Proces proizvodnje gume

Krajem 1930-ih Sjedinjene Države su koristile više od polovice svjetske zalihe prirodne gume. Danas se prirodna guma može naći u preko 50 000 proizvedenih proizvoda u Sjedinjenim Državama, a SAD svake godine uvozi preko 3 milijarde funti prirodne gume. Preko 70 posto gume koja se koristi u modernim proizvodnim procesima, međutim, sintetička je guma.

Prirodna guma započinje kao lateks. Lateks se sastoji od polimera koji se naziva poliizopren suspendiran u vodi. Dugolančane molekule sastavljene od mnogih (poli) pojedinačnih jedinica (mers) povezanih zajedno tvore polimere. Guma je poseban oblik polimera koji se naziva elastomer, što znači da se molekule polimera istežu i savijaju.

Više od 2500 biljaka proizvodi lateks, mliječni sok. Mliječna mliječ mnogima je možda najpoznatija biljka za proizvodnju lateksa, ali komercijalni lateks potječe od jednog tropskog stabla, Hevea brasiliensis. Kao što i samo ime govori, stablo gume potječe iz tropske Južne Amerike. Prije više od 3000 godina, mezoameričke civilizacije pomiješale su lateks sa sokom jutarnje slave da bi stvorile gumu. Promjena omjera lateksa i soka od jutarnje slave promijenila je svojstva gume. Mezoamerikanci su od živahnih kuglica do gumenih sandala znali i koristili gumu.

Prije 1900. godine većina prirodnog kaučuka dolazila je od divljih stabala u Brazilu. Kako je 20. stoljeće počelo, ponuda i potražnja nadmašivali su proizvodnju rastućom popularnošću bicikala i automobila. Krijumčareno sjeme iz Brazila dovelo je do plantaža gume u jugoistočnoj Aziji. Do 1930-ih upotreba prirodne gume kretala se od guma na vozilima i zrakoplovima do 32 kilograma pronađenih u vojničkoj obući, odjeći i opremi. Do tada je većina američke opskrbe gumom dolazila iz jugoistočne Azije, ali Drugi svjetski rat odsjekao je SAD od većine opskrbe.

Postupak proizvodnje prirodne gume započinje ubiranjem lateksa s gumenih stabala. Berba lateksa s gumenih stabala započinje zabijanjem ili rezanjem kore drveta. Lateks se ulijeva u čašu pričvršćenu za dno posjekotine na drvetu. Materijal lateksa s mnogih stabala nakuplja se u velikim spremnicima.

Najčešća metoda ekstrakcije gume iz lateksa koristi koagulaciju, postupak kojim se poliizopren zgušnjava ili zgušnjava u masu. Taj se postupak postiže dodavanjem kiseline kao što je mravlja kiselina u lateks. Proces zgrušavanja traje oko 12 sati.

Voda se istiskuje iz koaguluma gume pomoću niza valjaka. Rezultirajući tanki listovi, debljine oko 1/8 inča, suše se na drvenim policama u pušnicama. Postupak sušenja obično zahtijeva nekoliko dana. Rezultirajuća tamno-smeđa guma, koja se danas naziva rebrasti dimni lim, presavijena je u bale radi slanja na procesor.

Međutim, nije pušena sva guma. Guma sušena na vrućem zraku, a ne na pušenju, naziva se zračno sušenom plahtom. Ovaj postupak rezultira boljom kvalitetom gume. Još kvalitetnija guma koja se naziva blijedo krep guma zahtijeva dva koraka koagulacije nakon čega slijedi sušenje na zraku.

Tijekom godina razvijeno je nekoliko različitih vrsta sintetičke gume. Sve su rezultat polimerizacije (povezivanja) molekula. Proces koji se naziva adicijska polimerizacija povezuje molekule u duge lance. Drugi postupak, nazvan kondenzacijska polimerizacija, eliminira dio molekule dok su molekule povezane. Primjeri adicijskih polimera uključuju sintetičke gume izrađene od polikloroprena (neoprenska guma), an guma otporna na ulje i benzin te na stiren butadien kaučuk (SBR), koji se koristi za neodbijajuću gumu u gume.

Prva ozbiljna potraga za sintetičkom gumom započela je u Njemačkoj tijekom Prvog svjetskog rata. Britanske blokade spriječile su Njemačku da dobije prirodnu gumu. Njemački kemičari razvili su polimer iz 3-metilizopren (2,3-dimetil-1,3-butadien) jedinica, [CH₂= C (CH₃) C (CH₃) = CH2], iz acetona. Iako je ova zamjena, metilna guma, bila inferiorna od prirodne gume, Njemačka je do kraja Prvog svjetskog rata proizvodila 15 tona mjesečno.

Nastavak istraživanja doveo je do kvalitetnije sintetičke gume. Najčešća vrsta sintetičke gume koja se trenutno koristi, Buna S (stiren butadienska guma ili SBR), 1929. godine razvila je njemačka tvrtka I.G. Farben. Američki kemičar Samuel Emmett Horne, mlađi, 1955. godine razvio je polimer od 98 posto cis-1,4-poliizoprena koji se ponaša poput prirodne gume. Ova tvar u kombinaciji sa SBR koristi se za gume od 1961. godine.

Guma, bila ona prirodna ili sintetička, u tvornice prerađivača (proizvođača) stiže u velikim balama. Kad guma stigne u tvornicu, obrada prolazi kroz četiri koraka: miješanje, miješanje, oblikovanje i vulkanizacija. Formulacija i metoda smjese gume ovisi o planiranom ishodu postupka proizvodnje gume.

Složeno

Smjesa dodaje kemikalije i druge aditive za prilagodbu gume za namjeravanu upotrebu. Prirodna guma mijenja se s temperaturom, postaje hladna s hladnoćom i ljepljiv, gnjecav nered s vrućinom. Kemikalije dodane tijekom smjese reagiraju s gumom tijekom postupka vulkanizacije kako bi stabilizirale polimere gume. Dodatni aditivi mogu uključivati ​​armaturna punila za poboljšanje svojstava gume ili nearmirajuća punila za produžavanje gume, što smanjuje troškove. Vrsta punila koja se koristi ovisi o konačnom proizvodu.

Najčešće korišteno armaturno punilo je čađa, dobivena iz čađe. Čađa povećava vlačnu čvrstoću i otpornost na habanje i kidanje. Čađa također poboljšava otpornost gume na ultraljubičastu razgradnju. Većina proizvoda od gume crna je zbog punila čađe.

Ovisno o planiranoj upotrebi gume, drugi korišteni aditivi mogu uključivati ​​bezvodne aluminijeve silikate kao armaturna punila, ostale polimere, recikliranu gumu (obično manje od 10 posto), spojevi za smanjenje umora, antioksidanti, kemikalije otporne na ozon, pigmenti za bojenje, plastifikatori, ulja za omekšavanje i otpuštanje plijesni spojevi.

Miješanje

Aditivi se moraju temeljito umiješati u gumu. Visoka viskoznost (otpor protoku) gume otežava miješanje bez nje povišenje temperature gume dovoljno visoke (do 300 stupnjeva Fahrenheita) da izazove vulkanizacija. Kako bi se spriječila prerana vulkanizacija, miješanje se obično odvija u dvije faze. Tijekom prve faze, aditivi poput čađe miješaju se u gumu. Ova se smjesa naziva masterbatch. Nakon što se guma ohladi, dodaju se kemikalije za vulkanizaciju i miješaju se u gumu.

Oblikovanje

Oblikovanje gumenih proizvoda događa se pomoću četiri opće tehnike: istiskivanje, kalandriranje, premazivanje ili oblikovanje i lijevanje. Može se koristiti više tehnika oblikovanja, ovisno o konačnom proizvodu.

Ekstruzija se sastoji od potiskivanja visoko plastične gume kroz niz vijčanih ekstrudera. Kalandriranje prolazi gumu kroz niz sve manjih razmaka između valjaka. Postupak valjkastog kalupa kombinira istiskivanje i kalandriranje, proizvodeći bolji proizvod od bilo kojeg pojedinačnog postupka.

Premazivanje koristi postupak kalandriranja za nanošenje gumenog sloja ili za guranje gume u tkaninu ili drugi materijal. Gume, vodootporni platneni šatori i kišne kabanice, transportne trake kao i splavi na napuhavanje izrađuju se premazivanjem materijala gumom.

Gumeni proizvodi poput potplata i potpetica, brtve, brtve, usisne čaše i graničnici za boce lijevaju se pomoću kalupa. Kalupljenje je također korak u izradi guma. Tri primarne metode oblikovanja gume su prešanje pod pritiskom (koristi se u izradi guma među ostalim proizvodima), prešanje i prešanje. Vulkanizacija gume događa se tijekom postupka oblikovanja, a ne kao zaseban korak.

Vulkanizacija

Vulkanizacija dovršava postupak proizvodnje gume. Vulkanizacija stvara križne veze između polimera gume, a postupak varira ovisno o zahtjevima konačnog proizvoda od gume. Manje poprečnih veza između polimera gume stvara mekšu, podatniju gumu. Povećanjem broja poprečnih veza smanjuje se elastičnost gume, što rezultira tvrđom gumom. Bez vulkanizacije guma bi ostala ljepljiva kad je vruća, a krhka kad bi bila hladna i trunula bi mnogo brže.

Vulkanizacija, koju je 1839. izvorno otkrio Charles Goodyear, zahtijevala je dodavanje sumpora gumi i zagrijavanje smjese na 280 F oko pet sati. Moderna vulkanizacija, općenito, koristi manje količine sumpora u kombinaciji s drugim kemikalijama kako bi se vrijeme zagrijavanja smanjilo na 15 do 20 minuta. Razvijene su alternativne tehnike vulkanizacije koje ne koriste sumpor.