utnyttbare egenskaper. Forskerne oppdaget også at «spor av kollidalt nikkel som tilfeldigvis ble igjen i en reaktor» og/eller «spor av forurensninger i stålreaktoren» fikk polyetylenproduksjonen til å gå merkbart bedre enn under omhyggelig rene betingelser.

Plastkomponenter brukes blant annet i knekirurgi, kunstige reservedeler for hofte, kne og andre ledd. Til høyre er Karl Zieger som utviklet katalysatorer for polymerisasjon.

Disse skarpsindige observasjonene fikk dem til å lete etter bedre systemer for å katalysere polymerisasjonen av etylen, og i løpet av noen få år viste de at de kunne produsere polyetylen ved hjelp av en katalysator som var laget ved å reagere trialkylaluminium-forbindelser med innskuddsmetallforbindelser som zirkonium- eller titantetraklorid. Noe som var enda mer forbløffende var at denne prosessen produserte en stort sett lineær (med få eller ingen forgreninger) høymolekylær polymer ved romtemperatur og omkring en atmosfæres trykk.

Dette polyetylenet var forskjellig fra det som ble laget ved av ICI høyt trykk og temperatur. Ikke bare var det mer krystallinsk, men det hadde også høyere molekylvekt, høyere tetthet og bedre bearbeidings- og slitasjeegenskaper. Det ble derfor kalt «high density polyetylen» (HDPE).

Zieglers metode tillot produsentene å unngå de kostbare kravene til høy temperatur og høyt trykk. Det ga dem også et potensielt nytt produkt, med flere overlegne egenskaper og billigere, som kunne brukes på en rekke spennende nye måter.

De fant at filmer med samme eller høyere styrke kunne lages mye tynnere enn av det konvensjonelle materialet, noe som hadde åpenbare økonomiske og miljømessige fordeler. Når det blir blandet med kalsiumhydroksyapatitt og bearbeidet på riktig måte utgjør det en tilfredsstillende erstatning for beinsubstans i rekonstruktiv kirurgi. Videre gir den langkjedede, rette og så godt som defektfrie formen av polyetylen som fås med Zieglers katalysatorer mulighet for å produsere svært velordnede strukturer av polymerkjeder, som igjen gjør det mulig å produsere fiber og dermed tau som kan konkurrere i styrke med stålvaiere og har fordelen av å være lette og rustfire.

Amerikansk fotball

En ny form av materialet er en type kompositt, noe lignede glassforsterket plast («glassfiber»). Det har fibrer der polyetylenmolekylene har en høy grad av orden, i en matriks av vanlig polyetylen. Det har egenskaper som gjør det egnet for beskyttelse av følsomme elektroniske komponenter, så vel som følsomme deler av mennesker som deltar i sportsaktiviteter som blant annet amerikansk fotball!

Zieglers hovedpatent skriver seg fra 1953, men innovasjonsprosessen stoppet ikke der. I årene etter har det vært stor framgang i utformingen av katalysatorer, både homogene og heterogene, som gir forbedret kontroll over polymerens struktur og egenskaper. Det er rimelig å anta at vitenskapen og teknologien om produksjon og behandling av dette veldig variasjonsrike og verdifulle materialet fremdeles har en lang utvikling foran seg.