Элмер Кейзер Болтон

Элмер Кейзер Болтон (23 июня 1886 — 30 июля 1968) — американский химик и директор по исследованиям компании DuPont , известный своей ролью в разработке неопрена и руководстве исследованиями, которые привели к открытию нейлона .

Личная жизнь

Болтон родился во Франкфорде, Филадельфия , Пенсильвания, старший из двух братьев. Его отец управлял мебельным магазином на Мейн-стрит, и он, и его брат посещали государственную школу во Франкфорде, а затем поступили в колледж. Болтон поступил в Бакнеллский университет в Льюисбурге , штат Пенсильвания , и прошел классический курс , получив степень бакалавра в 1908 году. Оттуда он поступил в Гарвардский университет , получив степень AM в 1910 году и докторскую степень. по органической химии в 1913 году. Его руководителем диссертации был Чарльз Лоринг Джексон , а его диссертация касалась химии периодохинонов .

Несколькими другими выдающимися современниками Болтона в аспирантуре Гарварда были Роджер Адамс , Фаррингтон Дэниэлс , Фрэнк К. Уитмор , Джеймс Б. Самнер и Джеймс Брайант Конант . Адамс оказал особенное влияние на карьеру Болтона. У них были разные интересы, но стремление к достижениям в области органической химии. В последующие годы Адамс оказал значительное влияние на идеи Болтона о промышленной поддержке химических исследований и студентов университетов.

В 1913 году Болтон выиграл стипендию Шелдона, по которой он в течение двух лет работал в Институте кайзера Вильгельма под Берлином , Германия, с профессором Рихардом Вильштеттером . Здесь он работал над антоцианами, крупной программой Вильштеттера, и опубликовал три статьи по выделению и структуре антоциановых пигментов . Вильштеттер, очевидно впечатленный способностями Болтона, но разочарованный его склонностью совершать арифметические ошибки, прокомментировал: «Вы, должно быть, были кассиром в банке». К его удивлению, Болтон ответил, что он был кассиром в банке и именно так он оплачивал обучение в колледже.

Болтон был очень впечатлен осторожным и логичным подходом Вильштеттера к решению исследовательской проблемы. Он считал, что это результат хорошей подготовки в немецкой университетской системе. Он также наблюдал за взаимоотношениями между немецкими университетами и промышленностью, аналогов которым в Соединенных Штатах не было. Еще одним аспектом немецких исследований, который произвел впечатление на Болтона, были усилия по созданию искусственного каучука. Эта работа имела важное значение для немецкой промышленности, а затем и для военных действий Германии во время Второй мировой войны , поскольку Германия не имела прямого доступа к источникам натурального каучука. Кроме того, подход, используемый немцами, несомненно, привел к разработке неопренового каучука несколько лет спустя в лабораториях DuPont.

Болтон женился на Маргарите Л. Дункан в 1916 году, и у них родилось трое детей: дочь и два сына. Он ушел из DuPont после выдающейся карьеры в 1951 году, но продолжал следить за научной литературой. Он умер 30 июля 1968 года в возрасте восьмидесяти двух лет.

Первая мировая война и DuPont

С 1870-х годов до начала Первой мировой войны (1914 г.) органическая химическая промышленность Германии была ведущей в мире силой в области исследований, разработок, производства и экспорта ; большинство органических соединений, используемых в Америке, таких как текстильные красители и некоторые лекарства, были импортированы из Германии. Нарушение этой торговли войной поначалу представляло собой промышленную проблему, но одновременно давало возможность американским химическим компаниям удовлетворить потребности военного времени и лучше утвердиться в этой области. Когда Болтон вернулся из Германии в 1915 году, он обнаружил, что американские химики-органики изо всех сил пытаются разработать методы производства этих соединений. Компания Dupont нуждалась в химиках и в 1915 году наняла Болтона.

Болтон присоединился к химическому отделу экспериментальной станции недалеко от Уилмингтона , штат Делавэр , где проводилась большая часть исследований DuPont. Готовясь к карьерному росту, он начал работать над синтезом глицерина. К 1916 году Болтон был выбран руководителем группы красителей , которая была недавно сформирована для исследования синтеза красителей. В то время в Соединенных Штатах было мало знаний о производстве красителей, поэтому позже, в 1916 году, Болтон отправился в Англию, чтобы узнать о британской технологии в этой области, а по возвращении его направили в офис в Уилмингтоне консультантом по красителям и промежуточным продуктам. В 1918 году он перешел в отдел красителей и был помощником генерального директора завода в Лоди, где производились красители для шелка. В 1919 году он вернулся на химический факультет в качестве менеджера органического отдела. За это время он многое узнал о разработке производственных процессов и разработал два принципа; что высокий приоритет должен быть отдан эффективности затрат и времени на исследования, и что производственный процесс должен быть усовершенствован с использованием чистых материалов, а затем адаптирован к использованию материалов, доступных на заводе. Друг Болтона из Гарварда Роджер Адамс разделял большую часть философии Болтона в своей работе в Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн .

В 1922 году компания DuPont реорганизовала свои исследования, разделив все исследовательское предприятие на четыре части, каждая из которых была закреплена за одним из четырех производственных участков. Болтон был назначен директором по исследованиям отдела красителей, где его способности на этом посту быстро проявились. Производство красителей требует синтеза большого количества промежуточных соединений, и Болтон понял, что их можно использовать во многих сферах деятельности за пределами отдела красителей. К 1923 году его лаборатория работала над ускорителями для производства синтетического каучука и вскоре после этого расширила исследования, включив в них антиоксиданты для бензина и каучука, флотационные агенты , инсектициды , дезинфицирующие средства для семян и крупномасштабное производство тетраэтилсвинца .

Закон Стивенсона и синтетический каучук

В начале 1920-х годов спрос и предложение натурального каучука стали проблемой в международной торговле. После борьбы за каучук во время Первой мировой войны, когда война закончилась, возник перенасыщение, что привело к снижению цен. В ноябре 1922 года Англия приняла Закон Стивенсона , призванный защитить производителей каучука путем ограничения производства и предотвращения губительно низких цен. Но это вызвало большую обеспокоенность в Соединенных Штатах, поскольку для поддержки растущего числа используемых автомобилей требовалось расширение поставок каучука. Синтетический каучук как практичный, долговечный и доступный товар был проблемой, над которой химики не могли справиться в течение многих десятилетий. Болтон увидел в этом подходящее время для начала исследований DuPont в области синтетического каучука. Однако всерьез эти исследования начались только в 1925 году, когда высокая цена на каучук привлекла значительное внимание и другие ученые, такие как Томас Эдисон, также проявили интерес к этой проблеме.

Работа группы Болтона над синтетическим каучуком началась с , и поначалу особого прогресса не полимеризации бутадиена, полученного при гидрировании диацетилена было достигнуто. В конце 1925 года Болтон познакомился с химиком Джулиусом Артуром Ньюландом из Университета Нотр-Дам , который открыл способ полимеризации ацетилена с использованием из оксида меди катализатора . К сожалению, полученный полимер взорвется при ударе, но Болтон считал, что процесс можно модифицировать для получения стабильного соединения, которое заменит бутадиен в реакции. Болтон пригласил Ньюланда в проект в качестве консультанта DuPont, и Ньюланд научил химиков DuPont, как использовать его катализатор. Был разработан реактор непрерывного действия , который обеспечит хороший выход стабильного полимера, который искал Болтон. Хотя полимер обладал высокой химической стойкостью, он разрушался под воздействием света.

В 1927 году химический директор DuPont К.МА. Стайн убедил компанию заняться фундаментальным исследованием синтетического каучука и получил для этой цели финансирование в размере 250 000 долларов. В 1928 году Уоллес Каротерс , преподаватель Гарвардского университета, был нанят, чтобы возглавить вновь сформированную группу. Болтон работал в этой группе и к 1929 году обнаружил, что его полимер можно легко превратить в 2- хлорбутадиен ( хлоропрен ) катализируемым медью добавлением хлористого водорода . Этот материал был химически стойким и светостойким, обладая свойствами синтетического каучука.

О новом материале было объявлено в Резиновом отделе Американского химического общества 2 ноября 1931 года, и он получил торговую марку Дюпрен. (сегодня общее название — неопрен ). К этому времени Закон Стивенсона был отменен, и Великая депрессия началась . Цены на каучук были низкими, а стоимость нового материала в двадцать раз превышала стоимость натурального каучука. Таким образом, первый неопрен компании DuPont так и не стал заменителем натурального каучука, но он нашел коммерческое применение там, где требовалась резиновая смесь, более устойчивая к маслам и разрушению под воздействием внешних факторов. Таким образом, он внес важный экономический вклад, хотя и иначе, чем его первоначальная концепция: вместо замены запасов натурального каучука, как предполагалось, он увеличил их и расширил сферу применения каучука (как в натуральной, так и в искусственной форме). Сегодня неопрена можно найти в следующих сферах: надувные лодки с жестким корпусом ; гидрокостюмы и гидрокостюмы ; перчатки , подшлемники , спальные мешки , сапоги до колена , гидроноски и другая защитная одежда; радиопоглощающий материал ; сантехническое оборудование ; прокладки , шланги , уплотнения и ремни ; поролон ( коврик для мыши , гидрокостюм ); ортопедические брекеты ; и твердотопливное ракетное топливо ( см. AGM-114 Hellfire ).

Синтетические волокна

Когда Уоллес Карозерс прибыл в DuPont в 1928 году, одной из задач, которую взяла на себя его группа, была разработка новых синтетических волокон для текстиля . ряд натуральных полимеров, таких как латекс и целлюлоза В то время широко использовался , вискоза как полусинтетический продукт из нитрованной целлюлозы недавно был усовершенствован и начал разрушать текстильную промышленность. и некоторые полностью синтетические полимеры, такие как бакелит, также были известны и использовались для определенных применений, но существующие полностью синтетические полимеры нельзя было вытягивать в волокна и скручивать в нити, поэтому существовала прекрасная возможность производить нити и пряжу из синтетических полимеров для соединения или заменить существующие на рынке волокна ( натуральные волокна , такие как хлопок , шерсть , лен и шелк , а также искусственные волокна в различных недавно появившихся типах вискозы).

Подход, принятый группой Каротерса, заключался в адаптации известных методов синтеза, в результате которых производились полимеры с короткой цепью, для производства молекул с длинной цепью. Первым прорывом стало открытие того, что бифункциональная этерификация может производить длинные молекулярные цепи, которые сегодня известны как алифатические полиэфиры , но в то время назывались суперполимерами . Затем было ключевое наблюдение Джулиана В. Хилла в апреле 1930 года, когда было видно, что суперполимеры можно вытягивать в расплавленном состоянии с образованием тонких прозрачных волокон, которые были намного прочнее, чем полимеры в невытянутом состоянии. Однако суперполимеры, которые группа смогла синтезировать, либо имели слишком низкую температуру кипения и недостаточное химическое сопротивление, либо имели слишком высокую температуру плавления для прядения. К концу 1932 года весь проект был свернут.

Болтон, ныне директор химического факультета, отказался сдаваться. Скорее всего, ему было известно о повторном открытии полиэтилена Эриком Фосеттом и Реджинальдом Гибсоном в компании Imperial Chemical Industries в 1933 году. В начале 1934 года Болтон призвал Карозерса продолжить исследования, и Карозерс решил еще раз взглянуть на полиамиды .

Карозерс предположил, что проблема с полиамидами, полученными из ε- аминокапроновой кислоты , связана с реакциями циклизации , поэтому он заменил ε- аминокапроновую кислоту 9- аминононовой кислотой , которая не подвергалась циклизации. Это дало обнадеживающие результаты, поэтому группа Каротера получила полиамиды из множества соединений, включая аминокислоты , двухосновные кислоты и диамины . Ведущим кандидатом на разработку стал полиамид 5/10, изготовленный из пентаметилендиамина и себиновой кислоты . Он имел правильную температуру плавления, желаемые свойства волокна и его можно было формовать без образования геля .

В этот момент Болтон принял смелое и характерно дальновидное решение. Он решил, что практичные синтетические волокна не могут быть изготовлены из касторового масла , единственного практического источника себациновой кислоты . Использование сельскохозяйственной продукции в качестве основного сырья означало бы, что новый синтетический материал столкнется с теми же проблемами массового производства, что и существующие натуральные волокна. Вместо этого он хотел использовать бензол в качестве сырья для производства адипиновой кислоты и гексаметилендиамина, чтобы получить полиамид 6/6.

Этот полимер был впервые изготовлен в начале 1935 года, и благодаря одновременному развитию технологий прядения полиаминов его можно было прясть в волокна. Волокна обладали высокой прочностью и эластичностью, были нечувствительны к обычным растворителям и плавились при температуре 263 °C, что значительно выше температуры глажки.

Болтон настоял на том, чтобы каждый аспект синтеза этого полимера был тщательно отработан на пилотной установке Экспериментальной станции. Он настаивал на том, чтобы разработка начиналась с чистых материалов, а затем была адаптирована для использования материалов, доступных на заводе в больших количествах.

27 октября 1938 года компания DuPont объявила, что построит завод в Сифорде, штат Делавэр, по производству нейлона , первого в мире полностью синтетического волокна. Завод в Сифорде, по сути, представлял собой увеличенную версию пилотного завода и имел на удивление безаварийный запуск.

Публикации

• Э.К. Болтон, Разработка нейлона , промышленная и инженерная химия (январь 1942 г.)
• Двадцать один патент США

Награды и почести

Бакнеллский университет :

• • Почетный доктор наук. степень (1932)
  • Попечительский совет (1937-1967)
  • Почетный попечитель (1967–1968)
• Университет штата Делавэр , почетный доктор наук. степень (1942)
• Комитеты посещения Массачусетского технологического института (1938–1939)
• Комитеты посещения Гарвардского университета (1940–1941)
• Американское химическое общество :
  • региональный директор (1936-1938)
  • директор по особым поручениям (1940-1943)
• Консультативный совет по промышленной и инженерной химии и новостям химического машиностроения (1948-1949)
• Медаль химической промышленности (1941 г.).
• ( Медаль Перкина 1945)
• Избран в Национальную академию наук (1946).
• Медаль Уилларда Гиббса (1954 г.)

Ссылки

Библиография

• Даттон, Уильям С. (1942), Дюпон: сто сорок лет , Сыновья Чарльза Скрибнера, LCCN   42011897 .
• Роберт М. Джойс, Биографические мемуары Элмера Кейзера Болтона , т. 54, стр. 50, Национальная академия наук (1983)
• Патрик Дж. МакГрат, Ученые, бизнес и государство, 1890–1960 гг. , UNC Press (3 января 2002 г.), ISBN   0-8078-2655-3
• Наследие DuPont: Элмер К. Болтон
• DuPont Heritage: Лаборатория Джексона
• 1903: Фундаментальные исследования

Внешние ссылки

• Биографические мемуары Национальной академии наук