Historia de los polímeros: baquelita o fenólico

En 1863, un año después de que la parkesina plástica a base de nitrocelulosa recibiera la medalla de bronce en la Gran Exposición Internacional de Londres, nacía en Bélgica Leo Baekeland.

Hijo de padres analfabetos, Baekeland obtuvo su doctorado a la edad de 21 años, tras estudiar con Theodore Swarts, asistente principal de Friedrich August Kekulé en la Universidad de Bonn, Alemania.

Historia y contribuciones de Kekulé

A Kekulé se le atribuye el trabajo de la estructura del benceno, sustancia química fundamental para gran parte de la química de los polímeros y estrechamente relacionada con el fenol, uno de los productos químicos clave para la historia del primer polímero verdaderamente sintético.

Baekeland también era un entusiasta de la fotografía, y durante sus años de escuela secundaria y universidad trabajó con un químico local que había establecido una fábrica para producir las primeras placas fotográficas secas hechas en Europa.

Las primeras placas secas hacían uso de reveladores químicos que tenían un olor desagradable y podían ser difíciles de trabajar. Baekeland se dio cuenta de ello y poco después de terminar su doctorado inventó una placa seca recubierta con una emulsión hidrosoluble que podría sumergirse en agua para activar el revelado. En 1887 obtuvo en Bélgica una patente para este avance.

En 1889, Baekeland y su esposa viajaron a Nueva York, donde conoció a Richard Anthony, director de una compañía que fabricaba películas, papeles y cámaras fotográficas y empezó a trabajar con él.

Esta fue la misma compañía que compraría la Goodwin Camera and Film Company, de Hannibal Goodwin, una década después. Goodwin había desarrollado una película de celuloide viable dos años antes que George Eastman (fundador de Eastman Kodak), pero la expedición de su patente se había retrasado 11 años, lo que dio lugar a la demanda sobre la que ya hablamos en el artículo del mes pasado.

Baekeland trabajó para Anthony durante dos años, y luego de una enfermedad y algunos tiempos de vacas flacas tratando de ganarse la vida como consultor independiente, se centró en el desarrollo de un papel fotográfico para imprimir ampliaciones. En los inicios de la historia de la fotografía, la impresión se realizaba con la ayuda de la luz natural proporcionada por el sol.

La conexión entre Baekeland y la industria eléctrica

El avance de Baekeland, que llegó tras dos años de investigación, produjo un papel con la emulsión de cloruro de plata en estado coloidal, lo suficientemente sensible a la luz como para lograr el revelado con luz artificial, sin necesidad de luz solar. Baekeland llamó al producto Velox.

Entre las primeras aplicaciones de la baquelita (fenólica) estuvieron los teléfonos.

Para la mayoría de gente de esa época, la fuente de la luz artificial habría sido la luz de gas. Sin embargo, la introducción de la luz eléctrica por parte de Edison, también figura clave en los avances del celuloide, pronto cambiaría esta situación.

Si bien los fotógrafos profesionales en general no adoptaron este nuevo papel, se hizo muy popular entre los fotógrafos aficionados y creó un mercado que atrajo la atención de nadie menos que de George Eastman. En 1898 Eastman compró la compañía que Baekeland había fundado con dos socios, por 750.000 dólares, aproximadamente 22 millones en dólares de hoy.

Todas estas intersecciones con otros actores importantes en las industrias química y energética simplemente no hicieron más que preparar el terreno para la investigación a la que Baekeland pudo dedicarse gracias a su seguridad financiera. Las condiciones de la venta de su compañía a Eastman incluían un acuerdo de no competencia, que le impedía a Baekeland participar en cualquier investigación sobre fotografía durante veinte años.

Con su formación en química, su talento para la experimentación, su buen instinto para identificar problemas sin resolver y sin la necesidad de trabajar para ganarse la vida, Baekeland estableció una finca en Yonkers, Nueva York, y se puso a trabajar en un problema apremiante, parecido al que había llevado al desarrollo del celuloide.

El desafío de la goma laca y la industria eléctrica

El celuloide había sido desarrollado para resolver la escasez de marfil. La rápida expansión de la industria eléctrica en las últimas dos décadas del siglo 19 y que se extendió hasta principios del siglo 20 creó un nuevo cuello de botella en otro material natural, la goma laca.

La goma laca la fabrican los escarabajos de laca cuando extraen la savia de los árboles y segregan una resina. Esta se extrae de los árboles y se procesa calentándola y filtrándola para producir el compuesto puro. Se estima que se requieren más de 100.000 escarabajos de laca para producir un kilogramo (2.2 lb) de goma laca.

En la época anterior a la electrificación, las bajas tasas asociadas con la producción tradicional de goma laca eran suficientes para satisfacer la demanda de lacas y conservantes de productos de madera. Pero la industria eléctrica creó una gran demanda de goma laca debido a sus excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y su capacidad de sellado contra la humedad.

La demanda aumentó aún más cuando la goma laca se convirtió en el material preferido para el prensado de discos de fonógrafo, otra intersección con el mundo de Edison (había inventado el fonógrafo en 1877). El PVC reemplazaría a la goma laca en esta aplicación en la década de 1940.

La historia industrial de la goma laca tiene un parecido sorprendente con la del caucho. Un polímero natural que solo podía derivarse en pequeñas cantidades y que se encontraba principalmente en el sudeste asiático se había convertido en un obstáculo importante para el rápido desarrollo de la tecnología que ocurría en Europa y Norteamérica, muy lejos de la fuente. Y al igual que el caucho natural, la goma laca carecía de algunas características de rendimiento deseadas.

¿Qué es la baquelita (o baekelita)?: el primer polímero verdaderamente sintético

En primer lugar, es un termoplástico, con un punto de fusión de aproximadamente 75 °C (167 °F). Por lo tanto, se ablanda incluso a temperaturas moderadas. Los aislantes de alto voltaje que generan temperaturas relativamente altas funden la goma laca. Y aunque se puede mezclar con rellenos como la harina de madera para hacer un compuesto moldeable, tiene una dureza superficial relativamente baja y su aplicación puede ser muy laboriosa.

Cinco años de investigación de Baekeland dieron como resultado una patente en 1907 para “Mejoras en los métodos de fabricación de productos de condensación insolubles de fenoles y formaldehído”. Baekeland bautizó el producto con el nombre de baquelita, nombre que todavía aparece ocasionalmente en la literatura de la industria.

Incluso se abrió un Museo de Baquelita en Somerset, Inglaterra, en 1983, para mostrar la historia de los productos hechos de baquelita. Si bien ahora está cerrado y en busca de una nueva sede, aún tiene un sitio web. El reactor que Baekeland diseñó para producir la resina fue llamado Bakelizer.

Actualmente, el material es conocido por su denominación más general, fenólico. Se trata de un polímero de condensación, como sugiere el título de la patente, y la naturaleza de esta reacción química contribuyó a muchos de los desafíos en la fabricación del material.

Pero el resultado fue el primer polímero verdaderamente sintético, un material que no dependía de un producto natural que luego se modificaba. Y era un polímero termoestable como el caucho vulcanizado, pero no contenía azufre y mostraba propiedades de resistencia, rigidez, resistencia al calor y durabilidad a largo plazo mucho más altas.

Inmediatamente se impuso como un aislante eléctrico con mejor resistencia eléctrica que la mica o la porcelana, era más resistente al calor que la goma laca, tenía mayor resistencia al impacto que el vidrio o la cerámica, y poseía una excelente resistencia a una amplia gama de ácidos, alcoholes, grasas y aceites.

Y en una notable intersección con el celuloide, se descubrió que el fenólico tenía lo que hoy llamamos propiedades viscoelásticas, similares a las del marfil, que lo convertían en el material ideal para las bolas de billar. Así se logró el objetivo de John Wesley Hyatt de proporcionar un reemplazo sintético para el marfil.

Hyatt seguía operando su compañía de bolas de billar desde su fundación en 1868, con mejoras graduales en sus formulaciones a base de celuloide. Sin embargo, en 1912 cambió al fenólico en reconocimiento a su rendimiento superior.

Si bien Baekeland obtuvo la patente que lanzó el desarrollo comercial del fenólico, la reacción química que produjo un prototipo del compuesto en realidad se había descubierto más de treinta años antes.

A través de una serie de callejones sin salida y accidentes afortunados, la química que empleó una reacción entre el formaldehído y otros compuestos orgánicos para producir materiales termoestables útiles evolucionó a través de los esfuerzos de varios químicos e inventores talentosos. Y tras la invención siguieron los desafíos de la comercialización y los inevitables pleitos. Veremos esta parte de la historia en nuestra próxima entrega.

Acerca del autor

Michael Sepe.

Michael Sepe

Consultor independiente sobre materiales y procesamiento, a nivel global, cuya compañía, Michael P. Sepe, LLC, tiene su sede en Sedona, Arizona. Tiene más de 40 años de experiencia en la industria del plástico y asesora sus clientes en selección de materiales, diseño para manufactura, optimización de procesos, solución de problemas y análisis de fallos. Contacto: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com