Výrobní proces gumy

Na konci třicátých let USA využily více než polovinu světové nabídky přírodního kaučuku. Dnes lze přírodní kaučuk najít ve více než 50 000 vyrobených výrobcích ve Spojených státech a USA každoročně dovážejí více než 3 miliardy liber přírodního kaučuku. Více než 70 procent kaučuku používaného v moderních výrobních procesech však tvoří syntetický kaučuk.

Přírodní kaučuk začíná jako latex. Latex se skládá z polymeru zvaného polyisopren suspendovaného ve vodě. Molekuly s dlouhým řetězcem složené z mnoha (poly) jednotlivých jednotek (mer) spojených dohromady tvoří polymery. Guma je speciální forma polymeru zvaná elastomer, což znamená, že molekuly polymeru se táhnou a ohýbají.

Více než 2 500 rostlin vyrábí latex, mléčný materiál typu mízy. Milkweed může být pro mnoho lidí nejznámější rostlinou produkující latex, ale komerční latex pochází z jediného tropického stromu, Hevea brasiliensis. Jak název napovídá, kaučukovník pochází z tropické Jižní Ameriky. Před více než 3000 lety mezoamerické civilizace míchaly latex se šťávou z ranní slávy a vytvořily gumu. Změna poměru latexu k šťávě z ranní slávy změnila vlastnosti gumy. Od skákacích míčků po gumové sandály Mesoameričané znali a používali gumu.

Před rokem 1900 pocházela většina přírodního kaučuku z divokých stromů v Brazílii. Jak začalo 20. století, nabídka a poptávka převyšovaly produkci s rostoucí popularitou jízdních kol a automobilů. Semena pašovaná z Brazílie vedla na plantáže kaučukovníků v jihovýchodní Asii. Ve třicátých letech se použití přírodního kaučuku pohybovalo od pneumatik na vozidlech a letadlech až po 32 liber, které se nacházely v obuvi, oděvu a vybavení vojáka. Do té doby většina dodávek gumy pro USA pocházela z jihovýchodní Asie, ale druhá světová válka odřízla USA od většiny dodávek.

Proces výroby přírodního kaučuku začíná sklizní latexu z kaučukovníků. Sklizeň latexu z kaučukovníků začíná bodováním nebo řezáním do kůry stromu. Latex proudí do šálku připojeného ke spodní části řezu ve stromu. Latexový materiál z mnoha stromů se hromadí ve velkých nádržích.

Nejběžnější způsob extrakce kaučuku z latexu používá koagulaci, proces, při kterém se polyisopren sráží nebo zahustí na hmotu. Tento proces se provádí přidáním kyseliny, jako je kyselina mravenčí, k latexu. Proces koagulace trvá asi 12 hodin.

Voda je vytlačována z koagula gumy pomocí řady válečků. Výsledné tenké plechy o tloušťce asi 1/8 palce se suší přes dřevěné rošty v udírnách. Proces sušení obvykle trvá několik dní. Výsledná tmavě hnědá guma, nyní nazývaná žebrovaná kouřová fólie, se skládá do balíků pro přepravu k procesoru.

Ne veškerá guma je kouřena. Guma sušená pomocí horkého vzduchu, spíše než kouření, se nazývá vzduchem sušená fólie. Výsledkem tohoto procesu je lepší jakost gumy. Ještě kvalitnější kaučuk zvaný bledě krepový kaučuk vyžaduje dva koagulační kroky, po nichž následuje sušení na vzduchu.

V průběhu let bylo vyvinuto několik různých druhů syntetického kaučuku. Vše je výsledkem polymerace (spojování) molekul. Proces nazývaný adiční polymerace spojuje molekuly do dlouhých řetězců. Další proces, nazývaný kondenzační polymerace, eliminuje část molekuly, protože jsou molekuly spojeny dohromady. Příklady adičních polymerů zahrnují syntetické kaučuky vyrobené z polychloroprenu (neoprenového kaučuku), an guma odolná vůči oleji a benzínu a styrenbutadienový kaučuk (SBR), který se používá pro pneumatiky.

První vážné hledání syntetického kaučuku začalo v Německu během první světové války. Britské blokády bránily Německu v získávání přírodního kaučuku. Němečtí chemici vyvinuli polymer z jednotek 3-methylisoprenu (2,3-dimethyl-1,3-butadienu), [CH₂= C (CH₃) C (CH₃) = CH2], z acetonu. Ačkoli tato náhražka, methylová guma, byla horší než přírodní kaučuk, vyrobilo Německo do konce první světové války 15 tun měsíčně.

Pokračující výzkum vedl k kvalitnějším syntetickým kaučukům. Nejběžnější typ syntetického kaučuku, který se v současnosti používá, Buna S (styren butadienový kaučuk nebo SBR), byl vyvinut v roce 1929 německou společností I.G. Farben. V roce 1955 vyvinul americký chemik Samuel Emmett Horne, Jr. polymer z 98 procent cis-1,4-polyisoprenu, který se chová jako přírodní kaučuk. Tato látka v kombinaci s SBR se používá pro pneumatiky od roku 1961.

Kaučuk, ať už přírodní nebo syntetický, se dostává do zpracovatelských závodů ve velkých balících. Jakmile guma dorazí do továrny, zpracování prochází čtyřmi kroky: míchání, míchání, tvarování a vulkanizace. Formulace a způsob přípravy pryže závisí na zamýšleném výsledku procesu výroby pryže.

Skládání

Sloučenina přidává chemikálie a další přísady k přizpůsobení gumy pro zamýšlené použití. Přírodní kaučuk se mění s teplotou, křehne chladem a lepkavý, mazlavý nepořádek teplem. Chemické látky přidávané během míchání reagují s kaučukem během procesu vulkanizace, aby stabilizovaly polymery kaučuku. Mezi další aditiva mohou patřit výztužná plniva pro zlepšení vlastností gumy nebo nevyztužující plniva pro prodloužení gumy, což snižuje náklady. Druh použitého plniva závisí na konečném produktu.

Nejčastěji používaným výztužným plnivem jsou saze odvozené od sazí. Saze zvyšují pevnost v tahu a odolnost gumy proti oděru a roztržení. Saze také zvyšují odolnost gumy proti degradaci ultrafialovým zářením. Většina pryžových výrobků je černá, protože obsahuje saze.

V závislosti na plánovaném použití kaučuku by další použitá aditiva mohla zahrnovat bezvodé hlinitokřemičitany jako výztužná plniva, další polymery, recyklovaný kaučuk (obvykle méně než 10 procent), sloučeniny snižující únavu, antioxidanty, chemikálie odolné proti ozónu, barvicí pigmenty, změkčovadla, změkčovací oleje a uvolňování plísní sloučeniny.

Míchání

Přísady musí být důkladně promíchány do kaučuku. Vysoká viskozita (odpor proti proudění) pryže znesnadňuje míchání zvýšení teploty gumy dostatečně vysoké (až na 300 stupňů Fahrenheita), aby to způsobilo vulkanizace. Aby se zabránilo předčasné vulkanizaci, míchání obvykle probíhá ve dvou fázích. Během prvního stupně se do kaučuku přimísí přísady jako saze. Tato směs se označuje jako předsměs. Jakmile se kaučuk ochladí, přidají se chemikálie pro vulkanizaci a vmíchají se do kaučuku.

Tvarování

Tvarování pryžových výrobků probíhá pomocí čtyř obecných technik: vytlačování, kalandrování, potahování nebo formování a lití. V závislosti na konečném produktu lze použít více než jednu tvarovací techniku.

Vytlačování spočívá v protlačování vysoce plastické gumy řadou šnekových extrudérů. Kalandrování prochází gumou řadou stále menších mezer mezi válci. Proces válcového lisu kombinuje vytlačování a kalandrování a vytváří lepší produkt než jednotlivé procesy.

Povlak používá kalandrování k nanesení vrstvy gumy nebo k vtlačení gumy do tkaniny nebo jiného materiálu. Pneumatiky, nepromokavé látkové stany a pláštěnky, dopravní pásy i nafukovací čluny jsou vyráběny potahováním materiálů gumou.

Pryžové výrobky, jako jsou podrážky a paty obuvi, těsnění, těsnění, přísavky a zarážky lahví, se odlévají pomocí forem. Tvarování je také krokem při výrobě pneumatik. Tři hlavní metody formování gumy jsou lisování za tepla (používané mimo jiné při výrobě pneumatik), formování za tepla a vstřikování. Vulkanizace kaučuku probíhá spíše během procesu formování než jako samostatný krok.

Vulkanizace

Vulkanizace završuje proces výroby gumy. Vulkanizace vytváří křížová spojení mezi polymery kaučuku a postup se liší v závislosti na požadavcích konečného gumárenského produktu. Méně příčných spojení mezi pryžovými polymery vytváří měkčí a poddajnější gumu. Zvyšování počtu křížových spojů snižuje pružnost gumy, což vede k tvrdší gumě. Bez vulkanizace by guma zůstala lepkavá, když byla horká, a křehká, kdyby byla studená, a hnije mnohem rychleji.

Vulkanizace, původně objevená v roce 1839 Charlesem Goodyearem, vyžadovala přidání síry do gumy a zahřívání směsi na 280 ° C po dobu asi pěti hodin. Moderní vulkanizace obecně používá menší množství síry v kombinaci s jinými chemikáliemi ke snížení doby zahřívání na 15 až 20 minut. Byly vyvinuty alternativní vulkanizační techniky, které nepoužívají síru.