1930 년대 후반 미국은 세계 천연 고무 공급량의 절반 이상을 사용했습니다. 오늘날 천연 고무는 미국에서 50,000 개 이상의 제조 제품에서 찾을 수 있으며, 미국은 매년 30 억 파운드 이상의 천연 고무를 수입합니다. 그러나 현대 제조 공정에 사용되는 고무의 70 % 이상이 합성 고무입니다.
천연 고무의 배경
천연 고무는 라텍스로 시작됩니다. 라텍스는 물에 떠있는 폴리 이소프렌이라는 폴리머로 구성됩니다. 함께 연결된 많은 (다중) 개별 단위 (머)로 구성된 장쇄 분자는 폴리머를 형성합니다. 고무는 탄성 중합체라고하는 특별한 형태의 중합체로, 중합체 분자가 늘어나고 구부러지는 것을 의미합니다.
2,500 개 이상의 식물이 우유와 같은 수 액형 물질 인 라텍스를 생산합니다. 밀크 위드는 많은 사람들에게 가장 친숙한 라텍스 생산 식물 일 수 있지만 상업용 라텍스는 단일 열대 나무 인 Hevea brasiliensis에서 유래합니다. 이름에서 알 수 있듯이 고무 나무는 열대 남미에서 시작되었습니다. 3,000 년 전, 메소 아메리카 문명은 고무를 만들기 위해 라텍스와 나팔꽃 주스를 혼합했습니다. 라텍스와 나팔꽃 주스의 비율을 변경하면 고무의 특성이 변경되었습니다. 탄력있는 공에서 고무 샌들에 이르기까지 Mesoamericans는 고무를 알고 사용했습니다.
1900 년 이전에는 대부분의 천연 고무가 브라질의 야생 나무에서 나왔습니다. 20 세기가 시작되면서 자전거와 자동차의 인기가 높아지면서 공급과 수요가 생산을 앞 지르고 있습니다. 브라질에서 밀수 된 씨앗은 동남아시아의 고무 나무 농장으로 이어졌습니다. 1930 년대까지 천연 고무 사용은 차량 및 항공기의 타이어에서 군인의 신발, 의복 및 장비에서 발견되는 32 파운드에 이르기까지 다양했습니다. 당시 미국 고무 공급의 대부분은 동남아시아에서 나왔지만 제 2 차 세계 대전은 대부분의 공급에서 미국을 차단했습니다.
천연 고무 제조 공정
천연 고무 제조 공정은 고무 나무에서 라텍스를 수확하는 것으로 시작됩니다. 고무 나무에서 라텍스를 수확하는 것은 나무 껍질을 채점하거나 자르는 것으로 시작됩니다. 라텍스는 나무의 절단 바닥에 부착 된 컵으로 흘러 들어갑니다. 많은 나무의 라텍스 재료는 대형 탱크에 축적됩니다.
라텍스에서 고무를 추출하는 가장 일반적인 방법은 폴리 이소프렌을 덩어리로 만들거나 두껍게 만드는 과정 인 응고를 사용합니다. 이 과정은 라텍스에 포름산과 같은 산을 첨가하여 수행됩니다. 응고 과정은 약 12 시간이 걸립니다.
일련의 롤러를 사용하여 고무 응집체에서 물을 짜냅니다. 약 1/8 인치 두께의 얇은 시트는 훈제 실의 나무 선반 위에서 건조됩니다. 건조 과정은 일반적으로 며칠이 걸립니다. 결과물 인 짙은 갈색 고무 (현재는 늑골이있는 연기 시트라고 함)는 처리기로 배송하기 위해 베일로 접혀 있습니다.
그러나 모든 고무가 훈제되는 것은 아닙니다. 훈제보다 뜨거운 공기를 사용하여 건조시킨 고무를 공기 건조 시트라고합니다. 이 과정은 더 나은 등급의 고무를 만듭니다. 옅은 크레이프 고무라고하는 더 높은 품질의 고무는 두 번의 응고 단계와 공기 건조가 필요합니다.
합성 고무 만들기
수년에 걸쳐 여러 종류의 합성 고무가 개발되었습니다. 모두 분자의 중합 (연결)에서 기인합니다. 첨가 중합이라는 과정은 분자를 긴 사슬로 묶습니다. 축 중합이라고하는 또 다른 과정은 분자가 서로 연결될 때 분자의 일부를 제거합니다. 부가 폴리머의 예로는 폴리 클로로프렌 (네오프렌 고무)으로 만든 합성 고무, 내유성 및 내유성 고무 및 스티렌 부타디엔 고무 (SBR), 타이어.
합성 고무에 대한 첫 번째 진지한 검색은 제 1 차 세계 대전 중 독일에서 시작되었습니다. 영국의 봉쇄로 인해 독일은 천연 고무를받지 못했습니다. 독일 화학자들이 3- 메틸 이소프렌 (2,3- 디메틸 -1,3- 부타디엔) 단위 [CH2= C (CH3) C (CH3) = CH2], 아세톤에서. 이 대체품 인 메틸 고무는 천연 고무보다 열등했지만 독일은 1 차 세계 대전 말까지 월 15 톤을 생산했다.
지속적인 연구를 통해 더 나은 품질의 합성 고무가 탄생했습니다. 현재 사용되는 가장 일반적인 합성 고무 유형 인 Buna S (스티렌 부타디엔 고무 또는 SBR)는 1929 년 독일 회사 I.G. 파벤. 1955 년 미국의 화학자 Samuel Emmett Horne, Jr.는 천연 고무처럼 작용하는 98 %의 시스 -1,4- 폴리 이소프렌 폴리머를 개발했습니다. SBR과 결합 된이 물질은 1961 년부터 타이어에 사용되었습니다.
고무 가공
천연 또는 합성 고무는 대형 베일로 가공 업체 (제조업체) 공장에 도착합니다. 고무가 공장에 도착하면 가공은 배합, 혼합, 성형 및 가황의 4 단계를 거칩니다. 고무 배합 공식 및 방법은 고무 제조 공정의 의도 된 결과에 따라 다릅니다.
합성
컴 파운딩은 화학 물질 및 기타 첨가제를 추가하여 의도 한 용도에 맞게 고무를 맞춤화합니다. 천연 고무는 온도에 따라 변하고 추위에 부서지기 쉽고 열에 끈적 거리고 끈적 거리게됩니다. 컴 파운딩 과정에서 첨가 된 화학 물질은 가황 과정에서 고무와 반응하여 고무 폴리머를 안정화시킵니다. 추가 첨가제는 고무의 특성을 향상시키기위한 강화 충전제 또는 고무를 확장하기위한 비 강화 충전제를 포함 할 수 있으며, 이는 비용을 감소시킨다. 사용되는 필러의 종류는 최종 제품에 따라 다릅니다.
가장 일반적으로 사용되는 강화 필러는 그을음에서 추출한 카본 블랙입니다. 카본 블랙은 고무의 인장 강도와 마모 및 찢김에 대한 내성을 증가시킵니다. 카본 블랙은 또한 고무의 자외선 분해 저항성을 향상시킵니다. 대부분의 고무 제품은 카본 블랙 필러로 인해 검정색입니다.
고무의 계획된 사용에 따라 사용되는 다른 첨가제에는 강화 필러, 기타 폴리머, 재활용 고무로 무수 알루미늄 규산염이 포함될 수 있습니다. (보통 10 % 미만), 피로 감소 화합물, 항산화 제, 내 오존성 화학 물질, 착색 안료, 가소제, 연화 오일 및 곰팡이 방출 화합물.
혼입
첨가제는 고무에 완전히 혼합되어야합니다. 고무의 고점도 (흐름에 대한 저항성)로 인해 고무의 온도를 충분히 높이면 (화씨 300도까지) 가황. 조기 가황을 방지하기 위해 혼합은 일반적으로 두 단계로 진행됩니다. 첫 번째 단계에서 카본 블랙과 같은 첨가제가 고무에 혼합됩니다. 이 혼합물을 마스터 배치라고합니다. 고무가 냉각되면 가황을위한 화학 물질이 고무에 첨가되고 혼합됩니다.
형성
성형 고무 제품은 압출, 캘린더 링, 코팅 또는 성형 및 주조의 네 가지 일반적인 기술을 사용하여 발생합니다. 최종 제품에 따라 하나 이상의 성형 기술을 사용할 수 있습니다.
압출은 일련의 스크류 압출기를 통해 높은 플라스틱 고무를 강제하는 것으로 구성됩니다. 캘린더 링은 롤러 사이의 점점 더 작은 틈새를 통해 고무를 통과시킵니다. 롤러 다이 공정은 압출과 캘린더 링을 결합하여 개별 공정보다 더 나은 제품을 생산합니다.
코팅은 캘린더 링 프로세스를 사용하여 고무 코팅을 적용하거나 고무를 직물 또는 기타 재료에 강제로 적용합니다. 타이어, 방수 천 텐트 및 비옷, 컨베이어 벨트 및 풍선 뗏목은 고무로 재료를 코팅하여 만들어집니다.
신발 밑창과 뒤꿈치, 개스킷, 씰, 흡입 컵 및 병 마개와 같은 고무 제품은 몰드를 사용하여 주조됩니다. 몰딩은 또한 타이어를 만드는 단계입니다. 고무 성형의 세 가지 주요 방법은 압축 성형 (다른 제품 중에서 타이어를 만드는 데 사용됨), 트랜스퍼 성형 및 사출 성형입니다. 고무의 가황은 별도의 단계가 아닌 성형 공정 중에 발생합니다.
가황
가황은 고무 생산 과정을 완료합니다. 가황은 고무 폴리머 사이에 교차 연결을 생성하며 공정은 최종 고무 제품의 요구 사항에 따라 다릅니다. 고무 폴리머 간의 교차 연결이 적어지면 더 부드럽고 유연한 고무가 생성됩니다. 교차 연결의 수를 늘리면 고무의 탄성이 감소하여 고무가 더 단단해집니다. 가황하지 않으면 고무는 뜨거울 때 끈적 거리고 추울 때 부서지기 쉽고 훨씬 더 빨리 썩을 것입니다.
1839 년 Charles Goodyear에 의해 처음 발견 된 가황은 고무에 황을 첨가하고 혼합물을 약 5 시간 동안 280F로 가열해야했습니다. 일반적으로 현대 가황은 가열 시간을 15-20 분으로 줄이기 위해 다른 화학 물질과 결합 된 더 적은 양의 황을 사용합니다. 황을 사용하지 않는 대체 가황 기술이 개발되었습니다.