Η διαδικασία κατασκευής του καουτσούκ

Στα τέλη της δεκαετίας του 1930, οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησαν πάνω από το ήμισυ του εφοδιασμού με φυσικό καουτσούκ στον κόσμο. Σήμερα, το φυσικό καουτσούκ μπορεί να βρεθεί σε περισσότερα από 50.000 κατασκευασμένα προϊόντα στις Ηνωμένες Πολιτείες και οι ΗΠΑ εισάγουν πάνω από 3 δισεκατομμύρια λίρες φυσικού καουτσούκ κάθε χρόνο. Πάνω από το 70% του καουτσούκ που χρησιμοποιείται στις σύγχρονες διαδικασίες παραγωγής, ωστόσο, είναι συνθετικό καουτσούκ.

Το φυσικό καουτσούκ ξεκινά ως λατέξ. Το λατέξ αποτελείται από το πολυμερές που ονομάζεται πολυισοπρένιο αιωρούμενο σε νερό. Μόρια μακράς αλυσίδας που αποτελούνται από πολλές (πολυ) μεμονωμένες μονάδες (mers) που συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζουν πολυμερή. Το καουτσούκ είναι μια ειδική μορφή πολυμερούς που ονομάζεται ελαστομερές, που σημαίνει ότι τα μόρια του πολυμερούς τεντώνονται και κάμπτονται.

Περισσότερα από 2.500 φυτά παράγουν λατέξ, ένα υλικό τύπου χυμού τύπου γάλακτος. Το γαλακτοκομείο μπορεί να είναι το πιο γνωστό φυτό παραγωγής λατέξ σε πολλούς ανθρώπους, αλλά το εμπορικό λατέξ προέρχεται από ένα μόνο τροπικό δέντρο, το Hevea brasiliensis. Όπως υποδηλώνει το όνομα, το λαστιχένιο δέντρο προήλθε από την τροπική Νότια Αμερική. Πάνω από 3.000 χρόνια πριν, οι μεσοαμερικανικοί πολιτισμοί ανάμιξαν το λατέξ με το χυμό πρωινού για να δημιουργήσουν καουτσούκ. Η αλλαγή της αναλογίας του χυμού λατέξ προς το πρωί δόξα άλλαξε τις ιδιότητες του καουτσούκ. Από τις στρογγυλές μπάλες έως τα καουτσούκ σανδάλια, οι Μεσοαμερικάνοι γνώριζαν και χρησιμοποίησαν καουτσούκ.

Πριν από το 1900, το μεγαλύτερο φυσικό καουτσούκ προήλθε από άγρια ​​δέντρα στη Βραζιλία. Καθώς ξεκίνησε ο 20ος αιώνας, η προσφορά και η ζήτηση ξεπέρασαν την παραγωγή με την αυξανόμενη δημοτικότητα ποδηλάτων και αυτοκινήτων. Οι σπόροι που εισήχθησαν λαθραία από τη Βραζιλία οδήγησαν σε φυτείες καουτσούκ στη νοτιοανατολική Ασία. Μέχρι τη δεκαετία του 1930, οι χρήσεις φυσικού καουτσούκ κυμαίνονταν από ελαστικά σε οχήματα και αεροσκάφη έως τις 32 λίβρες που βρέθηκαν σε υποδήματα, ρούχα και εξοπλισμό ενός στρατιώτη. Μέχρι τότε, το μεγαλύτερο μέρος του εφοδιασμού καουτσούκ των ΗΠΑ προήλθε από τη Νοτιοανατολική Ασία, αλλά ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος έκοψε τις ΗΠΑ από την πλειονότητα του εφοδιασμού τους.

Η διαδικασία κατασκευής φυσικού καουτσούκ ξεκινά με τη συγκομιδή λατέξ από καουτσούκ. Η συγκομιδή λατέξ από λαστιχένια δέντρα ξεκινά με τη χαραγή ή την κοπή στο φλοιό του δέντρου. Το λατέξ ρέει σε ένα κύπελλο που συνδέεται με το κάτω μέρος της κοπής στο δέντρο. Το υλικό λατέξ από πολλά δέντρα συσσωρεύεται σε μεγάλες δεξαμενές.

Η πιο συνηθισμένη μέθοδος εξαγωγής του καουτσούκ από λατέξ χρησιμοποιεί πήξη, μια διαδικασία που τυλίγει ή πυκνώνει το πολυισοπρένιο σε μάζα. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται προσθέτοντας ένα οξύ όπως μυρμηκικό οξύ στο λατέξ. Η διαδικασία πήξης διαρκεί περίπου 12 ώρες.

Το νερό συμπιέζεται από το πήγμα του καουτσούκ χρησιμοποιώντας μια σειρά κυλίνδρων. Τα προκύπτοντα λεπτά φύλλα, πάχους περίπου 1/8 ιντσών, στεγνώνουν πάνω σε ξύλινα ράφια σε καπνοδόχους. Η διαδικασία ξήρανσης απαιτεί γενικά αρκετές ημέρες. Το προκύπτον σκούρο καφέ καουτσούκ, που τώρα ονομάζεται ραβδωτό φύλλο καπνού, διπλώνεται σε δέματα για αποστολή στον επεξεργαστή.

Ωστόσο, δεν καπνίζεται όλο το καουτσούκ. Το καουτσούκ που στεγνώνει χρησιμοποιώντας ζεστό αέρα και όχι το κάπνισμα ονομάζεται φύλλο που στεγνώνει στον αέρα. Αυτή η διαδικασία οδηγεί σε καλύτερη ποιότητα καουτσούκ. Ένα ακόμη υψηλότερης ποιότητας καουτσούκ που ονομάζεται καουτσούκ ανοιχτό κρεπ απαιτεί δύο βήματα πήξης ακολουθούμενο από ξήρανση με αέρα.

Αρκετοί διαφορετικοί τύποι συνθετικού καουτσούκ έχουν αναπτυχθεί όλα αυτά τα χρόνια. Όλα προκύπτουν από πολυμερισμό (σύνδεση) μορίων. Μια διαδικασία που ονομάζεται προσθήκη πολυμερισμού ενώνει τα μόρια σε μεγάλες αλυσίδες. Μια άλλη διαδικασία, που ονομάζεται πολυμερισμός συμπύκνωσης, εξαλείφει ένα τμήμα του μορίου καθώς τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους. Παραδείγματα πολυμερών προσθήκης περιλαμβάνουν συνθετικά ελαστικά κατασκευασμένα από πολυχλωροπρένιο (ελαστικό από νεοπρένιο), ένα καουτσούκ ανθεκτικό σε λάδι και βενζίνη και καουτσούκ στυρολίου βουταδιενίου (SBR), που χρησιμοποιείται για καουτσούκ χωρίς αναπήδηση ελαστικά.

Η πρώτη σοβαρή αναζήτηση για συνθετικό καουτσούκ ξεκίνησε στη Γερμανία κατά τη διάρκεια του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου. Οι βρετανικοί αποκλεισμοί εμπόδισαν τη Γερμανία να λάβει φυσικό καουτσούκ. Οι Γερμανοί χημικοί ανέπτυξαν ένα πολυμερές από μονάδες 3-μεθυλισοπενίου (2,3-διμεθυλ-1,3-βουταδιένιο), [CH₂= C (CH₃) Γ (CH₃) = CH2], από ακετόνη. Αν και αυτό το υποκατάστατο, το μεθυλικό καουτσούκ, ήταν κατώτερο από το φυσικό καουτσούκ, η Γερμανία παρήγαγε 15 τόνους το μήνα μέχρι το τέλος του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου.

Η συνεχής έρευνα οδήγησε σε συνθετικά ελαστικά καλύτερης ποιότητας. Ο πιο κοινός τύπος συνθετικού καουτσούκ που χρησιμοποιείται σήμερα, το Buna S (καουτσούκ στυρολίου βουταδιενίου ή SBR), αναπτύχθηκε το 1929 από τη γερμανική εταιρεία I.G. Farben. Το 1955, ο Αμερικανός χημικός Samuel Emmett Horne, Jr. ανέπτυξε ένα πολυμερές 98% cis-1,4-polyisoprene που συμπεριφέρεται σαν φυσικό καουτσούκ. Αυτή η ουσία σε συνδυασμό με το SBR χρησιμοποιείται για ελαστικά από το 1961.

Το καουτσούκ, φυσικό ή συνθετικό, φτάνει στα φυτά επεξεργαστή (κατασκευαστής) σε μεγάλες μπάλες. Μόλις το καουτσούκ φτάσει στο εργοστάσιο, η επεξεργασία περνά από τέσσερα στάδια: ανάμιξη, ανάμιξη, διαμόρφωση και βουλκανισμό. Η σύνθεση και η μέθοδος σύνθεσης καουτσούκ εξαρτώνται από το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα της διαδικασίας κατασκευής καουτσούκ.

Σύνθετη

Το Compounding προσθέτει χημικά και άλλα πρόσθετα για την προσαρμογή του καουτσούκ για την προβλεπόμενη χρήση. Το φυσικό καουτσούκ αλλάζει με τη θερμοκρασία, γίνεται εύθραυστο με κρύο και κολλώδες, gooey χάος με τη θερμότητα. Οι χημικές ουσίες που προστίθενται κατά τη διάρκεια της σύνθεσης αντιδρούν με το καουτσούκ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βουλκανισμού για τη σταθεροποίηση των ελαστικών πολυμερών. Επιπρόσθετα πρόσθετα μπορεί να περιλαμβάνουν ενισχυτικά πληρωτικά για ενίσχυση των ιδιοτήτων του ελαστικού ή μη ενισχυτικά πληρωτικά για επέκταση του ελαστικού, πράγμα που μειώνει το κόστος. Το είδος του πληρωτικού εξαρτάται από το τελικό προϊόν.

Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο ενισχυτικό πληρωτικό είναι αιθάλη, που προέρχεται από αιθάλη. Το μαύρο άνθρακα αυξάνει την αντοχή εφελκυσμού του καουτσούκ και την αντοχή στην τριβή και το σχίσιμο. Ο άνθρακας βελτιώνει επίσης την αντοχή του καουτσούκ στην υπεριώδη υποβάθμιση. Τα περισσότερα προϊόντα από καουτσούκ είναι μαύρο λόγω του ανθρακούχου υλικού πλήρωσης.

Ανάλογα με την προγραμματισμένη χρήση του καουτσούκ, άλλα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν άνυδρο πυριτικό αργίλιο ως ενισχυτικά πληρωτικά, άλλα πολυμερή, ανακυκλωμένο καουτσούκ (συνήθως λιγότερο από 10 τοις εκατό), ενώσεις μείωσης της κόπωσης, αντιοξειδωτικά, χημικά ανθεκτικά στο όζον, χρωστικές χρωστικές ουσίες, πλαστικοποιητές, μαλακτικά έλαια και απελευθέρωση μούχλας ενώσεις.

Μίξη

Τα πρόσθετα πρέπει να αναμιχθούν καλά στο λάστιχο. Το υψηλό ιξώδες (αντίσταση στη ροή) του καουτσούκ καθιστά δύσκολη την ανάμιξη χωρίς αύξηση της θερμοκρασίας του καουτσούκ αρκετά (έως 300 βαθμούς Φαρενάιτ) για να προκαλέσει εκθείωση καουτσούκ. Για να αποφευχθεί ο πρόωρος βουλκανισμός, η ανάμιξη πραγματοποιείται συνήθως σε δύο στάδια. Κατά τη διάρκεια του πρώτου σταδίου, πρόσθετα όπως ο αιθάλης αναμιγνύονται στο καουτσούκ. Αυτό το μείγμα αναφέρεται ως masterbatch. Μόλις κρυώσει το καουτσούκ, οι χημικές ουσίες για βουλκανισμό προστίθενται και αναμιγνύονται στο καουτσούκ.

Διάπλαση

Η διαμόρφωση προϊόντων από καουτσούκ πραγματοποιείται με τη χρήση τεσσάρων γενικών τεχνικών: εξώθηση, θερμομέτρηση, επίστρωση ή χύτευση και χύτευση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότερες από μία τεχνικές διαμόρφωσης, ανάλογα με το τελικό προϊόν.

Η εξώθηση συνίσταται στο να πιέζει το πολύ πλαστικό καουτσούκ μέσω μιας σειράς βιδωτών εξωθητών. Το ημερολόγιο περνά το καουτσούκ μέσα από μια σειρά ολοένα και μικρότερων κενών μεταξύ των κυλίνδρων. Η διαδικασία με κύλινδρο-κύβος συνδυάζει την εξώθηση και την εξισορρόπηση, παράγοντας ένα καλύτερο προϊόν από κάθε μεμονωμένη διαδικασία.

Το επίστρωμα χρησιμοποιεί τη διαδικασία καλέμανσης για να εφαρμόσει μια επίστρωση από καουτσούκ ή να ωθήσει το καουτσούκ σε ύφασμα ή άλλο υλικό. Τα ελαστικά, οι αδιάβροχες σκηνές υφασμάτων και τα αδιάβροχα, οι ιμάντες μεταφοράς καθώς και οι φουσκωτές σχεδίες κατασκευάζονται από υλικά επίστρωσης με καουτσούκ.

Προϊόντα από καουτσούκ όπως πέλματα παπουτσιών και τακούνια, φλάντζες, σφραγίδες, βεντούζες και στάσεις μπουκαλιών ρίχνονται χρησιμοποιώντας καλούπια. Η χύτευση είναι επίσης ένα βήμα στην κατασκευή ελαστικών. Οι τρεις κύριες μέθοδοι χύτευσης καουτσούκ είναι η χύτευση με συμπίεση (χρησιμοποιείται για την κατασκευή ελαστικών μεταξύ άλλων προϊόντων), η χύτευση με μεταφορά και η χύτευση με έγχυση. Ο βουλκανισμός του καουτσούκ συμβαίνει κατά τη διαδικασία χύτευσης και όχι ως ξεχωριστό βήμα.

Εκθείωση καουτσούκ

Η βουλκανισμός ολοκληρώνει τη διαδικασία παραγωγής καουτσούκ. Η βουλκανισμός δημιουργεί τις διασταυρούμενες συνδέσεις μεταξύ των πολυμερών του καουτσούκ και η διαδικασία ποικίλλει ανάλογα με τις απαιτήσεις του τελικού προϊόντος από καουτσούκ. Λιγότερες διασυνδέσεις μεταξύ των ελαστικών πολυμερών δημιουργούν ένα πιο μαλακό, πιο εύκαμπτο καουτσούκ. Η αύξηση του αριθμού των διασταυρώσεων μειώνει την ελαστικότητα του καουτσούκ, με αποτέλεσμα σκληρότερο καουτσούκ. Χωρίς βουλκανισμό, το καουτσούκ θα παραμείνει κολλώδες όταν είναι ζεστό και εύθραυστο όταν κρύο και θα σαπίσει πολύ πιο γρήγορα.

Η βουλκανισμό, που ανακαλύφθηκε αρχικά το 1839 από τον Charles Goodyear, απαιτούσε την προσθήκη θείου στο καουτσούκ και θέρμανση του μείγματος στους 280 F για περίπου πέντε ώρες. Ο σύγχρονος βουλκανισμός, γενικά, χρησιμοποιεί μικρότερες ποσότητες θείου σε συνδυασμό με άλλες χημικές ουσίες για να μειώσει το χρόνο θέρμανσης σε 15 έως 20 λεπτά. Έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές τεχνικές βουλκανισμού που δεν χρησιμοποιούν θείο.