Производственият процес на каучука

В края на 30-те години Съединените щати използват над половината от световните запаси от естествен каучук. Днес естественият каучук може да бъде намерен в над 50 000 произведени продукти в САЩ, а САЩ внасят над 3 милиарда паунда естествен каучук всяка година. Над 70 процента от каучука, използван в съвременните производствени процеси, обаче е синтетичен каучук.

Естественият каучук започва като латекс. Латексът се състои от полимера, наречен полиизопрен, суспендиран във вода. Дълговерижните молекули, съставени от множество (поли) отделни единици (mers), свързани заедно, образуват полимери. Каучукът е специална форма на полимер, наречена еластомер, което означава, че полимерните молекули се разтягат и огъват.

Повече от 2500 растения произвеждат латекс, подобен на мляко материал от сок. Млечната трева може да е най-познатото растение за производство на латекс за много хора, но търговският латекс идва от едно тропическо дърво, Hevea brasiliensis. Както подсказва името, каучуковото дърво произхожда от тропическа Южна Америка. Преди повече от 3000 години мезоамериканските цивилизации смесват латекс със сок от сутрешна слава, за да създадат каучук. Промяната на съотношението на латекс към сок от сутрешна слава промени свойствата на каучука. От подскачащи топки до гумени сандали, мезоамериканците познаваха и използваха каучук.

Преди 1900 г. най-много естествен каучук идва от диви дървета в Бразилия. С началото на 20-ти век търсенето и предлагането надминаха производството с нарастващата популярност на велосипедите и автомобилите. Контрабандно семе от Бразилия доведе до плантации от каучукови дървета в Югоизточна Азия. До 30-те години използването на естествен каучук варира от гуми на превозни средства и самолети до 32 паунда, намерени в обувки, облекло и оборудване на войник. По това време по-голямата част от доставките на каучук в САЩ идват от Югоизточна Азия, но Втората световна война прекъсва САЩ от по-голямата част от доставките.

Процесът на производство на естествен каучук започва с събирането на латекс от каучукови дървета. Събирането на латекс от каучукови дървета започва с врязване или рязане в кората на дървото. Латексът се влива в чаша, прикрепена към дъното на среза на дървото. Латексният материал от много дървета се натрупва в големи резервоари.

Най-често срещаният метод за извличане на каучука от латекс използва коагулация, процес, който поливизопрен сгъстява или сгъстява в маса. Този процес се осъществява чрез добавяне на киселина като мравчена киселина към латекса. Процесът на коагулация отнема около 12 часа.

Водата се изцежда от коагулума на каучука с помощта на серия от ролки. Получените тънки листове с дебелина около 1/8 инча се изсушават върху дървени стелажи в пушилни. Процесът на сушене обикновено изисква няколко дни. Полученият тъмнокафяв каучук, който сега се нарича оребрена димна ламарина, се сгъва в бали за доставка до процесора.

Не всички гуми обаче се пушат. Каучук, изсушен с помощта на горещ въздух, а не пушене, се нарича въздушно изсушен лист. Този процес води до по-добър клас гума. Още по-висококачествената гума, наречена бледо креп гума, изисква две стъпки на коагулация, последвани от въздушно сушене.

През годините са разработени няколко различни вида синтетичен каучук. Всички са резултат от полимеризация (свързване) на молекули. Процес, наречен добавна полимеризация, свързва молекулите в дълги вериги. Друг процес, наречен кондензационна полимеризация, елиминира част от молекулата, тъй като молекулите са свързани помежду си. Примери за добавяне на полимери включват синтетични каучуци, направени от полихлоропрен (неопренов каучук), ан устойчив на масло и бензин каучук и стирен бутадиенов каучук (SBR), използван за неотскачащия каучук в гуми.

Първото сериозно търсене на синтетичен каучук започва в Германия по време на Първата световна война. Британските блокади попречиха на Германия да получи естествен каучук. Немски химици разработиха полимер от 3-метилизопренови (2,3-диметил-1,3-бутадиенови) единици, [CH₂= С (СН₃) С (СН₃) = СН2], от ацетон. Въпреки че този заместител, метил каучук, отстъпваше на естествения каучук, Германия произвеждаше 15 тона на месец до края на Първата световна война.

Продължаващите изследвания доведоха до по-качествени синтетични каучуци. Най-често използваният в момента вид синтетичен каучук, Buna S (стирен бутадиенов каучук или SBR), е разработен през 1929 г. от германската компания I.G. Фарбен. През 1955 г. американският химик Самюел Емет Хорн-младши разработва полимер от 98% цис-1,4-полиизопрен, който се държи като естествен каучук. Това вещество, комбинирано със SBR, се използва за гуми от 1961 г.

Каучукът, независимо дали е естествен или синтетичен, пристига в преработвателните предприятия (фабриканти) в големи бали. След като каучукът пристигне във фабриката, обработката преминава през четири стъпки: смесване, смесване, оформяне и вулканизиране. Формулировката и методът за смесване на каучук зависи от планирания резултат от процеса на производство на каучук.

Сложно

Смесването добавя химикали и други добавки за персонализиране на каучука за предвидената употреба. Естественият каучук се променя с температурата, става крехък със студ и лепкава, капризна бъркотия от топлина. Химикалите, добавени по време на смесването, реагират с каучука по време на процеса на вулканизиране, за да стабилизират каучуковите полимери. Допълнителните добавки могат да включват подсилващи пълнители за подобряване на свойствата на каучука или неукрепващи пълнители за удължаване на каучука, което намалява разходите. Видът на използвания пълнител зависи от крайния продукт.

Най-често използваният подсилващ пълнител е саждите, получени от сажди. Саждите увеличават якостта на опън на гумата и устойчивостта на абразия и скъсване. Саждите също подобряват устойчивостта на каучука към ултравиолетово разграждане. Повечето каучукови изделия са черни заради пълнителя на сажди.

В зависимост от планираната употреба на каучука, други използвани добавки могат да включват безводни алуминиеви силикати като подсилващи пълнители, други полимери, рециклирана гума (обикновено по-малко от 10 процента), намаляващи умората съединения, антиоксиданти, устойчиви на озон химикали, оцветяващи пигменти, пластификатори, омекотяващи масла и освобождаване на плесени съединения.

Смесване

Добавките трябва да бъдат добре смесени в каучука. Високият вискозитет (устойчивост на поток) на каучука затруднява смесването без повишаване на температурата на гумата достатъчно висока (до 300 градуса по Фаренхайт), за да предизвика вулканизация. За да се предотврати преждевременна вулканизация, смесването обикновено се извършва на два етапа. По време на първия етап в каучука се смесват добавки като сажди. Тази смес се нарича основна смес. След като гумата се охлади, химикалите за вулканизация се добавят и се смесват в каучука.

Оформяне

Оформянето на каучукови изделия се извършва с помощта на четири основни техники: екструдиране, каландриране, нанасяне на покрития или формоване и леене. В зависимост от крайния продукт могат да се използват повече от една техника за оформяне.

Екструдирането се състои в прокарване на високопластична гума чрез серия от винтови екструдери. Каландрирането прекарва каучука през поредица от все по-малки пролуки между ролките. Процесът с ролкови матрици комбинира екструзия и каландриране, като се получава по-добър продукт от всеки отделен процес.

Покритието използва процеса на каландриране, за да нанесе каучуково покритие или да принуди каучук в плат или друг материал. Гуми, водоустойчиви платнени палатки и дъждобрани, конвейерни ленти, както и надуваеми салове са направени чрез покритие на материали с гума.

Гумени изделия като подметки за обувки и токчета, уплътнения, уплътнения, вендузи и ограничители на бутилки се отливат с помощта на форми. Формоването също е стъпка в производството на гуми. Трите основни метода за формоване на каучук са формоване под налягане (използвано при направата на гуми сред други продукти), преместване на формоване и шприцоване. Вулканизацията на каучука се случва по време на процеса на формоване, а не като отделна стъпка.

Вулканизация

Вулканизацията завършва процеса на производство на каучук. Вулканизацията създава кръстосани връзки между полимерите на каучука и процесът варира в зависимост от изискванията на крайния каучуков продукт. По-малко напречни връзки между каучуковите полимери създават по-мека и гъвкава гума. Увеличаването на броя на напречните връзки намалява еластичността на каучука, което води до по-твърда гума. Без вулканизация каучукът ще остане лепкав, когато е горещ, и чуплив, когато е студен и ще изгние много по-бързо.

Вулканизацията, първоначално открита през 1839 г. от Чарлз Гудиър, изискваше добавяне на сяра към каучук и нагряване на сместа до 280 F за около пет часа. Като цяло съвременната вулканизация използва по-малки количества сяра, комбинирани с други химикали, за да намали времето за нагряване до 15 до 20 минути. Разработени са алтернативни техники за вулканизация, които не използват сяра.