デビッド・スペンス（ゴム化学）

ゴム生産の初期には、アマゾン川沿いの地域に自生するヘベア・ブラジリエンシスという木から高品質の天然ゴムが得られていました。^{[ 5 ]} 高品質のゴムは、高い引張強度（2800 psi 以上）や 2 時間という加硫時間など、望ましい特性を示していました。加硫とは、天然ゴムを、元素硫黄架橋または促進剤と呼ばれる他の分子で異なるポリマー鎖を架橋することによって強化するプロセスです。しかし、高品質の天然ゴムは高価で、1 ポンドあたり 1.50 ドルを超えていました。^{[ 5 ]}ダイヤモンド ラバー社は、低品質のゴムの特性を改善するために、ヨウ化水銀やアニリン などのさまざまな添加剤を試しました。これらの添加剤をわずか 2.5 ～ 6 パーセント加えるだけで、低品質ゴムの引張強度が 1800 psi から 2800 psi に向上し、加硫時間が 90 分に短縮されました。しかし、これらの添加剤はゴムの寿命に悪影響を及ぼしました。1912 年、スペンスはダイヤモンド ラバー社のジョージ オエンスラガーと協力し、これらの欠点を克服するためのさまざまな添加剤を発見しました。オエンスラガーのアニリン添加剤を基に、スペンスはp-アミノジメチルアニリンがはるかに優れた促進剤であり、加硫プロセスに 0.5 重量パーセント加えるだけでゴムの引張強度を大幅に向上させることができることを発見しました。^{[ 5 ]} p-アミノジメチルアニリンは 1912 年にダイヤモンド ラバー社によって優先的に採用された促進剤となりました。 ^{[ 6 ]}

第二次世界大戦中、連合軍は、日本がアメリカのマレーシアのゴム農園へのアクセスを遮断したため、ラテックスゴムの不足に悩まされました。スペンスは他の連合軍の科学者たちと共に、別の天然ゴム資源の確保に奔走しました。パルテニウム・アルゲンタツム（一般的にはグアユールと呼ばれる）から得られるラテックスは、グアユールから生産される加硫ゴムの特性がマレーシアのゴム農園から生産されるゴムの特性と似ているため、代替ゴムとして理想的な候補でした。^{[ 7 ]}グアユールからのラテックスは、アセトン を使用したラテックスの溶媒抽出によって1876年に初めて製造され、この抽出プロセスは1930年代までダイヤモンド・ラバー・カンパニーによって商業的に使用されました。^{[ 7 ] [ 8 ]} しかし、アセトン抽出プロセスは第二次世界大戦によってもたらされた大量のゴム需要を満たすにはコストが高すぎたため、ラテックスを抽出するためのより従来型の機械的処理方法の開発が推進されました。^{[ 7 ]} グアユールからラテックスを生産する際の大きな生産上の課題は、グアユールの収穫から加工までの長い保管期間のために、抽出されるラテックスの質量とラテックスの引張強度の両方が低下することでした。^{[ 7 ]} スペンスはインターコンチネンタル・ラバー社からこの課題を解決するよう依頼されました。

スペンスは、従来の機械的手法でグアユールから生産されるゴムの品質と収量の両方を向上させる方法論を1933年に特許取得した。^{[ 8 ]} 調査の結果、スペンスは、グアユールの乾燥がラテックスの収量と品質の両方の大きなばらつきの原因であると判断した。^{[ 8 ]} スペンスのグアユール低木の処理における浸漬プロセスは、グアユール植物から抽出されるゴムの収量と品質の両方の均一性を向上させた。浸漬プロセスには、粉砕したグアユール植物を1%パラジメチルフェニルアミン溶液に浸漬することが含まれており、これにより、自然に存在する細菌と酵素が不要な植物物質を水溶性の副産物に分解し、植物の天然ゴムの酸化損失を防ぐことができる。これらの副産物は、その後、製粉プロセス中に洗い流すことができる。^{[ 8 ]} 浸漬処理により、グアユールの製粉抽出プロセスが6%以上改善され、引張強度が1800～2000 psiから2800 psi以上に向上し、ゴムの木の引張強度に匹敵するようになった。^{[ 8 ]}

残念ながら、グアユール工場のゴムはアメリカのゴム需要を満たせなかった。フランクリン・D・ルーズベルト大統領は約100万トンのゴムを備蓄していたが、アメリカの年間消費量は60万トンだった。^{[ 9 ]}そのため、ゴム不足を回避するために追加のゴム供給が必要だった。ゴムはさまざまな軍需物資の製造に使われていたため、これはアメリカの戦争機構にとって深刻な脆弱性となるだろう。ルーズベルト大統領はアメリカのゴム産業と石油産業に合成ゴム代替品を迅速に設計・実装するよう命じ、その結果、両産業が急速に拡大した。^{[ 9 ]} ゴム不足を解決するために、スペンスとグッドイヤー、ファイアストン、グッドリッチ、ニュージャージー・スタンダードの科学者たちは特許共有協定の下で協力した。^{[ 9 ]} 合成ゴムプロジェクトの目標は、イソプレンモノマーを合成的に生産するか、複数のモノマーを組み合わせてゴムの適切な合成代替品を生産することだった。スペンスは、アレクサンダー・クラーク博士とともに、2,3-ジメチルブト-1-エン-3-オールと他のアルコールを氷酢酸で脱水することにより、合成イソプレンを製造する方法を提供した。^{[ 10 ]}イソプレンモノマーの合成への貢献により、スペンスはチャールズ・グッドイヤー・メダルの最初の受賞者となった。^{[ 2 ]}

グッドイヤーで働いていたとき、スペンスはゴムの加硫と着色染料の塗布のプロセスを変更しました。従来、加硫は硫黄やその他の促進剤を使用して空気中で行われていました。^{[ 11 ]}脱硫を 観察しているときに、スペンスは分解生成物がシステム内の酸素含有量に依存し、酸素がないとゴムが脱硫しないことに気づきました。これらの観察に基づいて、スペンスはキノンや有機過酸化物などの有機酸化剤を使用して、酸素、硫黄、促進剤を使用しない加硫プロセスを開発しました。スペンスの加硫プロセスでは、ラテックス混合物をpH 7の緩衝溶液に入れ、窒素の不活性雰囲気下で混合物に有機酸化剤を塗布する必要がありました。^{[ 11 ]}

スペンスは加硫工程を再開発するだけでなく、生ゴムに染料を適用する方法も開発した。^{[ 12 ]}スペンスの方法以前は、染料はゴムの加工中に適用されていた。これはコストがかかりすぎ、染料の熱分解によって制限されていた。^{[ 12 ]}ゴム製品をアミン染料、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、硫酸の吸着剤浴に浸漬することで、染料をゴムマトリックスに共有結合させることができた。溶液中のアミンはゴムマトリックス中の第一級アミンと反応し、ゴム繊維上にアゾ染料を形成した。このゴム染色方法は、生ゴム、加硫ゴム、その他の製造ゴム製品に適用できることがわかった。^{[ 12 ]}