Az 1930-as évek végén az Egyesült Államok felhasználta a világ természetes kaucsukjának több mint felét. Ma a természetes kaucsuk több mint 50 000 gyártott termékben található az Egyesült Államokban, és az Egyesült Államok évente több mint 3 milliárd font természetes gumit importál. A modern gyártási folyamatokban használt gumi több mint 70 százaléka azonban szintetikus gumi.
Háttér természetes gumi
A természetes gumi latexként kezdődik. A latex a vízben szuszpendált poliizoprén nevű polimerből áll. A sok (poli) egyedi egységből (mer) álló hosszú láncú molekulák polimert alkotnak. A gumi a polimer speciális formája, amelyet elasztomernek hívnak, ami azt jelenti, hogy a polimer molekulák megnyúlnak és meghajlanak.
Több mint 2500 növény termel latexet, tejszerű nedv típusú anyagot. A tejfű sok ember számára lehet a legismertebb latextermelő növény, de a kereskedelmi latex egyetlen trópusi fából, a Hevea brasiliensis-ből származik. Ahogy a neve is sugallja, a gumifa Dél-Amerika trópusi részéről származik. Több mint 3000 évvel ezelőtt a mezoamerikai civilizációk a latexet a reggeli dicsőséglével keverve gumit hoztak létre. A latex és a hajnalka arányának megváltoztatása megváltoztatta a gumi tulajdonságait. Az ugráló labdáktól a gumiszandálokig a mezoamerikaiak ismerték és használták a gumit.
1900 előtt Brazíliában a legtöbb természetes gumi vad fákból származott. A 20. század kezdetével a kereslet és a kínálat meghaladta a gyártást, a kerékpárok és az autók növekvő népszerűségével. A Brazíliából kicsempészett magok gumifaültetvényekhez vezettek Délkelet-Ázsiában. Az 1930-as évekre a természetes kaucsuk felhasználása a járművek és repülőgépek gumiabroncsaitól a katona lábbelijében, ruházatában és felszerelésében talált 32 fontig terjedt. Addigra az Egyesült Államok gumikínálatának nagy része Délkelet-Ázsiából származott, de a második világháború elválasztotta az Egyesült Államokat a kínálat többségétől.
Természetes gumi gyártási folyamat
A természetes kaucsuk gyártási folyamata a latex betakarításával kezdődik a gumifákból. A latex betakarítása gumifákról a pontozással vagy a fa kérgébe való vágással kezdődik. A latex egy csészébe folyik, amely a fa vágásának aljára van rögzítve. A sok fa latexanyagát nagy tartályokban halmozzák fel.
A gumi latexből történő kinyerésének legelterjedtebb módszere a koaguláció, ez a folyamat a poliizoprént masszává fagyasztja vagy megvastagítja. Ezt az eljárást úgy hajtják végre, hogy savat, például hangyasavat adnak a latexhez. Az alvadási folyamat körülbelül 12 órát vesz igénybe.
A hengerek sorozatával a vizet a gumi alvadékából préselik ki. A kapott vékony, körülbelül 1/8 hüvelyk vastagságú lapokat a füstölők fapadlóin szárítják. A szárítási folyamat általában több napot igényel. Az így létrejött sötétbarna gumit, amelyet ma bordás füstlemeznek hívnak, bálákba hajtják, hogy a processzorhoz szállítsák.
Azonban nem minden gumit füstölnek el. A dohányzás helyett forró levegővel szárított gumit levegőn szárított lepedőnek nevezzük. Ez a folyamat jobb minőségű gumit eredményez. A még jobb minőségű, halvány kreppguminak nevezett gumihoz két koagulációs lépésre van szükség, amelyet légszárítás követ.
Szintetikus gumi létrehozása
Az évek során többféle szintetikus kaucsukot fejlesztettek ki. Mindez a molekulák polimerizációjából (összekapcsolásából) származik. Az addíciós polimerizációnak nevezett folyamat a molekulákat hosszú láncokká egyesíti. Egy másik folyamat, az úgynevezett kondenzációs polimerizáció kiküszöböli a molekula egy részét, mivel a molekulák összekapcsolódnak. Az addíciós polimerek közé tartoznak a polikloroprénből (neopréngumi) készült szintetikus kaucsuk, an olaj- és benzinálló gumi, valamint sztirol-butadién-kaucsuk (SBR), amelyet a gumiabroncsok.
Az első komolyabb szintetikus kaucsuk keresése az első világháború idején kezdődött Németországban. A brit blokádok megakadályozták Németországot abban, hogy természetes gumit kapjon. Német vegyészek 3-metil-izoprén (2,3-dimetil-1,3-butadién) egységekből polimert fejlesztettek ki, [CH2= C (CH3) C (CH3= CH2] acetonból. Bár ez a helyettesítő, a metilkaucsuk alacsonyabb rendű volt, mint a természetes gumi, Németország az I. világháború végére havonta 15 tonnát gyártott.
A folytatott kutatás jobb minőségű szintetikus kaucsukhoz vezetett. A jelenleg használt szintetikus kaucsuk leggyakoribb típusát, a Buna S-t (sztirol-butadién-kaucsuk vagy SBR) 1929-ben fejlesztette ki a német I.G. Farben. Samuel Emmett Horne, Jr. amerikai vegyész 1955-ben kifejlesztett egy 98 százalékos cisz-1,4-poliizoprén polimert, amely természetes gumiként viselkedik. Ezt az anyagot az SBR-rel kombinálva 1961 óta használják gumiabroncsokhoz.
Gumi feldolgozása
A természetes vagy szintetikus gumi nagy bálákban érkezik a feldolgozó üzemekbe. Miután a gumi megérkezett a gyárba, a feldolgozás négy lépésen megy keresztül: keverés, keverés, alakítás és vulkanizálás. A kaucsukeverék összetétele és módja a gumi gyártási folyamat kívánt eredményétől függ.
Összetétel
Az összetétel vegyi anyagokat és egyéb adalékanyagokat ad hozzá a gumi rendeltetésszerű használatához. A természetes kaucsuk a hőmérséklet hatására változik, rideggé válik a hidegtől és ragadós, kócos rendetlenség a hőtől. A keverés során hozzáadott vegyi anyagok a vulkanizálási folyamat során reagálnak a gumival, hogy stabilizálják a gumipolimereket. További adalékanyagok lehetnek erősítő töltőanyagok a gumi tulajdonságainak javítása érdekében, vagy nem erősítő töltőanyagok a gumi meghosszabbítása érdekében, ami csökkenti a költségeket. A felhasznált töltőanyag fajtája a végterméktől függ.
A leggyakrabban használt erősítő töltőanyag a korom, amely koromból származik. A korom növeli a gumi szakítószilárdságát, valamint kopás- és szakadásállóságát. A korom javítja a gumi ultraibolya degradációval szembeni ellenálló képességét is. A legtöbb gumitermék fekete a koromfeltöltő anyag miatt.
A gumi tervezett felhasználásától függően egyéb felhasznált adalékok lehetnek vízmentes alumínium-szilikátok, mint erősítő töltőanyagok, egyéb polimerek, újrahasznosított gumi (általában kevesebb, mint 10 százalék), fáradtságcsökkentő vegyületek, antioxidánsok, ózonrezisztens vegyszerek, színező pigmentek, lágyítók, lágyító olajok és penész felszabadulás vegyületek.
Keverés
Az adalékokat alaposan bele kell keverni a gumiba. A gumi nagy viszkozitása (áramlási ellenállása) megnehezíti a keverést anélkül a gumi hőmérsékletének elég magasra emelése (legfeljebb 300 Fahrenheit fokig) az okozáshoz vulkanizálás. Az idő előtti vulkanizálás megelőzése érdekében a keverés általában két szakaszban történik. Az első szakaszban adalékokat, például koromot kevernek a gumiba. Ezt a keveréket mesterkeveréknek nevezik. Miután a gumi kihűlt, hozzáadjuk a vulkanizáláshoz szükséges vegyszereket, és belekeverjük a gumiba.
Formálás
A gumitermékek formázása négy általános technikával történik: extrudálás, kalanderezés, bevonás vagy formázás és öntés. Több formázási technika is alkalmazható, a végterméktől függően.
Az extrudálás abból áll, hogy erősen műanyag gumit kényszerítenek egy sor csavaros extruderre. A kalanderezés a gumit áthaladja a hengerek közötti egyre kisebb hézagok sorozatán. A hengerelt sajtoló eljárás egyesíti az extrudálást és a kalanderezést, és jobb terméket eredményez, mint bármelyik egyedi eljárás.
A bevonat a kalanderezési eljárással gumiréteget visz fel, vagy a gumit szövetbe vagy más anyagba kényszeríti. A gumiabroncsok, a vízálló szövetsátrak és az esőkabátok, a szállítószalagok, valamint a felfújható tutajok anyagok gumival történő bevonásával készülnek.
A gumitermékeket, például a cipő talpát és sarkát, a tömítéseket, a tömítéseket, a tapadókorongokat és a palackdugókat formák segítségével öntik. Az öntés a gumiabroncsok gyártásának lépése is. A gumi öntésének három elsődleges módja a préselt öntés (amelyet gumiabroncsok gyártásához használnak a többi termék között), az öntőformázás és a fröccsöntés. A gumi vulkanizálása az öntési folyamat során történik, nem pedig külön lépésként.
Vulkanizálás
A vulkanizálás befejezi a gumi előállítási folyamatát. A vulkanizálás keresztkötéseket hoz létre a gumi polimerjei között, és a folyamat a végső gumi termék követelményeitől függően változik. Kevesebb keresztkötés a gumipolimerek között lágyabb, hajlékonyabb gumit eredményez. A keresztkötések számának növelése csökkenti a gumi rugalmasságát, keményebb gumit eredményezve. Vulkanizálás nélkül a gumi ragasztó maradna forró állapotban, rideg pedig hideg, és sokkal gyorsabban rothadna.
Az eredetileg Charles Goodyear által 1839-ben felfedezett vulkanizáláshoz kén hozzáadására volt szükség a gumihoz, és az elegyet körülbelül öt órán át 280 F-ra hevítették. A modern vulkanizálás általában kisebb mennyiségű ként használ más vegyi anyagokkal kombinálva, így a fűtési idő 15-20 percre csökken. Alternatív vulkanizálási technikákat fejlesztettek ki, amelyek nem használnak ként.
