Gumos gamybos procesas

1930-ųjų pabaigoje JAV sunaudota daugiau nei pusė natūralaus kaučiuko atsargų pasaulyje. Šiandien natūralaus kaučiuko galima rasti daugiau nei 50 000 gaminamų gaminių JAV, o JAV kasmet importuoja daugiau nei 3 milijardus svarų natūralaus kaučiuko. Tačiau daugiau nei 70 proc. Kaučiuko, naudojamo šiuolaikiniuose gamybos procesuose, yra sintetinis kaučiukas.

Natūralus kaučiukas prasideda kaip lateksas. Lateksas susideda iš polimero, vadinamo poliizoprenu, suspenduoto vandenyje. Ilgos grandinės molekulės, susidedančios iš daugybės (poli) atskirų vienetų (mersų), sujungtų kartu, sudaro polimerus. Guma yra speciali polimero forma, vadinama elastomeru, o tai reiškia, kad polimero molekulės tempiasi ir lankstosi.

Daugiau nei 2500 augalų gamina lateksą, į pieną panašią sulą. Pienžolė daugeliui žmonių gali būti labiausiai pažįstamas latekso augalas, tačiau komercinis lateksas gaunamas iš vieno atogrąžų medžio - Hevea brasiliensis. Kaip rodo pavadinimas, gumos medis atsirado atogrąžų Pietų Amerikoje. Daugiau nei prieš 3000 metų Mesoamerikos civilizacijos sumaišė lateksą su ryto šlovės sultimis, kad sukurtų gumą. Pakeitus latekso ir rytinės šlovės sulčių santykį, pasikeitė gumos savybės. Mesoamerikiečiai žinojo ir naudojo gumą, pradedant nuo atšokusių kamuoliukų iki guminių sandalų.

Iki 1900 m. Daugiausia natūralios gumos buvo iš laukinių medžių Brazilijoje. Prasidėjus XX amžiui, pasiūla ir paklausa pralenkė gamybą, nes vis labiau populiarėjo dviračiai ir automobiliai. Iš Brazilijos išvežtos sėklos vedė į guminių medžių plantacijas Pietryčių Azijoje. 4-ajame dešimtmetyje natūralaus kaučiuko naudojimas svyravo nuo transporto priemonių ir orlaivių padangų iki 32 svarų, rastų kario avalyne, aprangoje ir įrangoje. Tada didžioji JAV gumos tiekimo dalis buvo iš pietryčių Azijos, tačiau Antrasis pasaulinis karas nutraukė JAV nuo daugumos jos tiekimo.

Natūralaus kaučiuko gamybos procesas prasideda latekso derliumi iš medžių. Derliaus nuėmimas nuo guminių medžių prasideda nuo įpjovimo ar pjovimo į medžio žievę. Lateksas teka į puodelį, pritvirtintą prie medžio pjūvio dugno. Daugelio medžių latekso medžiaga kaupiama didelėse talpyklose.

Dažniausias gumos ištraukimo iš latekso būdas yra koaguliacija - procesas, kuris sutraukia arba sutirština poliizopreną į masę. Šis procesas atliekamas pridedant rūgšties, tokios kaip skruzdžių rūgštis, į lateksą. Krešėjimo procesas trunka apie 12 valandų.

Vamzdžių serija iš gumos koagulos išspaudžiamas vanduo. Gauti ploni maždaug 1/8 colio storio lakštai džiovinami rūkyklose ant medinių stelažų. Džiovinimo procesas paprastai reikalauja kelių dienų. Gauta tamsiai ruda guma, dabar vadinama briaunotu dūmų lakštu, sulankstoma į ryšulius, kad būtų galima pristatyti į procesorių.

Tačiau ne visa guma rūkoma. Guma, džiovinta naudojant karštą orą, o ne rūkymą, vadinama oru išdžiovintu lakštu. Šis procesas lemia geresnę gumos rūšį. Dar aukštesnės kokybės guma, vadinama blyškia krepine guma, reikalauja dviejų krešėjimo pakopų, po kurių džiovinama ore.

Per metus buvo sukurta keletas skirtingų sintetinio kaučiuko rūšių. Visa tai atsiranda dėl molekulių polimerizacijos (susiejimo). Procesas, vadinamas pridėjimo polimerizacija, sujungia molekules į ilgas grandines. Kitas procesas, vadinamas kondensacijos polimerizacija, pašalina dalį molekulės, kai molekulės yra sujungtos. Adityvinių polimerų pavyzdžiai yra sintetinės gumos, pagamintos iš polichloropreno (neopreno kaučiuko), an aliejui ir benzinui atspari guma ir stireno butadieno guma (SBR), naudojama padangos.

Pirmosios rimtos sintetinės gumos paieškos prasidėjo Vokietijoje per Pirmąjį pasaulinį karą. Didžiosios Britanijos blokados neleido Vokietijai gauti natūralaus kaučiuko. Vokietijos chemikai sukūrė polimerą iš 3-metilizopreno (2,3-dimetil-1,3-butadieno) vienetų [CH₂= C (CH₃) C (CH₃= CH2] iš acetono. Nors šis pakaitalas, metilo kaučiukas, buvo prastesnis už natūralų kaučiuką, Vokietija iki Pirmojo pasaulinio karo pabaigos pagamino 15 tonų per mėnesį.

Tęsiant tyrimus atsirado geresnės kokybės sintetinių kaučiukų. Šiuo metu dažniausiai naudojamas sintetinio kaučiuko tipas „Buna S“ (stireno butadieno kaučiukas arba SBR) buvo sukurtas 1929 m. Vokietijos bendrovės „I.G. Farben. 1955 m. Amerikiečių chemikas Samuelis Emmettas Horne'as, jaunesnysis, sukūrė 98 procentų cis-1,4-poliizopreno polimerą, kuris elgiasi kaip natūralus kaučiukas. Ši medžiaga kartu su SBR padangoms buvo naudojama nuo 1961 m.

Natūrali arba sintetinė guma į perdirbėjų gamyklas patenka didelėmis rulonais. Kai guma atkeliauja į gamyklą, perdirbimas atliekamas keturiais etapais: maišymas, maišymas, formavimas ir vulkanizavimas. Gumos mišinio sudėtis ir metodas priklauso nuo numatomo gumos gamybos proceso rezultato.

Sudėtinis

Sudedant dedama chemikalų ir kitų priedų, kad guma būtų pritaikyta pagal paskirtį. Natūralus kaučiukas kinta priklausomai nuo temperatūros, nuo šalčio tampa trapus, o karščiu - lipni, ošiška netvarka. Maišant pridėtos cheminės medžiagos reaguoja su guma vulkanizavimo proceso metu, kad stabilizuotų kaučiuko polimerus. Papildomi priedai gali būti sutvirtinantys užpildai, kad būtų pagerintos gumos savybės, arba nesustiprinantys užpildai, prailginantys gumą, o tai sumažina išlaidas. Naudojamo užpildo rūšis priklauso nuo galutinio produkto.

Dažniausiai naudojamas armatūros užpildas yra suodžiai, gaunami iš suodžių. Anglies juoda padidina gumos tempiamąjį stiprumą ir atsparumą dilimui bei plyšimui. Suodis taip pat pagerina gumos atsparumą ultravioletiniams skilimams. Daugelis gumos gaminių yra juodi dėl suodžių užpildo.

Priklausomai nuo planuojamo kaučiuko naudojimo, kiti naudoti priedai gali būti bevandeniai aliuminio silikatai kaip sutvirtinantys užpildai, kiti polimerai, perdirbta guma (paprastai mažiau nei 10 proc.), nuovargį mažinantys junginiai, antioksidantai, ozonui atsparios cheminės medžiagos, dažikliai, plastifikatoriai, minkštinantys aliejai ir pelėsiai junginiai.

Maišymas

Priedai turi būti kruopščiai įmaišyti į gumą. Dėl didelės gumos klampos (atsparumas srautui) be maišymo sunku ją atlikti pakeldamas gumos temperatūrą pakankamai aukštai (iki 300 laipsnių pagal Celsijų), kad sukeltų vulkanizavimas. Siekiant išvengti ankstyvos vulkanizacijos, maišymas paprastai vyksta dviem etapais. Pirmojo etapo metu į gumą įmaišomi tokie priedai kaip suodis. Šis mišinys vadinamas pagrindiniu mišiniu. Kai guma atvės, į vulkanizavimo medžiagas įpilama ir įmaišoma į gumą.

Formuojant

Gumos gaminiai formuojami naudojant keturis bendruosius metodus: ekstruziją, kalandravimą, dengimą ar liejimą ir liejimą. Atsižvelgiant į galutinį produktą, gali būti naudojama daugiau nei viena formavimo technika.

Ekstruzija susideda iš labai plastikinės gumos verčiamo per sraigtinius ekstruderius. Kalandravimas praleidžia gumą per vis mažesnius tarpus tarp ritinėlių. „Roll-die“ procesas sujungia ekstruziją ir kalandravimą, todėl gaminamas geresnis produktas nei bet kuriame atskirame procese.

Dengiant kalandravimo procesą padengiamas gumos sluoksnis arba priverčiamas guma į audinį ar kitą medžiagą. Padangos, neperšlampamos medžiaginės palapinės ir lietpalčiai, konvejerio juostos, taip pat pripučiami plaustai gaminami dengiant medžiagas guma.

Gumos gaminiai, tokie kaip batų padai ir kulnai, tarpinės, sandarikliai, siurbiamieji puodeliai ir butelių kamščiai, liejami naudojant formas. Liejimas taip pat yra žingsnis gaminant padangas. Trys pagrindiniai gumos liejimo būdai yra presavimas (naudojamas padangoms gaminti, be kitų gaminių), perkėlimas ir liejimas. Gumos vulkanizavimas vyksta formavimo procese, o ne kaip atskiras žingsnis.

Vulkanizavimas

Vulkanizacija užbaigia gumos gamybos procesą. Vulkanizavimas sukuria kryžminius ryšius tarp kaučiuko polimerų, o procesas skiriasi priklausomai nuo galutinio kaučiuko gaminio reikalavimų. Mažiau kryžminių jungčių tarp guminių polimerų sukuria minkštesnę, lankstesnę gumą. Padidinus kryžminių jungčių skaičių, sumažėja gumos elastingumas, todėl gaunama kietesnė guma. Be vulkanizavimo guma karštai išliktų lipni, o šalta - būtų trapi ir daug greičiau pūtų.

Vulkanizacijai, kurią iš pradžių 1839 m. Atrado Charlesas Goodyearas, reikėjo į gumą įpilti sieros ir maždaug penkias valandas mišinį pašildyti iki 280 F. Šiuolaikinei vulkanizacijai paprastai naudojamas mažesnis sieros kiekis kartu su kitomis cheminėmis medžiagomis, kad kaitinimo laikas sutrumpėtų iki 15–20 minučių. Buvo sukurti alternatyvūs vulkanizavimo metodai, kuriuose nenaudojama siera.