Cao su tự nhiên từng là vật liệu đầy hứa hẹn nhưng thất thường: trời nóng thì mềm và dính như kẹo kéo, trời lạnh lại cứng và nứt. Nó có thể làm áo mưa, ống mềm hay đế giày trong chốc lát, rồi phản bội người dùng chỉ vì thời tiết đổi mùa. Charles Goodyear dành nhiều năm nghèo túng để thuần hóa tính khí ấy, và bước ngoặt đến từ một tai nạn nóng bỏng trên bếp lò năm 1839.

Nguồn gốc và tai nạn trên bếp lò

Goodyear không phải nhà hóa học được đào tạo bài bản; ông là nhà sáng chế và doanh nhân ở Connecticut bị cuốn vào cơn sốt cao su đầu thế kỷ 19. Khi các sản phẩm cao su ban đầu hư hỏng hàng loạt vì nóng chảy và bốc mùi, nhiều công ty phá sản, còn Goodyear vẫn tin rằng vấn đề nằm ở cách xử lý vật liệu. Ông thử trộn cao su với đủ thứ: magnesia, vôi, axit nitric và nhiều phụ gia khác. Một số cách làm bề mặt khô hơn, nhưng lõi vật liệu vẫn yếu khi gặp nhiệt.

Mảnh ghép quan trọng đến từ Nathaniel Hayward, người đã dùng lưu huỳnh và nhận thấy cao su bớt dính bề mặt. Goodyear mua quyền sử dụng hướng thử nghiệm ấy rồi tiếp tục tìm điều kiện để lưu huỳnh tác động sâu vào toàn khối cao su. Theo lời kể của các tiểu sử gia, năm 1839 tại Woburn, Massachusetts, một mẩu cao su đã trộn lưu huỳnh của Goodyear vô tình chạm vào bếp lò nóng. Thay vì tan chảy thành thứ nhựa dính, phần bị nung lại dai, đàn hồi và giống như da thuộc cháy cạnh.

Tai nạn chỉ mở cửa; nó không tự biến thành công nghệ. Goodyear mất thêm nhiều năm thử tỷ lệ lưu huỳnh, nhiệt độ và thời gian nung để quá trình lặp lại ổn định. Ông nhận bằng sáng chế Mỹ cho phương pháp lưu hóa vào năm 1844. Ở Anh, Thomas Hancock cũng nhận bằng sáng chế liên quan năm 1843, dẫn đến tranh chấp về ưu tiên. Dù vậy, tên tuổi Goodyear gắn chặt với khoảnh khắc con người học cách “khóa” cao su tự nhiên thành vật liệu kỹ thuật.

Nguyên lý và cách hoạt động

Về bản chất, cao su tự nhiên là tập hợp các chuỗi phân tử polyisoprene dài, mềm và dễ trượt lên nhau. Khi nóng, các chuỗi chuyển động mạnh, vật liệu chảy dính; khi lạnh, chúng kém linh hoạt, cao su trở nên cứng giòn. Lưu hóa thay đổi cấu trúc ở cấp độ phân tử. Dưới tác dụng của nhiệt, nguyên tử lưu huỳnh tạo cầu nối giữa các chuỗi polymer, giống như thêm những chiếc đinh tán vô hình vào một tấm lưới mềm.

Khi số cầu lưu huỳnh vừa đủ, các chuỗi không còn trượt tự do, nhưng vẫn có thể kéo giãn rồi bật trở lại. Đó là lý do cao su lưu hóa giữ được đàn hồi trong khoảng nhiệt rộng hơn, khó chảy dính, bền kéo tốt hơn và chống mài mòn tốt hơn cao su sống. Nếu lưu huỳnh quá ít, sản phẩm vẫn mềm và yếu; nếu quá nhiều, vật liệu trở thành ebonite cứng, dùng cho vỏ cách điện, miệng kèn hoặc chi tiết chịu hóa chất.

Quy trình công nghiệp sau Goodyear còn thêm chất xúc tiến, chất độn như muội than, dầu mềm và phụ gia chống lão hóa. Muội than đặc biệt quan trọng với lốp xe vì nó tăng độ bền và khả năng chịu mài mòn. Nhưng nguyên lý cốt lõi vẫn là mạng liên kết chéo bằng lưu huỳnh: biến nhựa cây thất thường thành chất đàn hồi có thể thiết kế theo mục đích, từ gioăng mỏng mềm đến lốp xe tải chịu tải nặng.

Tác động và quá trình phát triển

Ngay khi cao su ổn định hơn, danh mục ứng dụng bùng nổ. Áo mưa, ủng, ống dẫn, đai truyền, đệm giảm chấn, bóng, đồ y tế và vô số chi tiết máy có thể được sản xuất với độ tin cậy cao hơn. Trong nhà máy, dây đai cao su và gioăng kín giúp máy hơi nước, bơm và đường ống vận hành kín, giảm rò rỉ. Trong đời sống, cao su đi vào những vật nhỏ đến mức người dùng ít khi để ý: tẩy, dây thun, đế giày và núm bình sữa.

Cuộc cách mạng lớn nhất đến cùng xe đạp và ô tô. Lốp đặc cao su, rồi lốp hơi có săm và lốp không săm, cần một vật liệu vừa đàn hồi, vừa chịu ma sát, nhiệt và tải trọng. Nếu không có lưu hóa, cao su khó có thể trở thành nền của ngành lốp. Các nhà sản xuất sau này như Dunlop, Michelin và Firestone xây dựng đế chế trên một vật liệu mà Goodyear đã làm cho đủ bền để rời phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, nhu cầu cao su tăng vọt kéo theo đồn điền ở Đông Nam Á, khai thác dã man ở Congo và Amazon, cùng những hệ lụy thuộc địa đẫm máu. Goodyear cũng không giàu có tương xứng với tầm ảnh hưởng của phát minh; ông chìm trong kiện tụng và nợ nần, qua đời năm 1860. Công ty lốp nổi tiếng mang họ Goodyear được thành lập nhiều thập kỷ sau để vinh danh ông, không phải do ông sáng lập.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Tên gọi “vulcanization” gắn với Vulcan, thần lửa và rèn của La Mã, vì nhiệt và lưu huỳnh là trung tâm của quá trình.
  • Tai nạn năm 1839 thường được kể như khoảnh khắc “eureka”, nhưng Goodyear phải mất khoảng năm năm nữa mới biến quan sát ấy thành bằng sáng chế và quy trình đủ ổn định.
  • Thêm nhiều lưu huỳnh không phải lúc nào cũng tốt: cao su quá lưu hóa trở nên cứng như ebonite, mất tính mềm dẻo mong muốn của lốp và gioăng.
  • Công ty Goodyear Tire & Rubber không do Charles Goodyear lập ra; tên ông được chọn để tôn vinh nhà phát minh sau khi ông đã mất từ lâu.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Goodyear vô tình phát minh xong cao su lưu hóa chỉ trong một buổi chiều." Tai nạn trên bếp lò cho ông manh mối quyết định, nhưng trước đó là nhiều năm thử nghiệm với lưu huỳnh và phụ gia, sau đó là nhiều năm nữa để kiểm soát nhiệt, tỷ lệ trộn và độ bền sản phẩm.

Hiểu lầm: "Charles Goodyear là người sáng lập hãng lốp Goodyear." Ông qua đời năm 1860 trong nợ nần. Hãng lốp mang tên Goodyear ra đời gần bốn thập kỷ sau đó và dùng họ của ông như một sự tri ân đối với đóng góp cho ngành cao su.

Nguồn tham khảo