Alla fine degli anni '30, gli Stati Uniti utilizzavano oltre la metà della fornitura mondiale di gomma naturale. Oggi, la gomma naturale si trova in oltre 50.000 prodotti fabbricati negli Stati Uniti e gli Stati Uniti importano oltre 3 miliardi di libbre di gomma naturale ogni anno. Tuttavia, oltre il 70% della gomma utilizzata nei moderni processi di produzione è gomma sintetica.
Sfondo di gomma naturale
La gomma naturale inizia come lattice. Il lattice è costituito dal polimero chiamato poliisoprene sospeso in acqua. Le molecole a catena lunga composte da molte (poli) unità individuali (meri) collegate tra loro formano polimeri. La gomma è una forma speciale di polimero chiamato elastomero, il che significa che le molecole del polimero si allungano e si flettono.
Più di 2.500 piante producono lattice, un materiale simile al latte. Milkweed potrebbe essere la pianta più familiare per la produzione di lattice per molte persone, ma il lattice commerciale proviene da un singolo albero tropicale, Hevea brasiliensis. Come suggerisce il nome, l'albero della gomma è originario del Sud America tropicale. Oltre 3000 anni fa, le civiltà mesoamericane mescolavano il lattice con il succo di gloria mattutina per creare la gomma. La modifica del rapporto tra lattice e succo di gloria mattutina ha modificato le proprietà della gomma. Dalle palline gonfiabili ai sandali di gomma, i mesoamericani conoscevano e usavano la gomma.
Prima del 1900, la maggior parte della gomma naturale proveniva da alberi selvatici in Brasile. All'inizio del XX secolo, l'offerta e la domanda hanno superato la produzione con la crescente popolarità di biciclette e automobili. I semi contrabbandati fuori dal Brasile hanno portato a piantagioni di alberi della gomma nel sud-est asiatico. Negli anni '30, gli usi della gomma naturale variavano dai pneumatici sui veicoli e sugli aerei alle 32 libbre trovate nelle calzature, nell'abbigliamento e nell'equipaggiamento di un soldato. A quel punto, la maggior parte della fornitura di gomma degli Stati Uniti proveniva dal sud-est asiatico, ma la seconda guerra mondiale tagliò gli Stati Uniti dalla maggior parte della sua offerta.
Processo di produzione della gomma naturale
Il processo di produzione della gomma naturale inizia con la raccolta del lattice dagli alberi della gomma. La raccolta del lattice dagli alberi della gomma inizia con l'incisione o il taglio della corteccia dell'albero. Il lattice scorre in una tazza attaccata al fondo del taglio nell'albero. Il materiale in lattice di molti alberi viene accumulato in grandi vasche.
Il metodo più comune per estrarre la gomma dal lattice utilizza la coagulazione, un processo che fa cagliare o addensa il poliisoprene in una massa. Questo processo si ottiene aggiungendo al lattice un acido come l'acido formico. Il processo di coagulazione dura circa 12 ore.
L'acqua viene spremuta fuori dal coagulo di gomma usando una serie di rulli. I fogli sottili risultanti, spessi circa 1/8 di pollice, vengono essiccati su rastrelliere di legno in affumicatoi. Il processo di essiccazione richiede generalmente diversi giorni. La gomma marrone scuro risultante, ora chiamata foglio di fumo a coste, viene piegata in balle per la spedizione al processore.
Tuttavia, non tutta la gomma viene fumata. La gomma essiccata usando aria calda anziché fumare è chiamata foglio essiccato all'aria. Questo processo si traduce in un migliore grado di gomma. Una gomma di qualità ancora superiore chiamata gomma crespa pallida richiede due fasi di coagulazione seguite da asciugatura all'aria.
Creazione di gomma sintetica
Nel corso degli anni sono stati sviluppati diversi tipi di gomma sintetica. Tutti derivano dalla polimerizzazione (collegamento) delle molecole. Un processo chiamato polimerizzazione per addizione lega insieme le molecole in lunghe catene. Un altro processo, chiamato polimerizzazione a condensazione, elimina una porzione della molecola quando le molecole sono collegate tra loro. Esempi di polimeri di addizione includono gomme sintetiche a base di policloroprene (gomma neoprene), an gomma resistente all'olio e alla benzina e gomma stirene butadiene (SBR), utilizzata per la gomma antirimbalzo in pneumatici.
La prima seria ricerca di gomma sintetica iniziò in Germania durante la prima guerra mondiale. I blocchi britannici hanno impedito alla Germania di ricevere la gomma naturale. I chimici tedeschi hanno sviluppato un polimero da unità di 3-metilisoprene (2,3-dimetil-1,3-butadiene), [CH2=C(CH3)C(CH3)=CH2], da acetone. Sebbene questo sostituto, la gomma metilica, fosse inferiore alla gomma naturale, la Germania ne produceva 15 tonnellate al mese entro la fine della prima guerra mondiale.
La continua ricerca ha portato a gomme sintetiche di migliore qualità. Il tipo più comune di gomma sintetica attualmente in uso, Buna S (gomma stirene butadiene o SBR), è stato sviluppato nel 1929 dalla società tedesca I.G. Farben. Nel 1955, il chimico americano Samuel Emmett Horne, Jr. sviluppò un polimero di cis-1,4-poliisoprene al 98% che si comporta come la gomma naturale. Questa sostanza combinata con SBR è stata utilizzata per i pneumatici dal 1961.
Lavorazione della gomma
La gomma, naturale o sintetica, arriva negli stabilimenti di lavorazione (fabbricante) in balle di grandi dimensioni. Una volta che la gomma arriva in fabbrica, la lavorazione passa attraverso quattro fasi: compounding, miscelazione, sagomatura e vulcanizzazione. La formulazione e il metodo della mescola della gomma dipendono dal risultato previsto del processo di fabbricazione della gomma.
Compounding
Il compounding aggiunge sostanze chimiche e altri additivi per personalizzare la gomma per l'uso previsto. La gomma naturale cambia con la temperatura, diventa fragile con il freddo e un pasticcio appiccicoso e appiccicoso con il calore. I prodotti chimici aggiunti durante la mescola reagiscono con la gomma durante il processo di vulcanizzazione per stabilizzare i polimeri di gomma. Ulteriori additivi possono includere cariche rinforzanti per migliorare le proprietà della gomma o cariche non rinforzanti per estendere la gomma, il che riduce il costo. Il tipo di riempitivo utilizzato dipende dal prodotto finale.
Il riempitivo rinforzante più comunemente usato è il nerofumo, derivato dalla fuliggine. Il nerofumo aumenta la resistenza alla trazione della gomma e la resistenza all'abrasione e allo strappo. Il nerofumo migliora anche la resistenza della gomma alla degradazione ultravioletta. La maggior parte dei prodotti in gomma sono neri a causa del nerofumo.
A seconda dell'uso pianificato della gomma, altri additivi utilizzati potrebbero includere silicati di alluminio anidri come cariche rinforzanti, altri polimeri, gomma riciclata (di solito meno del 10 percento), composti che riducono la fatica, antiossidanti, prodotti chimici resistenti all'ozono, pigmenti coloranti, plastificanti, oli ammorbidenti e antimuffa composti.
miscelazione
Gli additivi devono essere accuratamente miscelati nella gomma. L'elevata viscosità (resistenza al flusso) della gomma rende difficile la miscelazione senza aumentare la temperatura della gomma abbastanza in alto (fino a 300 gradi Fahrenheit) da causare vulcanizzazione. Per prevenire la vulcanizzazione prematura, la miscelazione avviene solitamente in due fasi. Durante la prima fase, nella gomma vengono miscelati additivi come il nerofumo. Questa miscela è indicata come masterbatch. Una volta che la gomma si è raffreddata, i prodotti chimici per la vulcanizzazione vengono aggiunti e miscelati nella gomma.
Modellare
La formatura dei prodotti in gomma avviene utilizzando quattro tecniche generali: estrusione, calandratura, rivestimento o stampaggio e fusione. È possibile utilizzare più di una tecnica di modellatura, a seconda del prodotto finale.
L'estrusione consiste nel forzare la gomma altamente plastica attraverso una serie di estrusori a vite. La calandratura fa passare la gomma attraverso una serie di spazi sempre più piccoli tra i rulli. Il processo a rulli combina estrusione e calandratura, producendo un prodotto migliore rispetto a entrambi i processi individuali.
Il rivestimento utilizza il processo di calandratura per applicare uno strato di gomma o per forzare la gomma nel tessuto o altro materiale. Pneumatici, tende e impermeabili in tessuto impermeabile, nastri trasportatori e zattere gonfiabili sono realizzati rivestendo i materiali con la gomma.
I prodotti in gomma come suole e tacchi delle scarpe, guarnizioni, guarnizioni, ventose e fermabottiglie vengono colati mediante stampi. Anche lo stampaggio è un passaggio nella produzione di pneumatici. I tre metodi principali di stampaggio della gomma sono lo stampaggio a compressione (utilizzato nella produzione di pneumatici tra gli altri prodotti), lo stampaggio a trasferimento e lo stampaggio a iniezione. La vulcanizzazione della gomma avviene durante il processo di stampaggio piuttosto che come fase separata.
Vulcanizzazione
La vulcanizzazione completa il processo di produzione della gomma. La vulcanizzazione crea le connessioni tra i polimeri della gomma e il processo varia a seconda delle esigenze del prodotto finale in gomma. Meno collegamenti incrociati tra i polimeri di gomma creano una gomma più morbida e flessibile. Aumentando il numero di collegamenti trasversali diminuisce l'elasticità della gomma, con conseguente gomma più dura. Senza vulcanizzazione, la gomma rimarrebbe appiccicosa a caldo e fragile a freddo e marcirebbe molto più rapidamente.
La vulcanizzazione, originariamente scoperta nel 1839 da Charles Goodyear, richiedeva l'aggiunta di zolfo alla gomma e il riscaldamento della miscela a 280 F per circa cinque ore. La vulcanizzazione moderna, in generale, utilizza quantità minori di zolfo combinate con altri prodotti chimici per ridurre il tempo di riscaldamento a 15-20 minuti. Sono state sviluppate tecniche di vulcanizzazione alternative che non utilizzano zolfo.