In den späten 1930er Jahren verbrauchten die Vereinigten Staaten mehr als die Hälfte des weltweiten Naturkautschukangebots. Heute ist Naturkautschuk in über 50.000 hergestellten Produkten in den Vereinigten Staaten zu finden, und die USA importieren jedes Jahr über 3 Milliarden Pfund Naturkautschuk. Über 70 Prozent des in modernen Herstellungsverfahren verwendeten Kautschuks sind jedoch synthetischer Kautschuk.
Hintergrund von Naturkautschuk
Naturkautschuk beginnt als Latex. Latex besteht aus dem Polymer namens Polyisopren, das in Wasser suspendiert ist. Langkettige Moleküle, die aus vielen (poly) einzelnen Einheiten (mers) bestehen, die miteinander verbunden sind, bilden Polymere. Gummi ist eine spezielle Form von Polymer, die als Elastomer bezeichnet wird, was bedeutet, dass sich die Polymermoleküle dehnen und biegen.
Mehr als 2.500 Pflanzen produzieren Latex, ein milchähnliches saftartiges Material. Milkweed mag vielen Menschen die bekannteste latexproduzierende Pflanze sein, aber kommerzieller Latex stammt von einem einzigen tropischen Baum, Hevea brasiliensis. Wie der Name schon sagt, stammt der Gummibaum aus dem tropischen Südamerika. Vor über 3.000 Jahren vermischten mesoamerikanische Zivilisationen Latex mit Morning Glory Saft, um Gummi herzustellen. Eine Änderung des Verhältnisses von Latex zu Prunksaft veränderte die Eigenschaften des Gummis. Von Hüpfbällen bis hin zu Gummisandalen, die Mesoamerikaner kannten und verwendeten Gummi.
Vor 1900 stammte der größte Teil des Naturkautschuks von wilden Bäumen in Brasilien. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts überstiegen Angebot und Nachfrage die Produktion mit der zunehmenden Popularität von Fahrrädern und Autos. Aus Brasilien geschmuggeltes Saatgut führte zu Kautschukbaumplantagen in Südostasien. In den 1930er Jahren reichte die Verwendung von Naturkautschuk von Reifen an Fahrzeugen und Flugzeugen bis hin zu 32 Pfund in Schuhen, Kleidung und Ausrüstung eines Soldaten. Bis dahin stammte der größte Teil des US-amerikanischen Kautschukangebots aus Südostasien, aber der Zweite Weltkrieg schnitt den USA den Großteil ihres Angebots ab.
Herstellungsprozess von Naturkautschuk
Der Herstellungsprozess von Naturkautschuk beginnt mit der Ernte von Latex aus Kautschukbäumen. Die Ernte von Latex aus Gummibäumen beginnt mit dem Einritzen oder Schneiden in die Rinde des Baumes. Latex fließt in eine Tasse, die am unteren Ende des Schnitts im Baum befestigt ist. Das Latexmaterial vieler Bäume wird in großen Tanks gesammelt.
Die gebräuchlichste Methode zur Extraktion des Kautschuks aus Latex ist die Koagulation, ein Prozess, bei dem das Polyisopren zu einer Masse gerinnt oder verdickt wird. Dieses Verfahren wird durch Zugabe einer Säure wie Ameisensäure zum Latex erreicht. Der Koagulationsprozess dauert etwa 12 Stunden.
Mit einer Reihe von Walzen wird Wasser aus dem Kautschukkoagulat herausgedrückt. Die resultierenden dünnen Blätter, etwa 1/8 Zoll dick, werden über Holzgestellen in Räuchereien getrocknet. Der Trocknungsprozess dauert in der Regel mehrere Tage. Der resultierende dunkelbraune Gummi, der jetzt als gerippte Rauchschicht bezeichnet wird, wird für den Versand an den Verarbeiter zu Ballen gefaltet.
Allerdings ist nicht alles Gummi geräuchert. Kautschuk, der mit Heißluft getrocknet wird, anstatt zu rauchen, wird als luftgetrocknetes Blatt bezeichnet. Dieses Verfahren führt zu einer besseren Gummiqualität. Ein noch hochwertigerer Gummi, genannt heller Kreppgummi, erfordert zwei Koagulationsschritte gefolgt von einer Lufttrocknung.
Herstellung von synthetischem Kautschuk
Im Laufe der Jahre wurden mehrere verschiedene Arten von synthetischem Gummi entwickelt. Alle resultieren aus der Polymerisation (Verknüpfung) von Molekülen. Ein Prozess, der als Additionspolymerisation bezeichnet wird, führt Moleküle zu langen Ketten zusammen. Bei einem anderen Prozess, der als Kondensationspolymerisation bezeichnet wird, wird ein Teil des Moleküls eliminiert, wenn Moleküle miteinander verbunden werden. Beispiele für Additionspolymere sind Synthesekautschuke aus Polychloropren (Neoprenkautschuk), und öl- und benzinbeständiger Kautschuk und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), der für den stoßfesten Kautschuk in Reifen.
Die erste ernsthafte Suche nach synthetischem Kautschuk begann in Deutschland während des Ersten Weltkriegs. Britische Blockaden verhinderten, dass Deutschland Naturkautschuk erhielt. Deutsche Chemiker entwickelten ein Polymer aus 3-Methylisopren (2,3-Dimethyl-1,3-butadien)-Einheiten, [CH2=C(CH3)C(CH3)=CH2], aus Aceton. Obwohl dieser Ersatzstoff, Methylkautschuk, Naturkautschuk unterlegen war, stellte Deutschland bis zum Ende des Ersten Weltkriegs 15 Tonnen pro Monat her.
Kontinuierliche Forschung führte zu hochwertigeren synthetischen Kautschuken. Die derzeit am häufigsten verwendete Art von Synthesekautschuk, Buna S (Styrol-Butadien-Kautschuk oder SBR), wurde 1929 von der deutschen Firma I.G. Farben. 1955 entwickelte der amerikanische Chemiker Samuel Emmett Horne, Jr. ein Polymer aus 98 Prozent cis-1,4-Polyisopren, das sich wie Naturkautschuk verhält. Dieser Stoff in Kombination mit SBR wird seit 1961 für Reifen verwendet.
Verarbeitung von Gummi
Gummi, ob natürlich oder synthetisch, kommt in großen Ballen zu den Verarbeitungsbetrieben (Verarbeitern). Im Werk angekommen, erfolgt die Verarbeitung in vier Schritten: Compoundieren, Mischen, Formen und Vulkanisieren. Die Formulierung und das Verfahren der Gummimischung hängen vom beabsichtigten Ergebnis des Gummiherstellungsprozesses ab.
Compoundierung
Beim Compoundieren werden Chemikalien und andere Zusätze hinzugefügt, um den Kautschuk an den vorgesehenen Verwendungszweck anzupassen. Naturkautschuk verändert sich mit der Temperatur, wird bei Kälte spröde und bei Hitze zu einer klebrigen, klebrigen Masse. Beim Compoundieren zugesetzte Chemikalien reagieren während des Vulkanisationsprozesses mit dem Kautschuk, um die Kautschukpolymere zu stabilisieren. Zusätzliche Additive können verstärkende Füllstoffe umfassen, um die Eigenschaften des Kautschuks zu verbessern, oder nicht verstärkende Füllstoffe, um den Kautschuk zu verlängern, was die Kosten reduziert. Die Art des verwendeten Füllstoffs hängt vom Endprodukt ab.
Der am häufigsten verwendete verstärkende Füllstoff ist Ruß, der aus Ruß gewonnen wird. Carbon Black erhöht die Zugfestigkeit und die Abrieb- und Reißfestigkeit von Gummi. Ruß verbessert auch die Beständigkeit des Kautschuks gegenüber ultraviolettem Abbau. Die meisten Gummiprodukte sind wegen des Rußfüllstoffs schwarz.
Je nach geplanter Verwendung des Kautschuks können als weitere Additive wasserfreie Aluminiumsilikate als verstärkende Füllstoffe, andere Polymere, Recyclingkautschuk (normalerweise weniger als 10 Prozent), ermüdungsmindernde Verbindungen, Antioxidantien, ozonbeständige Chemikalien, Farbpigmente, Weichmacher, weichmachende Öle und Formtrennmittel Verbindungen.
Mischen
Die Additive müssen gründlich in den Gummi eingemischt werden. Die hohe Viskosität (Fließfestigkeit) des Kautschuks erschwert das Mischen ohne Erhöhen Sie die Temperatur des Gummis hoch genug (bis zu 300 Grad Fahrenheit), um zu verursachen Vulkanisation. Um eine vorzeitige Vulkanisation zu verhindern, erfolgt das Mischen in der Regel in zwei Stufen. In der ersten Stufe werden dem Gummi Additive wie Ruß beigemischt. Diese Mischung wird als Masterbatch bezeichnet. Sobald der Gummi abgekühlt ist, werden die Chemikalien für die Vulkanisation zugegeben und in den Gummi eingemischt.
Gestaltung
Das Formen von Gummiprodukten erfolgt unter Verwendung von vier allgemeinen Techniken: Extrusion, Kalandrieren, Beschichten oder Formen und Gießen. Abhängig vom Endprodukt kann mehr als eine Formgebungstechnik verwendet werden.
Die Extrusion besteht darin, hochplastischen Gummi durch eine Reihe von Schneckenextrudern zu pressen. Beim Kalandrieren wird der Gummi durch eine Reihe von zunehmend kleineren Spalten zwischen den Walzen geführt. Der Roller-Die-Prozess kombiniert Extrusion und Kalandrierung, wodurch ein besseres Produkt entsteht als bei beiden Einzelprozessen.
Die Beschichtung verwendet den Kalandrierprozess, um eine Gummischicht aufzubringen oder Gummi in Gewebe oder andere Materialien zu pressen. Reifen, wasserdichte Stoffzelte und Regenmäntel, Förderbänder sowie Schlauchboote werden durch Beschichtung von Materialien mit Gummi hergestellt.
Gummiprodukte wie Schuhsohlen und Absätze, Dichtungen, Dichtungen, Saugnäpfe und Flaschenverschlüsse werden mit Formen gegossen. Das Formen ist auch ein Schritt bei der Herstellung von Reifen. Die drei Hauptverfahren zum Formen von Gummi sind das Formpressen (das unter anderem bei der Herstellung von Reifen verwendet wird), das Spritzpressen und das Spritzgießen. Die Vulkanisation des Kautschuks erfolgt während des Formungsprozesses und nicht als separater Schritt.
Vulkanisation
Die Vulkanisation vervollständigt den Gummiherstellungsprozess. Die Vulkanisation erzeugt die Querverbindungen zwischen den Gummipolymeren, und der Prozess variiert je nach den Anforderungen des Gummiendprodukts. Weniger Querverbindungen zwischen den Gummipolymeren erzeugen einen weicheren, biegsameren Gummi. Eine Erhöhung der Anzahl der Querverbindungen verringert die Elastizität des Gummis, was zu einem härteren Gummi führt. Ohne Vulkanisation würde Gummi bei Hitze klebrig und bei Kälte spröde bleiben und würde viel schneller verrotten.
Die Vulkanisation, die ursprünglich 1839 von Charles Goodyear entdeckt wurde, erforderte die Zugabe von Schwefel zu Kautschuk und das Erhitzen der Mischung auf 280 F für etwa fünf Stunden. Bei der modernen Vulkanisation werden im Allgemeinen kleinere Mengen Schwefel in Kombination mit anderen Chemikalien verwendet, um die Aufheizzeit auf 15 bis 20 Minuten zu reduzieren. Es wurden alternative Vulkanisationstechniken entwickelt, die keinen Schwefel verwenden.