Kumin valmistusprosessi

1930-luvun lopulla Yhdysvallat käytti yli puolet maailman luonnonkumitarjonnasta. Nykyään luonnonkumia löytyy yli 50000 valmistetusta tuotteesta Yhdysvalloissa, ja Yhdysvallat tuo yli 3 miljardia puntaa luonnonkumia vuosittain. Yli 70 prosenttia modernissa valmistusprosessissa käytetystä kumista on kuitenkin synteettistä kumia.

Luonnonkumi alkaa lateksina. Lateksi koostuu polymeeristä, jota kutsutaan polyisopreeniksi suspendoituna veteen. Pitkäketjuiset molekyylit, jotka koostuvat monista (poly) yksittäisistä yksiköistä (mers), jotka ovat yhteydessä toisiinsa, muodostavat polymeerejä. Kumi on erityinen polymeerimuoto, jota kutsutaan elastomeeriksi, mikä tarkoittaa, että polymeerimolekyylit venyvät ja taipuvat.

Yli 2500 kasvia tuottaa lateksia, maitomaista mehutyyppistä materiaalia. Milkweed voi olla monille ihmisille tuttu lateksia tuottava kasvi, mutta kaupallinen lateksi tulee yhdestä trooppisesta puusta, Hevea brasiliensis. Kuten nimestä voi päätellä, kumipuu on peräisin trooppisesta Etelä-Amerikasta. Yli 3000 vuotta sitten mesoamerikkalaiset sivilisaatiot sekoittivat lateksia aamu-kirkkaamehuun kumin luomiseksi. Lateksin ja aamu-kirkkauden mehun suhteen muuttaminen muutti kumin ominaisuuksia. Mesoamerikkalaiset tiesivät ja käyttivät kumia pomppivista palloista kumisandaaleihin.

Ennen vuotta 1900 suurin osa luonnonkumista tuli Brasilian luonnonpuista. 1900-luvun alkaessa kysyntä ja tarjonta ylittivät tuotannon polkupyörien ja autojen lisääntyessä. Brasiliasta salakuljetetut siemenet johtivat kumipuuistutuksiin Kaakkois-Aasiassa. Vuoteen 1930 mennessä luonnonkumin käyttö vaihteli ajoneuvojen ja lentokoneiden renkaista sotilaan jalkineiden, vaatteiden ja varusteiden 32 kiloon. Siihen mennessä suurin osa Yhdysvaltain kumituotteista tuli Kaakkois-Aasiasta, mutta toinen maailmansota katkaisi Yhdysvaltojen suurimmasta osasta toimituksia.

Luonnonkumin valmistusprosessi alkaa lateksin korjuulla kumipuista. Lateksin korjuu kumipuista alkaa pisteytyksellä tai leikkaamisella puun kuoreen. Lateksi virtaa kuppiin, joka on kiinnitetty puun leikkauksen pohjaan. Monien puiden lateksimateriaalia kerääntyy suuriin säiliöihin.

Yleisin menetelmä kumin uuttamiseksi lateksista käyttää hyytymistä, prosessia, joka juoksuttaa tai sakeuttaa polyisopreenin massaksi. Tämä prosessi toteutetaan lisäämällä happoa, kuten muurahaishappoa, lateksiin. Hyytymisprosessi kestää noin 12 tuntia.

Vesi puristetaan kumin hyytymästä sarjaa teloja. Tuloksena olevat noin 1/8 tuuman paksut ohut levyt kuivataan savustamojen puuhyllyillä. Kuivausprosessi vaatii yleensä useita päiviä. Tuloksena oleva tummanruskea kumi, jota nyt kutsutaan uritetuksi savulevyksi, taitetaan paaleiksi toimitettavaksi prosessorille.

Kaikkia kumia ei kuitenkaan savusteta. Kumia, joka on kuivattu kuumalla ilmalla tupakoinnin sijasta, kutsutaan ilmakuivatuksi arkiksi. Tämä prosessi johtaa parempaan kumin laatuun. Vielä korkealaatuisempi vaalea kreppikumi vaatii kaksi hyytymisvaihetta, jota seuraa ilmakuivaus.

Vuosien varrella on kehitetty useita erityyppisiä synteettistä kumia. Kaikki syntyy molekyylien polymeroinnista (linkittämisestä). Prosessi, jota kutsutaan additiopolymerointijonoiksi, yhdistää molekyylit pitkiksi ketjuiksi. Toinen prosessi, jota kutsutaan kondensaatiopolymeroinniksi, eliminoi osan molekyylistä, kun molekyylit ovat yhteydessä toisiinsa. Esimerkkejä additiopolymeereistä ovat synteettiset kumit, jotka on valmistettu polykloropreenista (neopreenikumi), an öljyä ja bensiiniä kestävä kumi ja styreenibutadieenikumi (SBR), jota käytetään renkaat.

Ensimmäinen vakava synteettisen kumin etsiminen alkoi Saksassa ensimmäisen maailmansodan aikana. Brittiläiset saartot estivät Saksaa saamasta luonnonkumia. Saksalaiset kemistit kehittivät polymeerin 3-metyyli-isopreeni- (2,3-dimetyyli-1,3-butadieeni) yksiköistä, [CH₂= C (CH₃) C (CH₃= CH2] asetonista. Vaikka tämä korvike, metyylikumi, oli huonompi kuin luonnonkumi, Saksa valmisti 15 tonnia kuukaudessa ensimmäisen maailmansodan loppuun mennessä.

Jatkuva tutkimus johti laadukkaampiin synteettisiin kumeihin. Nykyisin yleisin synteettisen kumin tyyppi Buna S (styreenibutadieenikumi tai SBR) kehitettiin vuonna 1929 saksalaisen yrityksen I.G. Farben. Vuonna 1955 amerikkalainen kemisti Samuel Emmett Horne, Jr. kehitti 98-prosenttisen cis-1,4-polyisopreenin polymeerin, joka käyttäytyy kuin luonnonkumi. Tätä ainetta yhdessä SBR: n kanssa on käytetty renkaissa vuodesta 1961.

Luonnonmukaista tai synteettistä kumia saapuu jalostajalaitokseen suurina paaleina. Kun kumi on saapunut tehtaalle, käsittely tapahtuu neljän vaiheen läpi: sekoittaminen, sekoittaminen, muotoilu ja vulkanointi. Kumin seosvalmiste ja menetelmä riippuvat kumin valmistusprosessin suunnitellusta tuloksesta.

Yhdistäminen

Yhdistäminen lisää kemikaaleja ja muita lisäaineita kumin räätälöimiseksi käyttötarkoitukseensa. Luonnonkumi muuttuu lämpötilan mukana, muuttuu hauraaksi kylmän ja tahmean, karvaisen sotkuisen lämmön kanssa. Yhdistämisen aikana lisätyt kemikaalit reagoivat kumin kanssa vulkanointiprosessin aikana kumipolymeerien stabiloimiseksi. Muita lisäaineita voivat olla vahvistavat täyteaineet kumin ominaisuuksien parantamiseksi tai vahvistamattomat täyteaineet kumin pidentämiseksi, mikä vähentää kustannuksia. Käytetyn täyteaineen tyyppi riippuu lopputuotteesta.

Yleisimmin käytetty vahvistava täyteaine on nokesta saatu nokimusta. Hiilimusta lisää kumin vetolujuutta ja kulutuskestävyyttä. Hiilimusta parantaa myös kumin vastustuskykyä ultraviolettihajoamiselle. Suurin osa kumituotteista on mustaa hiilimustan täyteaineen takia.

Kumin suunnitellusta käytöstä riippuen muihin käytettyihin lisäaineisiin voivat kuulua vedettömät alumiinisilikaatit lujiteaineina, muut polymeerit, kierrätetty kumi (yleensä alle 10 prosenttia), väsymystä vähentävät yhdisteet, antioksidantit, otsonia kestävät kemikaalit, väriainepigmentit, pehmittimet, pehmentävät öljyt ja homeen vapautuminen yhdisteet.

Sekoittaminen

Lisäaineet on sekoitettava perusteellisesti kumiin. Kumin korkea viskositeetti (virtauskestävyys) tekee sekoittamisesta vaikeaa ilman sitä nostamalla kumin lämpötilaa riittävän korkealle (jopa 300 Fahrenheit-asteeseen) aiheuttaakseen vulkanointi. Ennenaikaisen vulkanoitumisen estämiseksi sekoitus tapahtuu yleensä kahdessa vaiheessa. Ensimmäisen vaiheen aikana kumiin sekoitetaan lisäaineita, kuten hiilimustaa. Tätä seosta kutsutaan masterbatchiksi. Kun kumi on jäähtynyt, lisätään vulkanointikemikaalit ja sekoitetaan kumiin.

Muotoilu

Kumituotteiden muotoilu tapahtuu käyttämällä neljää yleistä tekniikkaa: suulakepuristus, kalanterointi, päällystys tai muovaus ja valu. Lopputuotteesta riippuen voidaan käyttää useampaa kuin yhtä muotoilutekniikkaa.

Ekstruusio koostuu erittäin muovisen kumin pakottamisesta sarjaan ruuviekstruudereita. Kalanterointi kuljettaa kumin joukon yhä pienempiä telojen välisiä rakoja. Rulla-die-prosessi yhdistää suulakepuristuksen ja kalanteroinnin, jolloin saadaan parempi tuote kuin kummassakin yksittäisessä prosessissa.

Pinnoitus käyttää kalanterointiprosessia kumikerroksen levittämiseen tai kumin pakottamiseen kankaaseen tai muuhun materiaaliin. Renkaat, vedenpitävät kangasteltat ja sadetakit, kuljetinhihnat sekä puhallettavat lautat valmistetaan päällystämällä materiaalit kumilla.

Kumituotteet, kuten kengänpohjat ja korot, tiivisteet, tiivisteet, imukupit ja pullonkorkit valetaan muotteilla. Muovaus on myös askel renkaiden valmistuksessa. Kolme kumin muovausmenetelmää ovat puristusmuovaus (käytetään renkaiden valmistuksessa muiden tuotteiden joukossa), siirtomuotti ja ruiskupuristus. Kumin vulkanointi tapahtuu muovausprosessin aikana eikä erillisenä vaiheena.

Vulkanointi

Vulkanointi saattaa kumin valmistusprosessin loppuun. Vulkanointi luo ristikytkennät kumipolymeerien välille, ja prosessi vaihtelee lopullisen kumituotteen vaatimusten mukaan. Vähemmän ristikytkentöjä kumipolymeerien välillä luo pehmeämmän, taipuisamman kumin. Ristiliitosten määrän lisääminen vähentää kumin elastisuutta, mikä johtaa kovempaan kumiin. Ilman vulkanointia kumi pysyisi tahmeana kuumana ja hauras kylmänä, ja se mädäntyisi paljon nopeammin.

Vulkanointi, jonka Charles Goodyear löysi alun perin vuonna 1839, vaati rikin lisäämistä kumiin ja seoksen lämmittämistä 280 ° F: seen noin viiden tunnin ajan. Moderni vulkanointi käyttää yleensä pienempiä määriä rikkiä yhdessä muiden kemikaalien kanssa vähentäen kuumennusajan 15-20 minuuttiin. On kehitetty vaihtoehtoisia vulkanointitekniikoita, joissa ei käytetä rikkiä.