Kummi tootmisprotsess

1930. aastate lõpul kasutas USA üle poole kogu maailma loodusliku kautšuki varudest. Tänapäeval võib looduslikku kautšuki leida Ameerika Ühendriikides üle 50 000 valmistatud toote ja USA impordib aastas üle 3 miljardi naela looduslikku kautšuki. Üle 70 protsendi tänapäevases tootmisprotsessis kasutatavast kummist on siiski sünteetiline kautšuk.

Looduslik kumm algab lateksina. Lateks koosneb polümeerist, mida nimetatakse vees suspendeeritud polüisopreeniks. Pika ahelaga molekulid, mis koosnevad paljudest (polü) üksikutest üksustest (mers), mis on omavahel ühendatud, moodustavad polümeerid. Kumm on polümeeri erivorm, mida nimetatakse elastomeeriks, mis tähendab, et polümeeri molekulid venivad ja painduvad.

Rohkem kui 2500 taime toodab lateksit, piimataolist mahla tüüpi materjali. Piimalill võib olla paljudele inimestele kõige tuttavam lateksi tootmise taim, kuid kaubanduslik lateks pärineb ühest troopilisest puust - Hevea brasiliensist. Nagu nimigi ütleb, sai kummipuu troopilisest Lõuna-Ameerikast alguse. Üle 3000 aasta tagasi segasid Mesoamerika tsivilisatsioonid kummi tekitamiseks lateksi hommikuse hiilguse mahlaga. Lateksi ja hommikuse aumahla suhte muutmine muutis kummi omadusi. Mesoameriklased teadsid ja kasutasid kummi - alates põrgatavatest pallidest kuni kummisandaalideni.

Enne 1900. aastat tuli enamik looduslikku kummi Brasiilia metsikutest puudest. 20. sajandi algusega ületas pakkumine ja nõudlus jalgrataste ja autode üha kasvava populaarsuse tõttu tootmist. Brasiiliast välja toimetatud seemned viisid Kagu-Aasiasse kummipuude istandused. 1930. aastateks ulatus loodusliku kautšuki kasutus alates sõidukite ja õhusõidukite rehvidest kuni 32 naelani, mis leiti sõduri jalatsitest, rõivastest ja varustusest. Selleks ajaks tuli suurem osa USA kummitarnetest Kagu-Aasiast, kuid Teine maailmasõda katkestas USA suurema osa tarnimisest.

Loodusliku kautšuki valmistamise protsess algab lateksi koristamisega kummipuudelt. Lateksi koristamine kummipuudelt algab puu koorimise või lõikamisega. Lateks suubub puulõike põhja külge kinnitatud topsi. Paljude puude lateksmaterjal koguneb suurtesse mahutitesse.

Levinuim meetod kummi lateksist ekstraheerimiseks kasutab koagulatsiooni - protsessi, mis kohendab või paksendab polüisopreeni massiks. See protsess viiakse läbi lateksile sellise happe nagu sipelghappe lisamisega. Hüübimisprotsess kestab umbes 12 tundi.

Rullikute abil pressitakse kummi koagulast vesi välja. Saadud õhukesed, umbes 1/8 tolli paksused lehed kuivatatakse suitsumajade puidust riiulite kohal. Kuivatamisprotsess nõuab tavaliselt mitu päeva. Saadud tumepruun kumm, mida nüüd nimetatakse soonikkoes suitsukileks, volditakse protsessoritesse saatmiseks pallideks.

Kogu kumm pole siiski suitsetatud. Kummi, mis on kuivatatud suitsetamise asemel kuuma õhu abil, nimetatakse õhukuivatatud leheks. Selle protsessi tulemuseks on parem klassi kumm. Veelgi kvaliteetsem kumm, mida nimetatakse kahvatu kreppkummiks, nõuab kahte koagulatsioonietappi, millele järgneb õhukuivatus.

Aastate jooksul on välja töötatud mitu erinevat tüüpi sünteetilist kummi. Kõik tulenevad molekulide polümerisatsioonist (sidumisest). Liitmispolümerisatsiooni nimeline protsess ühendab molekulid pikkadeks ahelateks. Teine protsess, mida nimetatakse kondensatsioonipolümerisatsiooniks, kõrvaldab osa molekulist, kuna molekulid on omavahel seotud. Liitpolümeeride näidete hulka kuuluvad polükloropreenist (neopreenkummist) valmistatud sünteetilised kummid, an õli- ja bensiinikindel kumm ning stüreenbutadieenkummist (SBR), mida kasutatakse rehvid.

Esimesed tõsised sünteetilise kautšuki otsingud algasid Saksamaal I maailmasõja ajal. Suurbritannia blokaadid takistasid Saksamaal loodusliku kautšuki saamist. Saksa keemikud töötasid 3-metüülisopreen (2,3-dimetüül-1,3-butadieen) üksustest välja polümeeri [CH₂= C (CH₃) C (CH₃= CH2] atsetoonist. Ehkki see asendaja, metüülkummi, jäi alla looduslikule kummile, tootis Saksamaa Esimese maailmasõja lõpuks 15 tonni kuus.

Jätkuvad uuringud viisid parema kvaliteediga sünteetiliste kummideni. Praegu kasutatavaim sünteetilise kautšuki tüüp Buna S (stüreenbutadieenkummist või SBR) töötati välja 1929. aastal Saksa ettevõttes I.G. Farben. 1955. aastal töötas Ameerika keemik Samuel Emmett Horne noorem välja 98-protsendise cis-1,4-polüisopreeni polümeeri, mis käitub nagu looduslik kautšuk. Seda ainet koos SBR-iga on rehvide jaoks kasutatud alates 1961. aastast.

Kumm, nii looduslik kui ka sünteetiline, jõuab protsessoritehastesse suurte pallidena. Kui kumm jõuab tehasesse, läbib töötlemine neli etappi: segamine, segamine, vormimine ja vulkaniseerimine. Kummi segamise koostis ja meetod sõltuvad kummi valmistamise kavandatud tulemustest.

Liitmine

Kombineerimine lisab kemikaale ja muid lisandeid, et kohandada kummi ettenähtud otstarbel. Looduslik kautšuk muutub koos temperatuuriga, muutudes külmast rabedaks ja kuumusega kleepuvaks, niriseks. Segamisel lisatud kemikaalid reageerivad kummiga vulkaniseerimisprotsessi käigus, et stabiliseerida kummipolümeere. Täiendavad lisandid võivad sisaldada tugevdavaid täiteaineid, et parandada kummi omadusi, või mittetugevdavaid täiteaineid, et kummi pikendada, mis vähendab kulusid. Kasutatava täiteaine tüüp sõltub lõpptootest.

Kõige sagedamini kasutatakse armeerivat täiteainet tahmast saadud tahmast. Tahm suurendab kummi tõmbetugevust ning vastupidavust hõõrdumisele ja rebenemisele. Tahm parandab ka kummi vastupidavust ultraviolettvalu lagunemisele. Enamik kummitooteid on tahma täiteaine tõttu mustad.

Sõltuvalt kummi kavandatavast kasutamisest võivad muud kasutatavad lisandid sisaldada veevaba alumiiniumsilikaate tugevdavate täiteainetena, muid polümeere, ringlussevõetud kummi (tavaliselt vähem kui 10 protsenti), väsimust vähendavad ühendid, antioksüdandid, osoonikindlad kemikaalid, värvipigmendid, plastifikaatorid, pehmendavad õlid ja hallitusest eralduvad ained ühendid.

Segamine

Lisandid tuleb hoolikalt kummi sisse segada. Kummi kõrge viskoossus (vastupidavus voolamisele) muudab segamise ilma selleta raskeks kummi temperatuuri tõstmine piisavalt kõrgeks (kuni 300 kraadi Fahrenheiti), et see tekiks vulkaniseerimine. Enneaegse vulkaniseerimise vältimiseks toimub segamine tavaliselt kahes etapis. Esimesel etapil segatakse kummi lisandeid nagu tahm. Seda segu nimetatakse põhiseguks. Kui kumm on jahtunud, lisatakse vulkaniseerimiseks mõeldud kemikaalid ja segatakse kummi sisse.

Kujundamine

Kummitoodete vormimisel kasutatakse nelja üldist tehnikat: ekstrusioon, kalandreerimine, katmine või vormimine ja valamine. Sõltuvalt lõpptootest võib kasutada rohkem kui ühte vormimistehnikat.

Ekstrusioon seisneb väga plastist kummi surudes läbi kruviekstruuderite seeria. Kalandreerimine viib kummi läbi järjest väiksemate rullide vahede. Rull-stantsimisprotsess ühendab ekstrudeerimise ja kalandri, saades parema toote kui kumbki üksikprotsess.

Kate kasutab kalandreerimisprotsessi kummikihi pealekandmiseks või kummi kangaks või muuks materjaliks surumiseks. Rehvid, veekindlad riidest telgid ja vihmamantlid, konveierilindid ning ka täispuhutavad parved on valmistatud materjalide kummiga katmisega.

Kummitooted, näiteks jalatald ja kontsad, tihendid, tihendid, iminapad ja pudelikorgid valatakse vormide abil. Vormimine on ka samm rehvide valmistamisel. Kolm peamist kummi vormimise meetodit on survevalu (mida kasutatakse muude toodete hulgas rehvide valmistamiseks), ülekandevormimine ja survevalu. Kummi vulkaniseerimine toimub vormimise käigus, mitte eraldi etapina.

Vulkaniseerimine

Vulkaniseerimine viib kummi tootmise protsessi lõpule. Vulkaniseerimine loob ristiühendused kummi polümeeride vahel ja protsess varieerub sõltuvalt kummist lõpptoote nõuetest. Vähem ristühendusi kummipolümeeride vahel loob pehmema, elastsema kummi. Ristühenduste arvu suurendamine vähendab kummi elastsust, mille tulemuseks on kõvem kumm. Ilma vulkaniseerimiseta jääks kumm kuumana kleepuvaks ja külmana rabedaks ning mädaneks palju kiiremini.

Algselt Charles Goodyeari poolt 1839. aastal avastatud vulkaniseerimine nõudis kummile väävli lisamist ja segu kuumutamist temperatuuril 280 F umbes viis tundi. Kaasaegsel vulkaniseerimisel kasutatakse üldiselt väiksemaid väävli koguseid koos teiste kemikaalidega, et vähendada kuumutamisaega 15 kuni 20 minutini. Välja on töötatud alternatiivsed vulkaniseerimismeetodid, mis ei kasuta väävlit.