Zawartość
- Tło z gumy naturalnej
- Proces produkcji kauczuku naturalnego
- Tworzenie kauczuku syntetycznego
- Przetwarzanie gumy
Pod koniec lat 30. XX wieku Stany Zjednoczone zużyły ponad połowę światowej produkcji kauczuku naturalnego. Dziś kauczuk naturalny można znaleźć w ponad 50 000 wyprodukowanych produktów w Stanach Zjednoczonych, a USA importują rocznie ponad 3 miliardy funtów kauczuku naturalnego. Jednak ponad 70 procent gumy używanej w nowoczesnych procesach produkcyjnych to kauczuk syntetyczny.
Tło z gumy naturalnej
Kauczuk naturalny zaczyna się od lateksu. Lateks składa się z polimeru zwanego poliizoprenem zawieszonym w wodzie. Cząsteczki o długim łańcuchu złożone z wielu (poli) pojedynczych jednostek (merów) połączone razem tworzą polimery. Guma jest specjalną formą polimeru zwaną elastomerem, co oznacza, że cząsteczki polimeru rozciągają się i wyginają.
Ponad 2500 roślin produkuje lateks, podobny do mleka materiał typu sok. Mleczarstwo może być najbardziej znaną rośliną wytwarzającą lateks dla wielu osób, ale lateks handlowy pochodzi z jednego drzewa tropikalnego, Hevea brasiliensis. Jak sama nazwa wskazuje, drzewo kauczukowe pochodzi z tropikalnej Ameryki Południowej. Ponad 3000 lat temu cywilizacje mezoamerykańskie zmieszały lateks z sokiem z porannej chwały, aby stworzyć gumę. Zmiana stosunku lateksu do soku z porannej chwały zmieniła właściwości gumy. Od sprężystych piłek po gumowe sandały, mezoamerikanie znali i używali gumy.
Przed 1900 r. Większość naturalnej gumy pochodziła z dzikich drzew w Brazylii. Wraz z początkiem XX wieku podaż i popyt przewyższały produkcję wraz ze wzrostem popularności rowerów i samochodów. Nasiona przemycone z Brazylii doprowadziły do plantacji drzew kauczukowych w południowo-wschodniej Azji. W latach trzydziestych XX wieku wykorzystywana była guma naturalna, od opon w pojazdach i samolotach po 32 funty znalezione w obuwiu żołnierskim, odzieży i sprzęcie. Do tego czasu większość amerykańskiej podaży gumy pochodziła z Azji Południowo-Wschodniej, ale II wojna światowa odciąła USA od większości jej podaży.
Proces produkcji kauczuku naturalnego
Proces produkcji kauczuku naturalnego rozpoczyna się od zbioru lateksu z drzew kauczukowych. Zbiór lateksu z drzew kauczukowych rozpoczyna się od nacięcia lub wycięcia w korze drzewa. Lateks spływa do kubka przymocowanego do dna nacięcia na drzewie. Materiał lateksowy z wielu drzew gromadzi się w dużych zbiornikach.
Najczęstszą metodą ekstrakcji gumy z lateksu jest koagulacja, proces, który skraca lub pogrubia poliizopren w masę. Proces ten realizuje się przez dodanie kwasu lateksowego, takiego jak kwas mrówkowy. Proces krzepnięcia trwa około 12 godzin.
Wodę wyciska się z koagulatu gumy za pomocą szeregu wałków. Powstałe cienkie arkusze o grubości około 1/8 cala są suszone nad drewnianymi stojakami w wędzarniach. Proces suszenia zwykle wymaga kilku dni. Powstały ciemnobrązowy kauczuk, zwany teraz żebrowanym arkuszem dymnym, jest składany w bele w celu wysyłki do procesora.
Jednak nie cała guma jest wędzona. Guma suszona przy użyciu gorącego powietrza zamiast palenia nazywana jest arkuszem suszonym na powietrzu. Proces ten prowadzi do lepszej jakości gumy. Kauczuk jeszcze lepszej jakości, zwany jasną gumą krepową, wymaga dwóch etapów koagulacji, a następnie suszenia na powietrzu.
Tworzenie kauczuku syntetycznego
Przez lata opracowano kilka różnych rodzajów kauczuku syntetycznego. Wszystkie wynikają z polimeryzacji (łączenia) cząsteczek. Proces nazywany polimeryzacją addycyjną łączy ze sobą cząsteczki w długie łańcuchy. Inny proces, zwany polimeryzacją kondensacyjną, eliminuje część cząsteczki, gdy cząsteczki są ze sobą połączone. Przykłady polimerów addycyjnych obejmują syntetyczne kauczuki wykonane z polichloroprenu (kauczuku neoprenowego), gumy odpornej na olej i benzynę oraz kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR), stosowane do gumy nieodskakującej w oponach.
Pierwsze poważne poszukiwania kauczuku syntetycznego rozpoczęły się w Niemczech podczas I wojny światowej. Brytyjskie blokady uniemożliwiły Niemcom otrzymywanie kauczuku naturalnego. Niemieccy chemicy opracowali polimer z jednostek 3-metyloizoprenowych (2,3-dimetylo-1,3-butadienu) z acetonu. Chociaż ten substytut, kauczuk metylowy, był gorszy od kauczuku naturalnego, Niemcy produkowały 15 ton miesięcznie do końca I wojny światowej.
Kontynuowane badania doprowadziły do lepszej jakości kauczuków syntetycznych. Najpopularniejszy obecnie rodzaj kauczuku syntetycznego, Buna S (kauczuk butadienowo-styrenowy lub SBR), został opracowany w 1929 r. Przez niemiecką firmę I.G. Farben. W 1955 roku amerykański chemik Samuel Emmett Horne, Jr. opracował polimer zawierający 98 procent cis-1,4-poliizoprenu, który zachowuje się jak naturalny kauczuk. Substancja ta w połączeniu z SBR stosowana jest w oponach od 1961 r.
Przetwarzanie gumy
Kauczuk, naturalny lub syntetyczny, dociera do zakładów przetwórczych (wytwórców) w dużych belach. Gdy guma dotrze do fabryki, przetwarzanie przebiega w czterech etapach: mieszanie, mieszanie, formowanie i wulkanizacja. Formulacja i metoda mieszania gumy zależy od zamierzonego wyniku procesu wytwarzania gumy.
Compounding
Mieszanie dodaje chemikalia i inne dodatki, aby dostosować gumę do zamierzonego zastosowania. Kauczuk naturalny zmienia się wraz z temperaturą, staje się kruchy z zimna i lepki, lepki bałagan z gorąca. Substancje chemiczne dodane podczas mieszania reagują z gumą podczas procesu wulkanizacji, aby ustabilizować polimery gumowe. Dodatkowe dodatki mogą obejmować wypełniacze wzmacniające w celu polepszenia właściwości gumy lub wypełniacze niewzmacniające w celu przedłużenia gumy, co zmniejsza koszt. Rodzaj zastosowanego wypełniacza zależy od produktu końcowego.
Najczęściej stosowanym wypełniaczem wzmacniającym jest sadza pochodząca z sadzy. Sadza zwiększa wytrzymałość gumy na rozciąganie oraz odporność na ścieranie i rozrywanie. Sadza poprawia także odporność gumy na degradację w ultrafiolecie. Większość produktów gumowych jest czarnych z powodu wypełniacza z sadzy.
W zależności od planowanego zastosowania gumy inne zastosowane dodatki mogą obejmować bezwodne krzemiany glinu jako wypełniacze wzmacniające, inne polimery, gumę z recyklingu (zwykle mniej niż 10 procent), związki zmniejszające zmęczenie, przeciwutleniacze, chemikalia odporne na ozon, pigmenty barwiące, plastyfikatory , oleje zmiękczające i związki uwalniające pleśń.
Mieszanie
Dodatki należy dokładnie wymieszać z gumą. Wysoka lepkość (odporność na przepływ) gumy utrudnia mieszanie bez podniesienia temperatury gumy wystarczająco wysokiej (do 300 stopni Fahrenheita), aby spowodować wulkanizację. Aby zapobiec przedwczesnemu wulkanizacji, mieszanie zwykle odbywa się w dwóch etapach. W pierwszym etapie dodatki takie jak sadza są mieszane z gumą. Ta mieszanina jest określana jako przedmieszka. Po ochłodzeniu gumy dodaje się chemikalia do wulkanizacji i miesza z gumą.
Modelacja
Kształtowanie wyrobów gumowych odbywa się za pomocą czterech ogólnych technik: wytłaczania, kalandrowania, powlekania lub formowania oraz odlewania. W zależności od produktu końcowego można zastosować więcej niż jedną technikę kształtowania.
Wytłaczanie polega na przetłaczaniu wysoce plastycznej gumy przez szereg wytłaczarek ślimakowych. Kalandrowanie przepuszcza gumę przez szereg coraz mniejszych szczelin między rolkami. Proces walcowo-matrycowy łączy wytłaczanie i kalandrowanie, tworząc lepszy produkt niż każdy z poszczególnych procesów.
Powłoka wykorzystuje proces kalandrowania w celu nałożenia warstwy gumy lub wtłoczenia gumy w tkaninę lub inny materiał. Opony, nieprzemakalne namioty z tkaniny i płaszcze przeciwdeszczowe, taśmy przenośnikowe oraz tratwy nadmuchiwane są wykonane z materiałów pokrytych gumą.
Wyroby gumowe, takie jak podeszwy butów i pięty, uszczelki, uszczelki, przyssawki i ograniczniki butelek, są odlewane za pomocą form. Formowanie to także krok w kierunku produkcji opon. Trzy podstawowe metody formowania gumy to formowanie tłoczne (stosowane do produkcji opon wśród innych produktów), formowanie transferowe i formowanie wtryskowe. Wulkanizacja gumy zachodzi podczas procesu formowania, a nie jako osobny etap.
Wulkanizacja
Wulkanizacja kończy proces produkcji gumy. Wulkanizacja tworzy połączenia krzyżowe między polimerami gumy, a proces różni się w zależności od wymagań końcowego produktu gumowego. Mniej połączeń krzyżowych między polimerami gumowymi powoduje, że guma jest bardziej miękka i giętka. Zwiększenie liczby połączeń poprzecznych zmniejsza elastyczność gumy, co skutkuje twardszą gumą. Bez wulkanizacji guma pozostałaby lepka, gdy była gorąca, a krucha, gdy była zimna, i gniłaby znacznie szybciej.
Wulkanizacja, odkryta pierwotnie w 1839 r. Przez Charlesa Goodyeara, wymagała dodania siarki do gumy i podgrzania mieszaniny do 280 F przez około pięć godzin. Współczesna wulkanizacja z reguły wykorzystuje mniejsze ilości siarki w połączeniu z innymi chemikaliami, aby skrócić czas nagrzewania do 15 do 20 minut. Opracowano alternatywne techniki wulkanizacji, które nie wykorzystują siarki.