Джон Мерсер (1791-1866) изобрёл мерсеризацию (которая носит его имя) — обработку целлюлозы гидроксидом натрия для достижения выгодных изменений свойств волокон и тканей, что стало одним из самых важных химических методов обработки текстиля — именно ему мир обязан появлением фильдеперсовых чулок. Однако вклад Мерсера в текстильную и цветную промышленность не ограничивается одними лишь фильдперсовыми чулками.

Он, будучи преимущественно экспериментатором-самоучкой, сумел создать основу многим новым разработкам, таким как, например, создание хромового жёлтого и других «минеральных цветов». Мерсер разработал новые методы закрепления берлинской лазури на ситце и шерсти, создал новые протравы для окрашивания, улучшил метод извлечения карминовой кислоты из кошенили и усовершенствовал процесс смазывания при окрашивании в красный цвет. Он спас многие жизни своими исследованиям ранних противомикробных препаратов, предотвратив распространение холеры в текстильных деревнях Ланкашира. Мерсер был незамеченным героем ранней фотографии, он разработал светочувствительные материалы для визуализации и сделал некоторые из самых ранних зарегистрированных монохроматических цветных фотографий. Его дальновидные взгляды на техническое образование, согласно которым работники промышленности должны быть полностью осведомлены о природе различных веществ, используемых в их искусстве, позже воплотились в создании текстильных отделов в Манчестере, Лидсе и Глазго. По сей день Мерсер остается единственным химиком-текстильщиком, который когда-либо с 1852 года избирался членом Королевского общества. Таким образом, он по праву считается Отцом текстильной химии.

Биография

Джон Мерсер (John Mercer) родился в Дине, Грейт-Харвуд, Ланкашир, 21 февраля 1791 года. Здесь в те годы процветала кустарная прядильная промышленность:  прядение пряжи считалось домашним делом, которым в основном занимались женщины и дети, чтобы дополнить доход от сельского хозяйства. В 1790-х годах большинство населения составляли сельскохозяйственные рабочие, которые были лишены гражданских прав и часто жили в нищете и полуголоде. В это время Британия переживала период перемен в текстильной промышленности; изобретение летающего челнока Джоном Кеем в 1733 году привело к появлению более широких тканей, которые требовали большего количества пряжи, чем можно было получить с помощью методов ручного прядения в домашних условиях.

Изобретение прядильной машины Джеймсом Харгривзом в 1764 году, водяной рамы Ричардом Аркрайтом в 1767 году и процесса прядения на мулах Сэмюэлем Кромптоном в 1779 году произвели революцию и значительно увеличили объёмы производства пряжи.

Позже Мерсер стал пионером химической и промышленной революции, которая превратила Британию из страны с преимущественно сельскохозяйственной экономикой в индустриальную, основанную на фабричной системе. Ко времени его кончины в 1866 году Британия была близка к своему расцвету как крупнейшая мировая промышленная держава. Как мы увидим, Джон Мерсер пережил захватывающий период развития текстильной промышленности, в котором доминировали достижения в области машиностроения и механизации текстильной обработки, связанные с достижениями химической науки и индустриализацией химического производства.

Ранние годы

Предки Джона Мерсера были в основном земледельцами, иммигрировавшими в Ланкашир из Голландии около 700 лет назад. Он родился в мире текстильной революции без каких-либо преимуществ, унаследованных многими другими пионерами текстильной окраски. Начнем с того, что он не обладал преимуществами Уильяма Генри Перкина, такими как хорошее образование и химическая специализация, или проживание в большом доме со слугами, а также с отцом, достаточно богатым благодаря своему строительному подрядному бизнесу, чтобы иметь возможность финансировать любую из его идей. Напротив, у отца Джона Роберта Мерсера была прядильная фабрика, а позже он стал ткачом / производителем ручных ткацких станков, средств к существованию, которые приносили прожиточный минимум, не более, и по мере роста семьи их финансовые проблемы множились. Его дядя Ричард Мерсер также был владельцем небольшой фабрики ручных ткацких станков, а у другого брата его отца по имени Генри была фабрика в Нижнем городе, Грейт-Харвуд.

Быстрый прогресс, который тогда был достигнут в механизации процесса ткачества, стал основной причиной медленного упадка ручного ткачества, что привело к большим лишениям в сельской местности Ланкашира, где провёл молодость Джон Мерсер и видел, что сельское хозяйство и текстильное производство обеспечивали жителям скромное существование. Племянник Мерсера Эдвард Эндрю Парнелл утверждает, что «Джон всегда сохранял восторженную привязанность к этим (тогдашним) живописным сценам своего детства; ни одно земное место, по его мнению, не было прекраснее Харвуда». Этот явно чрезмерный романтический взгляд на жизнь, который, по всей вероятности, маскирует его семейные трудности. Джон Мерсер никогда не ходил в школу, потому что в те времена обучение оплачивалось частным образом, и поэтому в возрасте девяти лет мать отправила его на работу — наматывать бобины. Отец Джона Роберт умер 7 августа 1802 года в возрасте 46 лет, его смерть наступила вскоре после смерти его дяди Роджера Клейтона; его младший брат Ричард умер вскоре после того, как ему исполнилось десять лет 15 февраля 1803 года. Эта тройная трагедия в течение примерно семи месяцев, должно быть, опустошила семью Мерсер, чей основной источник дохода исчез вместе с потерей глав семейств. Это также, должно быть, было очень тяжело для Джона Мерсера, которому было всего одиннадцать, когда его отец, дядя и младший брат Ричард, с которыми он, должно быть, был очень близок, умерли, оставив мать воспитывать Джона в одиночку.

Когда Джону Мерсеру было десять лет, он получил первые уроки от мастера по набивке ситца, работавшего портным в Оукеншоу. Джона учил буквам алфавита, правописанию и арифметике мистер Джозеф Бленкинсоп; в то время в Англии семья должна была платить за обучение своих детей в школе, но семья Джона была бедной, и Мерсер никогда не ходил в школу, и всегда был благодарен Блинкинсопу за своё первое образование. Следствием смерти его отца стало то, что жизнь Джона Мерсера теперь стала очень беспокойной, он переезжал из одного дома в другой. Примерно в это же время он занялся ручным ткацким станком и прославился во всем Харвуде своим умением решать математические головоломки. Он продолжал свои математические занятия по вечерам под руководством Джона Лайтфута, акцизного сборщика в Грейт-Харвуде. Интересно, что много лет спустя, в 1863 году, сын Лайтфута, Джон Эмануэль, у которого учился Мерсер, усовершенствовал процесс получения анилинового чёрного (C.I. Pigment Black 1) до такой степени, что его считали настоящим изобретателем.

В 1806 году, когда Джону Мерсеру было пятнадцать, его мать Бетти вторично вышла замуж за Томаса Мерсера (который не был родственником его отца); Джон жил в Нижнем городе и был ткачом на ручном ткацком станке, но вскоре стал сновальщиком, прежде чем бросить это, чтобы возобновить занятия ткачеством на ручном ткацком станке.

Ранние эксперименты по окрашиванию

Однажды в 1807 году Джон Мерсер навещал свою мать, и был поражен, узнав, что красивое платье оранжевого цвета, которое на ней было, она покрасила сама. Это был апельсин аннато, и Джон, по его собственным словам, «весь горел желанием научиться красить». Безуспешно посетив разных людей, Джон Мерсер отправился к Харгривсу Рейту, аптекарю в Блэкберне, примерно в пяти милях от дома, чтобы купить материалы для крашения. Не зная, что купить, он спросил продавца, который упомянул, что продаёт персиковое дерево, бразильское дерево, кверцитрон, квасцы, медь и другие модным красильщикам в Блэкберне; Джон купил каждого на три пенса и вернулся домой с котомками, набитыми красками и красильными материалами. Именно таким образом Джон Мерсер начал свою карьеру в области окрашивания текстиля, обучаясь окрашиванию исключительно эмпирическим путём — методом тщательных экспериментов и наблюдений. Благодаря большому усердию, настойчивости и внимательному наблюдению он в конце концов приобрел много полезных знаний и установил методы окрашивания в большинство необходимых тогда цветов.

Чуть ниже того места, где жил Джон, был большой дом, большое здание с кипящими ёмкостями; он получил горшки, небольшой кусок ткани с размерами около шести дюймов по каждой стороне. У него была горячая вода, горшки и красители, и он начал экспериментировать с комбинациями красителей и протрав. Вскоре у него было множество образцов, подвешенных на верёвочках. Его имя стало известно по всему Харвуду, но ему негде было начать бизнес по окрашиванию текстиля.

Певец в церкви, куда ходил Джон, Ричард Сауэрбаттс, сказал Джону, что у него есть очень удобное здание для окрашивания и что, если Джон не возражает, он будет его партнёром. Ричард жил в доме, который впоследствии купил Джон. Позже Джон построил ещё один в саду, где раньше была красильня. В Харвуде было полно ткачей ручных ткацких станков, поэтому Джон и Ричард могли получить остатки ткани и короткие куски для экспериментов по окрашиванию в достаточном количестве. Трудности с окрашиванием в синий цвет были преодолены, когда Ричард Сауербуттс подобрал известняк, упавший с фермерской тележки, и, положив его в чан, они обнаружили, что могут красить в синий цвет постельное бельё и т. д. Жители Грейт-Харвуда также носили пальто и бриджи цвета фустиан. Когда они состаривались и загрязнялись, их отдавали в покраску Джону Мерсеру.

В сентябре 1809 года Мерсер бросил свой успешный красильный бизнес после того, как его пригласили в цветную мастерскую Oakenshaw Print Works в качестве смешивателя красок и стал подмастерьем.

Джону Мерсеру было 17,5 лет, и он возлагал большие надежды на свою новую должность. Увы, это оказалось не так, потому что старый мастер цветного цеха Джон Бродли завидовал положению Джона и чинил ему множество препятствий. Джону пришлось таскать холодную воду из насоса в задней части печного отверстия для смешивания цветов и для мытья фарфоровых чёрных кастрюль, которые было трудно чистить холодной водой. В других случаях Джону приходилось растворять жевательную резинку cold bay, что подразумевало перемешивание двух-трёх центнеров (100-150 кг) жевательной резинки в больших кадках в одиночку.

Введение наполеоновского «берлинского декрета» на континенте в 1806 г., предписывавшего сжигать набивной ситец и другие товары английского производства, привело к тому, что к 1810 г. многие компании значительно сократили выпуск набивной ткани. Джон Мерсер решил уйти и переехал жить в Боули, где он снова стал ткачом на ручном станке и удивил своих друзей своими хитроумными приспособлениями для плетения полос, клеток и узоров, особенно тканей, сотканных с синим или красным утком. Мать Джона и её второй муж Томас Мерсер переехали жить с ним в Боули, но оба заболели лихорадкой и умерли с разницей в несколько дней в апреле 1810 года.

Мир химии

В 1813 году, живя в Хиндл-Фолд, Джон стал методистом, но предпочел услуги уэслианцев, к которым присоединился и стал активным и влиятельным членом часовни. Он переехал жить к семье Уолстенхолм в Клифф и снова обратил своё внимание на крашение. В семье Уолстенхолм было две дочери, и Джон ухаживал за Мэри, младшей дочерью; они поженились 17 апреля 1814 года. Незадолго до своей женитьбы Мерсер отправился в Блэкберн, чтобы получить разрешение на брак, и купил несколько книг в букинистическом киоске.

Среди этих покупок была книга под названием «Химическая записная книжка» или «Химическая памятка», ставшая для Джона Мерсера первым систематическим введением  в химию. Именно эта книга, по словам Джона Мерсера, «открыла мне новый мир. Я проглотил это», и он прочитал в книге краткий отчет о трисульфиде сурьмы (Sb2S3), который пробудил его интерес, и он отправился к Харгривсу Рейту, аптекарю в Блэкберне, чтобы получить немного вещества и поэкспериментировать с ним с целью применения его в ситцевой печати; это привело к его первому крупному изобретению для ситцевой печати в 1817 году. До этого времени ни один хороший оранжевый цвет не подходил для печати на ситце, кроме смеси жёлтого кверцитрона и красной марены, которые было трудно наносить. После многих экспериментов Джон получил раствор сурьмы (Sb (III)) в сульфиде натрия (Na2S), который давал ярко-оранжевый трисульфид сурьмы, когда печатную ткань пропускали через слабую серную кислоту; это сразу привлекло внимание соседских ситцевых печатников. Джон Мерсер проезжал через Оукеншоу, когда его встретил Джон Форт, один из владельцев издательства Oakenshaw Print Works; он спросил Форта, не нужен ли ему экспериментатор, и Форт немедленно предложил ему должность химика-экспериментатора в их цветном магазине на пять лет с зарплатой сначала тридцать шиллингов в неделю. Джон Мерсер немедленно принял предложение. Теперь он мог свободно испытать свой изобретательский гений, чтобы расширить бизнес по печати ситца в типографии Оукеншоу. В этом он преуспел, изобретая новые цвета и новые стили печати. В течение следующих семи лет его постоянные усилия привели ко многим успешным разработкам и улучшениям, в результате которых он в 1825 году стал партнёром в фирме и оставался в этом качестве до 1848 года.

Вклад Джона Мерсера в развитие печати на ситце

Джон Мерсер с большой энергией и мастерством посвятил себя ситцевой печати в издательстве Oakenshaw Print Works. Он обнаружил, что трисульфид сурьмы можно использовать для получения гораздо более яркой оранжевой окраски, чем та, которая до сих пор было возможна с помощью аннато. Мерсер еще больше расширил цветовую гамму, подвергнув ткань, напечатанную трисульфидом сурьмы, воздействию слабого раствора соединений меди (II) или свинца (II), чтобы получить различные оттенки коричневого и оливкового; он также создал белый узор на сурьмяном оранжевом, нанеся хлорид ртути (HgCl2) на цветную основу. Эти стили печати очень понравились, и в результате в течение нескольких лет на них существовал большой спрос. Джон Мерсер был выдающимся химическим экспериментатором, и его пристальные наблюдения и интерес к ситцевой печати привели ко многим новым разработкам в области цветов задолго до того, как исследования У. Х. Перкина привели к появлению синтетических красителей из производных каменноугольной смолы.

В 1823 году Форт показал Джону Мерсеру образец ткани из марены пурпурного цвета с ярко-жёлтыми узорами. Джон сразу заподозрил, что желтый цвет был хроматом свинца (PbCrO4), также известным как Жёлтый хром, и его химические тесты подтвердили, что это так; Жёлтый хром (C. I. Пигмент Жёлтый 34) обычно образуется путем обработки водорастворимой соли свинца (II) дихроматом калия (K2CrO4), осаждая хромат свинца (уравнение 1).:

2Pb(NO3)2 + K2Cr2O7 + H2O s 2PbCrO4 + 2KNO3 + 2HNO3 (1)

Он получил около полуцентнера (51 кг) нечистого дихромата калия от Александра Куртца, первого, кто произвел химическое вещество в больших масштабах. После экспериментов Мерсер напечатал ситец ацетатом свинца (Pb (CH3COO) 2) или нитратом свинца (Pb (NO3)2), преобразовав его в сульфат свинца (II) путем добавления сульфата натрия (уравнение 2); при пропускании ткани через раствор дихромата калия и добавлении щелочи он получил оранжевый цвет, созданный в результате образования хромового оранжевого (C.I. Пигмент оранжевый 21, смесь хромата свинца (PbCrO4, уравнение 1) и основного хромата свинца (Красный хром, PbCrO4.PBO, уравнение 3):

Pb(NO3)2 + Na2SO4 s PbSO4 + Na2NO3 (2)

2PbCrO4 + 2NaOH s PbCrO4.PbO + Na2CrO4 + H2O (3).

Были созданы стили печати, содержащие жёлтый хром и оранжевый хром на различных цветных основаниях, а также тканевые основы тех же цветов с рисунками различных цветов для зарубежных рынков. Такие «минеральные красители» образуются на месте в хлопке при нанесении водорастворимых солей металлов и впоследствии превращаются в нерастворимые оксиды металлов, которые занимают свободный объем в волокне.

Александр Курц послал двух человек из Лондона в Оукеншоу, чтобы получить информацию об этом новом методе, которую им добровольно предоставил мистер Форт.

Также в 1823 году Мерсера привлекла тёмно-коричневая глазурь на грубых глиняных горшках, изготовленных по соседству. Обнаружив, что это было произведено с использованием минерала на основе марганца, он приступил к работе по получению аналогичного цвета на ситце. Это привело к введению марганцевой бронзы (смеси оксидов марганца, оттенок которой зависит от степени окисления). Этот краситель стал популярным и входил и выходил из моды почти каждые десять лет. Он очистил бронзовую поверхность, используя винную кислоту или соль олова, что привело к появлению различных узоров красного, оранжевого, жёлтого, синего, зелёного и чёрного цветов с использованием натуральных красителей.

В том же году Мерсер нагревал индиго в едком щелочном растворе в контакте с металлическим оловом, образуя раствор белого индиго, который можно было использовать в различных областях печати. Мерсер также использовал смесь хромата калия с серной кислотой для получения хромовой кислоты. Ткань, окрашенная индиго, была пропитана раствором хромата калия и высушена в тени с последующей печатью составом, содержащим серную и щавелевую кислоты, в результате чего синий индиго превратился в белый. Еще одно из его гениальных изобретений в области печати индиго заключалось в выделении синего цвета индиго с помощью щелочи и красного пруссата калия (феррицианид калия; 1). Мерсер также разработал новый метод фиксации берлинской лазури (гексацианоферрат железа(III)(II); 2), к которому применялись различные щелочные растворы мышьяка и сурьмы для получения различных оттенков зелёного.

Катеху, экстракт, полученный из нескольких видов деревьев акации (особенно акации катеху), богатый растительными дубильными веществами, начал использоваться в ситцевой печати в Ланкашире в 1829 году. Примерно в 1830 году Мерсер разработал превосходный окислительный метод закрепления окрашивания катеху путём добавления ацетата марганца (Mn (CH3COO)2) с последующей обработкой ткани паром, что дало очень насыщенный и сильный цвет, названный Рассел Браун, в честь лорда Джона Рассела, популярного государственного деятеля того времени.

Тиоцианат калия (KSCN), смешанный с серной кислотой, использовался компанией Mercer для выпуска марганцевой бронзы, не повреждая синий цвет и не мешая последующему окрашиванию мареной или кедровым деревом. В 1835 году он обнаружил, что смесь феррицианида калия (1) и гидроксида калия может дать умеренное окисление, способное окислять и отбеливать индиго, кошениль и сафлор. Это также изменило цвет бразильского дерева и кедра на жёлтый, но не повлияло на марену или жёлтый цвет персидских ягод. Таким образом, он использовался для выделения индиго, когда марена также присутствовала на ткани, поскольку на марену не влияла обработка при выделении. Мерсер также обнаружил, что некоторые составы на основе алюминия могут быть растворены оксалатом аммония ([NH4 +] 2 [COO]2 2−); они использовались для приготовления смесовых тканей из хлопка и шерсти, которые с одинаковой эффективностью впитывают красители.

Одним из основных усовершенствований Джона Мерсера была замена операции промывки — использование коровьего навоза, растворенного в горячей воде, для удаления избыточной несвязанной протравы после первой стадии процесса окрашивания, а также оставшегося загустителя. Компания Mercer разработала превосходные заменители на основе фосфата натрия (Na3PO4) и более эффективного арсената натрия (Na3AsO4). Американскому изобретателю Дж. Ди Принсу пришла в голову оригинальная идея использовать растворимый фосфат в качестве заменителя коровьего навоза, и он посетил Мерсера, чтобы посовещаться с ним в Оукеншоу в 1839 году, что привело к получению первого патента Мерсера совместно с Принсом (британский патент 5684).

Типография Оукеншоу расширила свои печатные операции в 1839 году, начав печатать делейн (высококачественную тонкую шерстяную или камвольную ткань), в которой печать берлинской лазури на шерстяных волокнах была серьезной проблемой. Мерсер пришел к выводу, что это было связано с наличием некоторой раскисляющей способности, возникающей из-за некоторого раскисляющего материала в волокнах шерсти. Он обнаружил, что, если пропускать ткань через слабый раствор хлора, получаемый из отбеливающего раствора и соляной кислоты, шерсть становится способной соединяться с берлинской лазурью, оксидами олова и красящими веществами, давая «полные, богатые, насыщенные цвета». Это было предпочтительнее хромовой кислоты, которая дает тот же эффект, что и хлор, но оставляет небольшое пятно. Если бы Джон Мерсер запатентовал этот процесс, он, несомненно, получил бы большую сумму за выдачу лицензий на использование метода, однако он сообщил об этом процессе нескольким друзьям по профессии, и в результате он постепенно стал применяться печатниками ситца в Англии, Шотландии и Франции. В Лидсе красильщики шерсти использовали метод окрашивания с помощью хромовой кислоты. Это открытие Мерсера описывается как наиболее важное, сделанное в области крашения и печати, и через сто пятьдесят лет после смерти Джона Мерсера его метод предварительной обработки хлором для печати на шерстяных изделиях всё ещё находился в коммерческой эксплуатации.

Примерно в 1824/25 году Мерсер улучшил экстракцию кошенили; до этого переваривание кошенили в горячей воде оставляло около трети ценного красящего вещества (карминовая кислота, обычно 17-24% от веса высушенных насекомых) нерастворенным в осадке, что было важным финансовым вопросом.

Мерсер обнаружил, что добавление нейтрального щелочного оксалата в воду позволяет полностью растворить красящее вещество. Форт сообщил об этом методе нескольким друзьям, печатавшим на ситце, которые затем регулярно использовали его, хотя в течение многих лет он не был широко известен другим участникам отрасли. Мерсер также использовал раствор нейтрального щелочного оксалата для растворения красящего вещества lac. Примерно через 20 лет после открытия Мерсера французский химик приехал в Англию, чтобы побудить ситцевых печатников использовать его новый метод извлечения кошенили, но, посетив типографию Оукеншоу, он обнаружил, что метод Мерсера был похож в принципе, но оказался проще и столь же эффективным.

Открытия Джона Мерсера в области ситцевой печати, вероятно, стали основой коммерческого успеха компании, у которой был большой склад в Манчестере. В 1825 году, примерно через семь лет после того, как Джон Мерсер поступил в Oakenshaw Print Works, ему предложили партнерство в фирме, и он оставался в компании до её роспуска в 1848 году, что произошло в результате тенденции к снижению цен на ситцевые ткани. Братья Форт всегда предоставляли высококачественные печати и первоклассные товары, и в условиях жёсткой конкуренции было принято решение закрыть компанию; когда была реализована полная стоимость акций, это показало, что прибыль предыдущего года была очень хорошей, в результате чего Джон Мерсер разбогател и приобрел то, что Парнелл назвал «компетенцией».

Джон Мерсер также обратил свое внимание на процесс предварительного смазывания маслом, который является важным элементом при окрашивании в красный цвет, чтобы ускорить этот процесс. До патента Джона Мерсера и Джона Гринвуда в 1846 году ткань пропитывалась щелочной эмульсией растительного масла примерно пять-восемь раз. Это включало длительное пребывание на воздухе для окисления масла между каждым нанесением смазки. Джон Мерсер сократил этот процесс, обработав масло окислителями, такими как гипохлорит извести, дихромат калия, хлорат калия или нитрат калия/серная кислота.

Окисление или хлорирование масла затем позволило избежать длительного времени выдержки в подвешенном состоянии. Позже, в 1852 году, Мерсеру и Гринвуду был выдан ещё один патент на усовершенствование процесса смазывания с использованием оливкового масла при окрашивании в красный цвет.

Борьба с плесенью и профилактика холеры

В 1843 году Мерсер обнаружил, что на некоторых изделиях из ситца, напечатанных в типографии Оукеншоу, отправленных в Южную Америку, появилась плесень, что привело к потере красок во время путешествия. После некоторых экспериментов он обнаружил, что крахмальная паста, содержащая наибольшее количество клейковины, вызывала появление плесени в течение четырёх дней, причем плесень появлялась в других образцах в порядке, обратном их доле клейковины. Мерсер решил проблему, используя лучший крахмал и добавив немного дихромата калия, чтобы предотвратить рост плесени в печатных ситцах, которые экспортировались на кораблях. Мерсер провел другие эксперименты, которые показали, что чистая винная кислота в дистиллированной воде после кипячения и выдерживания в сосуде, не полностью герметичном, в конечном итоге образует плесень на поверхности. В экспериментах с крахмалом плесень иногда была зелёной или жёлтой, или красной, что навело Мерсера на мысль о том, что в микробы, обитающие в воздухе, разнообразны.

В 1847 году в Сайксайде, маленькой деревушке примерно в двух с половиной милях от Грейт-Харвуда, произошла вспышка холеры. В Форт-Бразерс работало около 700-800 человек, а ближайший врач жил примерно в 3-4 милях от Грейт-Харвуда. Мерсер прочитал все медицинские журналы о холере и приготовил большое количество магнитного оксида железа (магнетит; Fe3O4), а также большой запас хлористой извести (гипохлорит кальция; Ca(clo)2). Мерсер ранее приготовил магнитный оксид железа, и он с большим успехом использовался для обеззараживания питьевой воды, и всякий раз, когда по соседству появлялась эпидемия, Мерсер посыпал пол типографии Форт Бразерс хлоридом извести для стерилизации. Эпидемия холеры в Сайксайде была подавлена Джоном Мерсером, который позаботился о том, чтобы трупы, одежда и каждый дом в Сайксайде были посыпаны хлоридом извести.

В результате, помимо четырёх смертей, оперативные действия Мерсера предотвратили новые случаи заболевания холерой в деревне. Сегодня гипохлорит кальция широко используется для дезинфекции общественных плавательных бассейнов и дезинфекции питьевой воды.

Солюбилизация и мерсеризация хлопка

Первичная структура целлюлозы проста: длинная цепочка глюкозных звеньев, соединенных вместе связями. Супрамолекулярная структура целлюлозных волокон может быть описана двухфазной моделью с областями высокой ориентации (кристаллической) и низкой ориентации (аморфной). Именно способность этих цепей образовывать водородные связи в волокна (микрофибриллы) придает целлюлозе её уникальные свойства механической прочности и химической стабильности. Молекулы волокон нативной целлюлозы (целлюлозы I) высокоориентированы, расположены параллельно друг другу, но степень их ориентации параллельно оси волокна уменьшается, поскольку они имеют тенденцию образовывать спираль вокруг волокна. Микрофибриллы целлюлозы содержат две кристаллические формы, целлюлозу Ig и Iく, в которых цепочки упакованы несколько по-разному.

Конформация цепи в обеих формах аналогична: плоская лента с поворотом на 180 ° между последовательными остатками глюкозила. Эта конформация цепи стабилизируется двумя водородными связями, параллельными гликозидной связи, одна из гидроксильной группы C3 к кислородному кольцу предыдущего звена глюкозы, а другая от C2 –OH к C6 –OH следующего звена глюкозы.

Водородная связь в целлюлозе означает, что она обычно нерастворима в большинстве растворителей. Однако Джон Мерсер, по-видимому, был первым человеком, который наблюдал растворимость хлопка в растворе гидроксида аммония оксида меди, который образует химический комплекс тетраамминдиаквакоппер дигидроксид.

Растворимость целлюлозы в растворе дигидроксида тетраамминдиаквакоппера была, как считается, обнаружена швейцарским химиком Матиасом Эдвардом Швейцером в 1857 году, и этот раствор упоминается как реагент Швейцера, однако утверждается, что Джон Мерсер обнаружил влияние раствора дигидроксида тетраамминдиаквакоппера на целлюлозу за несколько лет до этого. В более поздние времена было продемонстрировано, что механизм солюбилизации возникает, когда фрагменты [Cu(NH3)2] 2+ координированно связываются с гидроксильными группами C2 и C3 в целлюлозе Iく, и было продемонстрировано, что водородная связь между солюбилизацией возникает, когда фрагменты [Cu(NH3)2] 2+ координированно связываются с гидроксильными группами C2 и C3 в целлюлозе Iく, и было продемонстрировано, что водородная связь между солюбилизацией возникает, когда фрагменты [Cu(NH3)2] 2+ координированно связываются к гидроксильным группам C2 и C3 в целлюлозе Iく и водородной связи между первичная ОН-группа C6 в положении и кольцевом кислороде следующего ангидроглюкозного звена прерывается, но другая водородная связь усиливается (рис. 1) [13-15]. Способность к растворению ограничена целлюлозой Iく со степенью полимеризации < 5000.

В 1843 году Джон Мерсер заинтересовался составом растворов веществ, способных образовывать химические соединения с водой, и существованием определенных гидратов в растворе. Его также интересовали различия, проявляемые растворами разной прочности в вязкости и подвижности. Он обсуждал это со своими друзьями на ежемесячных встречах в Уолли, а также предложил передавать такие растворы через капиллярную трубку в надежде обнаружить различия в подвижности, связанные с различными степенями химической гидратации. Мерсер решил попробовать частичное разделение различных гидратов путём медленной фракционной фильтрации, что привело его к исследованию эффекта фильтрации раствора каустической соды через хлопок. Он сделал фильтр, состоящий из шести слоёв отбеленного прочного тонкого хлопчатобумажного батиста, который был трижды уплотнен с помощью каландра. Затем он вылил раствор каустической соды 60º Twaddell (6,7 М NaOH) через хлопковый фильтр.

Фильтрация была очень медленной, и жидкость, которая проходила через нее, имела температуру 53° Twaddell (5,9 М NaOH).

Однако изменения в хлопчатобумажной фильтровальной ткани были глубокими; Мерсер заметил, что ткань стала полупрозрачной, сократилась как в длину, так и в ширину и утолщилась (или «набухла», как назвал это Мерсер). После дальнейших экспериментов Мерсер подверг некоторые хлопковые волокна действию каустической соды и показал свой «набухший» хлопок своим партнёрам и некоторым друзьям в качестве диковинки в 1844 году.

Объём научных исследований мерсеризации был огромен. В обзоре литературы, опубликованном Уорвикером в 1966 году о влиянии каустической соды и других набухающих агентов на тонкую структуру хлопка, приведено 1484 ссылки. Щелочь оказывает значительное влияние на морфологические, молекулярные и супрамолекулярные свойства целлюлозы. При взаимодействии с природной целлюлозой водный гидроксид натрия выше определенной концентрации способен проникать через кристаллическую решетку целлюлозы Iく с образованием ряда чётко определенных кристаллических комплексов, содержащих ряд ионов натрия и молекул воды внутри решетки. Окано и Сарко показали, что в общей сложности пять уникальных щелочных целлюлоз (Na-целлюлозы) могут быть получены воспроизводимо, в зависимости от используемой концентрации щелочи и температуры обработки, которые называются Na-целлюлозы I, IIA, IIB, III и IV.

При мерсеризации целлюлоза Iく приобретает модифицированную кристаллическую структуру, необратимо образуя целлюлозу II, которая является стабильной формой волокна после сушки; были предложены две гипотезы для механизма превращения целлюлозы I в целлюлозу II, а именно преобразование полярности цепи (параллельное-антипараллельное) и преобразование конформации цепи (изогнутое в изогнутое-скрученное). Недавно было продемонстрировано, что наиболее стабильная кристаллическая форма целлюлозы Iく имеет внутримолекулярные водородные связи между гидроксилами C2 и C6 и гидроксилом C3 и кислородом глюкозного кольца, а также межмолекулярные водородные связи между гидроксилами C2 и C6 соседних цепей. При превращении под действием гидроксида натрия наиболее стабильная кристаллическая форма целлюлозы II имеет только внутримолекулярные водородные связи между гидроксилом C3 и кислородом глюкозного кольца и межмолекулярные водородные связи между гидроксилами C2 и C6 соседних цепей.

Мерсеризация хлопка — это обработка для набухания волокон / структурной релаксации, которая может проводиться на нитях, но чаще на тканях, без натяжения (как в оригинальном методе Мерсера) или с натяжением (как в методе Лоу, появившемся позже). Мерсеризация мотка или основы нитей часто приводит к различиям в окрашиваемости из-за изменений натяжения нити, возникающих во время мерсеризации.

Во время мерсеризации в 22-27% растворе NaOH как зрелые, так и незрелые хлопковые волокна набухают так, что увеличивается толщина вторичной стенки. Внешний вид поверхности волокна и внутренняя структура волокна изменяются. Это улучшает однородность внешнего вида ткани после окрашивания, и наблюдается очевидное увеличение глубины цвета после мерсеризации, что, как утверждается, обеспечивает экономию средств до 30% на бледных цветах (например, 1-2% omf (по массе волокна)) и даже 50-70% на больших глубинах при использовании некоторых реактивных красителей. Мертвые хлопковые волокна (т. е. те, у которых вторичная стенка практически отсутствует), однако, не улучшаются после мерсеризации. Мерсеризация тканых тканей обычно осуществляется под напряжением на цепных или бесцепных линиях мерсеризации тканей, в то время как линии мерсеризации трубчатых тканей широко используются для утковых трикотажных хлопчатобумажных тканей. Мерсеризация приводит к ряду изменений в свойствах волокон и тканей:

• более круглое поперечное сечение волокна;
• увеличенный блеск;
• повышенная прочность на растяжение, основной фактор для технических текстильных тканей;
• увеличенная видимая глубина цвета после окрашивания;
• улучшенная способность к окрашиванию незрелого хлопка (большая однородность внешнего вида);
• повышенное восстановление влажности волокон;
• повышенная сорбция воды;
• улучшенная стабильность размеров.

Сорбционная способность мерсеризованного хлопка выше, когда ткань мерсеризуется без натяжения, а повышение температуры сушки также может снизить сорбционную способность, особенно при температурах выше 80 °C. Важно отметить, что процесс, изобретенный Мерсером, теперь часто называют «слабой мерсеризацией», «мерсеризацией без натяжения» или иногда «каустизацией».

Хотя первоначальная обработка Мерсера гидроксидом натрия значительно улучшила способность к окрашиванию и некоторые физические свойства, у неё был недостаток, заключающийся в том, что она вызывала усадку ткани и увеличивала толщину; это снизило популярность метода. Сегодня то, что чаще всего считается «мерсеризацией», на самом деле является методом, предложенным Горацием Лоу в 1890 году, который включает поддержание натяжения во время обработки щелочью и смывания, что предотвращает усадку, происходящую при обработке оригинальным методом Мерсера. Лоу упоминает в своем британском патенте № 4452 от 1890 года, что этот процесс создает блеск, подобный шёлку, и этот блеск был настолько ярко выражен, что он в шутку заметил: «Я превратил хлопок в шёлк». Разработка стента в 1870-х годах после смерти Джона Мерсера обеспечила метод удержания хлопчатобумажной ткани по ширине во время вымывания каустической соды.

Замечание Лоу о том, что применение натяжения во время мерсеризации обеспечивало высокую степень блеска, улучшило оригинальную работу Мерсера и создало метод обработки хлопчатобумажной ткани, который всё ещё используется и сегодня. После публикации патента Лоу примерно в 1896 году в Англии был создан синдикат по производству хлопка, состоящий из двенадцати фирм, некоторые из которых были из Брэдфорда, другие из Хаддерсфилда, и которые занимались мерсеризацией пряжи и мотков, а позже, в 1898 году, хлопчатобумажных тканей, придавая хлопку внешний вид и блеск шёлка.

Мерсер, как печатник по ситцу, всегда считал повышенную восприимчивость к красителям наиболее важным техническим аспектом своих экспериментов по обработке хлопка каустической содой. Процесс Мерсера улучшил цвет и прочность набивного хлопчатобумажного ситца, но его коммерческое применение не получило широкого распространения. Французская компания предложила 40 000 фунтов стерлингов (5,3 миллиона фунтов стерлингов по ценам 2019 года) за патент, и это предложение Мерсер был готов принять, но его партнёр по патенту Роберт Харгривз не согласился, и поэтому переговоры провалились.

Давление бизнеса помешало Мерсеру продолжить свою работу по щелочной обработке целлюлозы, и только после того, как он ушел из типографии Оукеншоу в 1848 году, он смог заново исследовать действие химических веществ на хлопок. Мерсер договорился с Робертом Харгривзом из Broad Oak Print Works, Аккрингтон, чтобы позволить ему продолжить свои исследования и провести обработку оборудования. Взамен Харгривз получил долю в полученном патенте. После многих экспериментов 24 октября 1850 года Джон Мерсер получил британский патент 13 296 на обработку хлопка. Патент Мерсера является комплексным, как видно из приведённой ниже выдержки:

«И я заявляю, что в соответствии с моим изобретением хлопок, лён и другие растительные волокнистые материалы, либо в волокне, либо на любой стадии его изготовления, либо отдельно, либо в смеси с шёлком, шерстью или другим волокнистым материалом животного происхождения, подвергаются воздействию едкого натра или едкого калия, разбавленной серной кислоты или раствора хлорида цинка при температуре и прочности, достаточных для получения новых эффектов, и придают им новые свойства, описанные выше, либо путем набивки, печати или замачивания, погружения или любого другого способа применения».

Эффект складок или крепа могут быть получены путем прямого нанесения загущенной каустической соды полосами на ткани, которые при высыхании действуют как сопротивление действию щелочи, но Мерсер считал это второстепенным. Тем не менее, ткани в стиле креп были выставлены на Большой международной выставке в Хрустальном дворце в Лондоне в 1851 году, и в том же году Lyon Playfair продемонстрировал ткани из крепа Британской ассоциации содействия развитию науки.

Мерсер представил обширную и интересную коллекцию мерсеризованных изделий на Большой выставке, чтобы проиллюстрировать свое изобретение, которое привлекло большое внимание как с научной, так и с технической точки зрения. Мерсер был одним из членов жюри того же класса, в котором он выставлялся, и поэтому правила выставки не позволяли ему получать обычный знак отличия, присуждаемый лучшим экспонентам. Однако жюри сочло, что процесс модификации хлопковых волокон, предложенный Мерсером, имеет достаточное значение, чтобы заслужить особую благодарность, и поэтому рекомендовало его как достойного награды в виде медали совета. В конце Великой Международной выставки королева Виктория отклонила все предложения о подарках от экспонентов, за исключением двух; одним из них был Джон Мерсер, от которого королева Виктория получила в подарок два его мерсеризованных хлопчатобумажных носовых платка. Королева Виктория, в свою очередь, подарила Джону Мерсеру карету за его выдающуюся работу.

Повышенная прочность мерсеризованной хлопчатобумажной ткани и выраженная усадка в то время не понравились печатникам ситца; главным соображением был хороший внешний вид ткани при минимальных затратах. Дополнительные расходы, связанные с мерсеризацией, не были нужны печатникам ситца того периода, едкий натр в 1850 году не был широко доступен.

Позже, в 1880-х годах, сэр Уильям Мазер впервые применил каустическую соду для предварительной обработки хлопка. Однако одно из применений мерсеризованного хлопка, которое стало очень успешным, заключалось в создании «одеял» (защитного слоя) для машинной печати на ситце, на которое Джон Мерсер и Роберт Харгривз получили патент. По словам Парнелла:

«Одеяло» состояло из двух слоёв небеленой мерсеризованной хлопчатобумажной ткани, скрепленной каучуком [индийский каучук], который можно было легко соединить на концах, чтобы образовать непрерывную ровную полосу. Будучи намного тоньше, чем старые шерстяные одеяла и одеяла Макинтоша, они производят более аккуратное и лучшее впечатление. Они также дешевле и долговечнее старых одеял. Их превосходство, которое вскоре было признано, привело к их всеобщему принятию».

Парнелл отмечает, что в 1886 году, примерно через 20 лет после смерти Мерсера, мерсеризованные хлопчатобумажные одеяла все еще широко использовались в ситцевой печати.

Джон Мерсер также провёл множество экспериментов по действию каустической соды и серной кислоты на бумагу. Он заметил, что погружение бумаги в химический раствор на несколько мгновений с последующей промывкой привело к тому, что бумага стала полупрозрачной. Аналогичные эффекты были отмечены и на хлопчатобумажной ткани. Использование одной пинты щёлока из каустической соды 70 ° Tw (7,8 М) с 20 унциями снега или толченого льда дало отличные результаты по сравнению с использованием серной кислоты 115-125 ° Tw (10,8-11,8) при 10 °C. Мерсер пропитал бумагу и высушил её с последующим погружением в серную кислоту, промыл и высушил. В результате получилась «очень тонкая белая бумага, которая довольно легко складывается». Мерсер, вероятно, расценил это как интересную диковинку, однако несколько лет спустя производители бумаги широко использовали такую в качестве пергаментной бумаги.

Джон Мерсер и научные общества

Сэр Лайон Плейфейр, который работал химиком в ситцевой полиграфической промышленности и был другом Джона Мерсера, убедил его стать одним из основателей Химического общества в 1842 году. Несколько лет спустя известные химики Джеймс Томпсон, Уолтер Крам и Лайон Плейфейр обедали в доме профессора Томаса Грэма, который был первым президентом Химического общества в 1841-1843 годах и снова в 1845-1847 годах (и в честь которого назван дом Томаса Грэма, штаб-квартира Королевского химического общества в Кембридже, Великобритания). Они решили, что Джон Мерсер должен быть выдвинут на выборы в Королевское общество. Лайон Плейфер (президент Химического общества в 1857-1859 годах) написал Джону Мерсеру, чтобы сообщить ему об этом предложении, и сначала Джон Мерсер колебался. Однако в последнем письме Мерсеру Плейфейр написал: «Я думаю, Вам следует принять предложение Ваших друзей помочь Вам в этом вопросе. Это большая дань уважения человеку, который приобрел знания в области науки без помощи академий, при неблагоприятных обстоятельствах». После некоторого давления Джон Мерсер дал свое согласие, и в 1852 году его избрали членом Лондонского королевского общества.

17 апреля 1849 года он был избран почетным членом Литературно-философского общества Манчестера, которое посещал на протяжении многих лет. Позже, в январе 1860 года, он был избран почетным членом Философского общества Глазго. Джон Мерсер позже входил в совет Химического общества в 1860 году. Помимо того, что Мерсер был членом жюри по химии на Великой выставке 1851 года, он выполнял ту же роль на Великой выставке в Лондоне в 1862 году. Джон Мерсер принял должность мирового судьи в 1861 году. Будучи сам в невыгодном положении в молодости и обладая христианскими и благотворительными добродетелями, Парнелл отмечает, что «требования правосудия к сообществу нередко перевешивались чувством жалости и сострадания к «преступнику». Джон Мерсер вышел на пенсию в 1866 году с солидным состоянием.

Наследие Джона Мерсера

Когда в 1864 году Джон Мерсер изучал ход строительства водохранилища по соседству, он упал в воду погрузился на несколько футов. Прошло некоторое время, прежде чем он смог избавиться от мокрой одежды; это вызвало сильную простуду, которая позже переросла в болезненную лихорадку, которая продолжалась в течение следующих двух лет. В конечном счете это оказалось фатальным, и он умер в возрасте 76 лет 30 ноября 1866 года. Он был похоронен в семейном склепе на кладбище церкви Святого Варфоломея и Святого Иоанна в Грейт-Харвуде.

Жизнь Джона Мерсера — это доказательство того, что если бы он родился со средствами и получил академическое образование, стал бы одним из самых выдающихся химиков своего времени. Его воспитание в бедности и необходимость зарабатывать на жизнь не позволяли ему публиковать статьи в научных журналах. Он был философом-химиком-самоучкой, чьи достижения в области ситцевой полиграфии были значительными и являлись результатом ясности мышления, острого научного наблюдения и превосходных экспериментов. Его изобретение мерсеризации, которое носит его имя, навсегда останется одним из самых важных химических методов обработки, когда-либо разработанных за долгую историю текстильной промышленности. По сей день он остается единственным химиком-текстильщиком, который когда-либо избирался членом Королевского общества с 1852 года. Таким образом, он по праву считается Отцом текстильной химии, и Общество красильщиков и колористов увековечило его имя в своих лекциях Мерсера, которые начались в 1944 году, через сто лет после открытия Мерсером реакции каустической соды на хлопковые волокна, пряжу и ткани.

Фильдеперсовые чулки