I slutningen af 1930'erne brugte USA over halvdelen af verdens naturgummiforsyning. I dag kan naturgummi findes i over 50.000 fremstillede produkter i USA, og USA importerer over 3 milliarder pund naturgummi hvert år. Over 70 procent af gummi, der anvendes i moderne fremstillingsprocesser, er imidlertid syntetisk gummi.
Baggrund af naturgummi
Naturgummi begynder som latex. Latex består af polymeren kaldet polyisopren suspenderet i vand. Langkædede molekyler sammensat af mange (poly) individuelle enheder (mers) forbundet sammen danner polymerer. Gummi er en særlig form for polymer kaldet en elastomer, hvilket betyder at polymermolekylerne strækker sig og bøjer.
Mere end 2.500 planter producerer latex, et mælkelignende saft-type materiale. Milkweed kan være den mest velkendte latexproducerende plante for mange mennesker, men kommerciel latex kommer fra et enkelt tropisk træ, Hevea brasiliensis. Som navnet antyder, opstod gummitræet i det tropiske Sydamerika. For over 3.000 år siden blandede mesoamerikanske civilisationer latex med morning glory juice for at skabe gummi. Ændring af forholdet mellem latex og morning glory juice ændrede gummiets egenskaber. Fra hoppende bolde til gummisandaler kendte og brugte mesoamerikanerne gummi.
Før 1900 kom mest naturgummi fra vilde træer i Brasilien. Da det 20. århundrede begyndte, overgik udbud og efterspørgsel produktionen med den stigende popularitet af cykler og biler. Frø smuglet ud af Brasilien førte til gummitræplantager i det sydøstlige Asien. I 1930'erne varierede anvendelsen af naturgummi fra dæk på køretøjer og fly til de 32 pund, der findes i en soldats fodtøj, tøj og udstyr. På det tidspunkt kom det meste af den amerikanske gummiforsyning fra det sydøstlige Asien, men Anden Verdenskrig afskærede USA fra størstedelen af dets forsyning.
Fremstillingsproces for naturgummi
Fremstillingsprocessen for naturgummi begynder med høst af latex fra gummitræer. Høstning af latex fra gummitræer starter med at skære eller skære ned i barken på træet. Latex strømmer ind i en kop, der er fastgjort til bunden af snittet i træet. Latexmaterialet fra mange træer akkumuleres i store tanke.
Den mest almindelige metode til udvinding af gummi fra latex bruger koagulation, en proces, der krøller eller fortykker polyisopren til en masse. Denne proces udføres ved at tilsætte en syre, såsom myresyre, til latexen. Koagulationsprocessen tager cirka 12 timer.
Vand presses ud af koagulatet af gummi ved hjælp af en række ruller. De resulterende tynde plader, ca. 1/8 tomme tykke, tørres over træholdere i røghuse. Tørringsprocessen kræver generelt flere dage. Den resulterende mørkebrune gummi, nu kaldet ribbet røgark, foldes til baller til forsendelse til processoren.
Ikke alt gummi er dog røget. Gummitørret ved hjælp af varm luft i stedet for at ryge kaldes et lufttørret ark. Denne proces resulterer i en bedre kvalitet af gummi. En endnu højere kvalitet gummi kaldet bleg crepe gummi kræver to koagulationstrin efterfulgt af lufttørring.
Oprettelse af syntetisk gummi
Flere forskellige typer syntetisk gummi er blevet udviklet gennem årene. Alt er resultatet af polymerisering (sammenkædning) af molekyler. En proces kaldet additionspolymerisation strenger molekyler sammen i lange kæder. En anden proces, kaldet kondensationspolymerisation, eliminerer en del af molekylet, da molekyler er bundet sammen. Eksempler på additionspolymerer indbefatter syntetiske gummier fremstillet af polychloropren (neoprengummi), en olie- og benzinresistent gummi og styrenbutadiengummi (SBR), der anvendes til ikke-hoppende gummi i dæk.
Den første seriøse søgning efter syntetisk gummi begyndte i Tyskland under første verdenskrig. Britiske blokader forhindrede Tyskland i at modtage naturgummi. Tyske kemikere udviklede en polymer fra 3-methylisopren (2,3-dimethyl-1,3-butadien) enheder, [CH2= C (CH3C (CH3) = CH2], fra acetone. Selv om denne erstatning, methylgummi, var ringere end naturgummi, producerede Tyskland 15 tons om måneden ved udgangen af første verdenskrig.
Fortsat forskning førte til syntetiske gummier af bedre kvalitet. Den mest almindelige type syntetisk gummi, der i øjeblikket er i brug, Buna S (styrenbutadiengummi eller SBR), blev udviklet i 1929 af det tyske firma I.G. Farben. I 1955 udviklede den amerikanske kemiker Samuel Emmett Horne, Jr. en polymer på 98 procent cis-1,4-polyisopren, der opfører sig som naturgummi. Dette stof kombineret med SBR er blevet brugt til dæk siden 1961.
Forarbejdning af gummi
Gummi, hvad enten det er naturligt eller syntetisk, ankommer til forarbejdningsanlæg (fabrikant) i store baller. Når gummiet ankommer til fabrikken, går behandlingen gennem fire trin: blanding, blanding, formning og vulkanisering. Formuleringen og fremgangsmåden til gummiblanding afhænger af det tilsigtede resultat af gummiproduktionsprocessen.
Sammensat
Compounding tilføjer kemikalier og andre tilsætningsstoffer for at tilpasse gummiet til den tilsigtede anvendelse. Naturgummi ændrer sig med temperaturen, bliver skørt med kulde og et klæbrigt, klæbrigt rod med varme. Kemikalier tilsat under sammensætning reagerer med gummiet under vulkaniseringsprocessen for at stabilisere gummipolymererne. Yderligere tilsætningsstoffer kan omfatte forstærkende fyldstoffer for at forbedre egenskaberne af gummiet eller ikke-forstærkende fyldstoffer for at udvide gummiet, hvilket reducerer omkostningerne. Den anvendte type fyldstof afhænger af det færdige produkt.
Det mest anvendte forstærkende fyldstof er kønrøg, afledt af sod. Carbon black øger gummiets trækstyrke og modstandsdygtighed over for slid og rive. Carbon black forbedrer også gummis modstandsdygtighed over for ultraviolet nedbrydning. De fleste gummiprodukter er sorte på grund af carbon black fyldstof.
Afhængig af den planlagte anvendelse af gummiet kan andre anvendte additiver omfatte vandfri aluminiumsilicater som forstærkende fyldstoffer, andre polymerer, genanvendt gummi (normalt mindre end 10 procent), træthedsreducerende forbindelser, antioxidanter, ozonbestandige kemikalier, farvestofpigmenter, blødgørere, blødgøringsolier og skimmelfrigørelse forbindelser.
Blanding
Tilsætningsstofferne skal blandes grundigt i gummien. Den høje viskositet (modstandsdygtighed mod strømning) af gummiet gør blandingen vanskelig at udføre uden hæve gummiets temperatur højt nok (op til 300 grader Fahrenheit) til at forårsage vulkanisering. For at forhindre for tidlig vulkanisering finder blandingen normalt sted i to trin. I første fase blandes tilsætningsstoffer som kønrøg i gummiet. Denne blanding kaldes en masterbatch. Når gummiet er afkølet, tilsættes kemikalierne til vulkanisering og blandes i gummiet.
Udformning
Formning af gummiprodukter forekommer ved hjælp af fire generelle teknikker: ekstrudering, kalandrering, belægning eller støbning og støbning. Afhængigt af det endelige produkt kan mere end én formningsteknik anvendes.
Ekstrudering består i at tvinge meget plastisk gummi gennem en række skrueekstrudere. Kalandering fører gummiet gennem en række stadig mindre mellemrum mellem valserne. Rulle-die-processen kombinerer ekstrudering og kalandrering, hvilket giver et bedre produkt end en enkelt proces.
Belægning bruger kalandreringsprocessen til at påføre et lag gummi eller til at tvinge gummi ind i stof eller andet materiale. Dæk, vandtætte teltelte og regnfrakker, transportbånd samt oppustelige flåder er fremstillet ved at belægge materialer med gummi.
Gummiprodukter som skosål og hæle, pakninger, pakninger, sugekopper og flaskestop støbes ved hjælp af forme. Støbning er også et skridt i fremstilling af dæk. De tre primære metoder til støbning af gummi er kompressionsstøbning (anvendes til fremstilling af dæk blandt andre produkter), transferstøbning og sprøjtestøbning. Vulkanisering af gummiet sker under støbeprocessen snarere end som et separat trin.
Vulkanisering
Vulkanisering afslutter gummiproduktionsprocessen. Vulkanisering skaber krydsforbindelser mellem polymererne af gummi, og processen varierer afhængigt af kravene til det endelige gummiprodukt. Færre tværforbindelser mellem gummipolymererne skaber en blødere, mere bøjelig gummi. At øge antallet af tværforbindelser mindsker gummiets elasticitet, hvilket resulterer i hårdere gummi. Uden vulkanisering ville gummi forblive klistret, når det er varmt og skørt, når det er koldt, og det ville rådne meget hurtigere.
Vulkanisering, oprindeligt opdaget i 1839 af Charles Goodyear, krævede tilsætning af svovl til gummi og opvarmning af blandingen til 280 ° F i cirka fem timer. Moderne vulkanisering bruger generelt mindre mængder svovl kombineret med andre kemikalier for at reducere opvarmningstiden til 15 til 20 minutter. Der er udviklet alternative vulkaniseringsteknikker, der ikke bruger svovl.