Gumijas ražošanas process

1930. gadu beigās Amerikas Savienotās Valstis izmantoja vairāk nekā pusi no pasaules dabiskā kaučuka krājumiem. Mūsdienās dabisko kaučuku var atrast vairāk nekā 50 000 ražotu produktu ASV, un ASV katru gadu importē vairāk nekā 3 miljardus mārciņu dabiskā kaučuka. Tomēr vairāk nekā 70 procenti gumijas, ko izmanto mūsdienu ražošanas procesos, ir sintētiskais kaučuks.

Dabīgais kaučuks sākas kā latekss. Latekss sastāv no polimēra, ko sauc par poliizoprēnu, kas suspendēts ūdenī. Garas ķēdes molekulas, kas sastāv no daudzām (poli) atsevišķām vienībām (mers), kas savienotas kopā, veido polimērus. Gumija ir īpaša polimēra forma, ko sauc par elastomēru, kas nozīmē, ka polimēra molekulas izstiepjas un izliekas.

Vairāk nekā 2500 augu ražo lateksu, pienam līdzīgu sulu tipa materiālu. Piena zāle daudziem cilvēkiem varētu būt pazīstamākā lateksa ražošanas iekārta, bet komerciālais latekss nāk no viena tropiskā koka - Hevea brasiliensis. Kā norāda nosaukums, gumijas koks cēlies tropu dienvidamerikā. Pirms vairāk nekā 3000 gadiem Mezoamerikas civilizācijas sajauca lateksu ar rīta slavas sulu, lai izveidotu gumiju. Mainot lateksa un rīta krāšņuma sulas attiecību, mainījās gumijas īpašības. Sākot no bumbām ar bumbiņām un beidzot ar gumijas sandalēm, mesoamerikāņi zināja un izmantoja gumiju.

Pirms 1900. gada visvairāk dabiskā kaučuka nāca no savvaļas kokiem Brazīlijā. Sākoties 20. gadsimtam, piedāvājums un pieprasījums apsteidza ražošanu, pieaugot velosipēdu un automašīnu popularitātei. No Brazīlijas izvestās sēklas noveda pie gumijas koku plantācijām Āzijas dienvidaustrumos. Līdz 20. gadsimta 30. gadiem dabiskā kaučuka izmantošana svārstījās no transportlīdzekļu un lidmašīnu riepām līdz 32 mārciņām, kas atrodamas karavīra apavos, apģērbā un ekipējumā. Tajā laikā lielākā daļa ASV gumijas piegāžu bija no Āzijas dienvidaustrumiem, bet Otrais pasaules karš pārtrauca ASV no lielākās daļas piegādes.

Dabiskā kaučuka ražošanas process sākas ar lateksa novākšanu no gumijas kokiem. Lateksa novākšana no gumijas kokiem sākas ar vērtēšanu vai iegriešanu koka mizā. Latekss ieplūst krūzē, kas piestiprināta kokā sagrieztā apakšā. Daudzu koku lateksa materiāls tiek uzkrāts lielās tvertnēs.

Visizplatītākā gumijas iegūšanas metode no lateksa izmanto koagulāciju - procesu, kas poliizoprēnu sarīvē vai sabiezē masā. Šis process tiek veikts, lateksam pievienojot skābi, piemēram, skudrskābi. Koagulācijas process ilgst apmēram 12 stundas.

Ūdens tiek izspiests no gumijas koagulācijas, izmantojot virkni veltņu. Iegūtās plānas, apmēram 1/8 collu biezas loksnes žāvē virs koka plauktiem kūpinātavās. Žāvēšanas process parasti prasa vairākas dienas. Iegūtā tumši brūnā gumija, ko tagad sauc par rievotu dūmu plēvi, tiek salocīta ķīpās, lai tās nogādātu procesorā.

Tomēr ne visa gumija tiek kūpināta. Gumiju, kas žāvēta, izmantojot karstu gaisu, nevis smēķēšanu, sauc par gaisa žāvētu lapu. Šis process nodrošina labāku gumijas pakāpi. Vēl augstākas kvalitātes gumijai, ko sauc par gaišā kreppumiju, nepieciešami divi koagulācijas soļi, kam seko žāvēšana gaisā.

Gadu gaitā ir izstrādāti vairāki dažādi sintētiskā kaučuka veidi. Visi rodas molekulu polimerizācijas (saistīšanas) rezultātā. Process, ko sauc par pievienošanas polimerizācijas virknēm, molekulas apvieno garās ķēdēs. Cits process, ko sauc par kondensācijas polimerizāciju, novērš molekulas daļu, kad molekulas ir saistītas. Pievienošanas polimēru piemēri ietver sintētiskās gumijas, kas izgatavotas no polihloroprēna (neoprēna gumijas), an eļļas un benzīna izturīga gumija un stirola butadiēna gumija (SBR), ko izmanto neatlēcošai gumijai riepas.

Pirmie nopietnie sintētiskā kaučuka meklējumi sākās Vācijā 1. pasaules kara laikā. Lielbritānijas blokādes neļāva Vācijai saņemt dabīgo kaučuku. Vācu ķīmiķi izstrādāja polimēru no 3-metilizoprēna (2,3-dimetil-1,3-butadiēna) vienībām [CH₂= C (CH₃) C (CH₃= CH2] no acetona. Lai gan šis metilkaučuka aizstājējs bija zemāks par dabisko kaučuku, Vācija līdz 1. pasaules kara beigām saražoja 15 tonnas mēnesī.

Turpinot pētījumus, tika iegūtas labākas kvalitātes sintētiskās gumijas. Visizplatītākais šobrīd izmantotais sintētiskā kaučuka veids Buna S (stirola butadiēna gumija vai SBR) 1929. gadā tika izstrādāts Vācijas uzņēmumā I.G. Farben. 1955. gadā amerikāņu ķīmiķis Semjuels Emets Horne, jaunākais, izstrādāja polimēru no 98 procentiem cis-1,4-poliizoprēna, kas izturas tāpat kā dabīgais kaučuks. Šo vielu kopā ar SBR riepām lieto kopš 1961. gada.

Gumija, dabiska vai sintētiska, nonāk procesoru (izgatavotāju) rūpnīcās lielās ķīpās. Kad gumija nonāk rūpnīcā, apstrāde notiek četros posmos: maisīšana, sajaukšana, veidošana un vulkanizēšana. Gumijas maisījuma sastāvs un metode ir atkarīga no gumijas ražošanas procesa paredzētā iznākuma.

Salikšana

Sajaukšana pievieno ķīmiskas vielas un citas piedevas, lai gumiju pielāgotu paredzētajam lietojumam. Dabiskais kaučuks mainās līdz ar temperatūru, kļūstot trausls ar aukstumu un lipīgu, gaišu putru ar karstumu. Sajaukšanas laikā pievienotās ķīmiskās vielas vulkanizācijas procesā reaģē ar gumiju, lai stabilizētu gumijas polimērus. Papildu piedevas var ietvert pastiprinošas pildvielas, lai uzlabotu gumijas īpašības, vai nestiprinošas pildvielas, lai gumija pagarinātu, kas samazina izmaksas. Izmantotās pildvielas veids ir atkarīgs no gala produkta.

Visbiežāk lietotā pastiprinošā pildviela ir kvēpu, kas iegūta no kvēpu. Sodrējs palielina gumijas stiepes izturību un izturību pret nodilumu un plīsumiem. Sodrējs arī uzlabo gumijas izturību pret ultravioletā starojuma noārdīšanos. Lielākā daļa gumijas izstrādājumu ir melni, pateicoties oglekļa pildvielai.

Atkarībā no plānotās gumijas izmantošanas, citas izmantotās piedevas var būt bezūdens alumīnija silikāti kā pastiprinošas pildvielas, citi polimēri, pārstrādāta gumija (parasti mazāk nekā 10 procenti), nogurumu mazinoši savienojumi, antioksidanti, ķīmiskās vielas, kas izturīgas pret ozonu, krāsojošie pigmenti, plastifikatori, mīkstinošās eļļas un pelējuma izdalīšanās savienojumi.

Maisīšana

Piedevas rūpīgi jāsajauc gumijā. Gumijas augstā viskozitāte (izturība pret plūsmu) padara sajaukšanu bez tās sarežģītu paaugstinot gumijas temperatūru pietiekami augstu (līdz 300 grādiem pēc Fārenheita), lai izraisītu vulkanizācija. Lai novērstu priekšlaicīgu vulkanizāciju, sajaukšana parasti notiek divos posmos. Pirmajā posmā gumijā tiek sajauktas tādas piedevas kā ogleklis. Šis maisījums tiek dēvēts par pamatsēriju. Kad gumija ir atdzisusi, tiek pievienotas ķīmiskās vielas vulkanizēšanai un sajaucas gumijā.

Formēšana

Gumijas izstrādājumu veidošana notiek, izmantojot četras vispārīgas metodes: ekstrūzija, kalandrēšana, pārklāšana vai formēšana un liešana. Atkarībā no gala produkta var izmantot vairāk nekā vienu veidošanas paņēmienu.

Ekstrūzija sastāv no ļoti plastmasas gumijas piespiešanas caur skrūvju ekstrūderu sēriju. Kalandrēšana izlaiž gumiju caur arvien mazākām atstarpēm starp veltņiem. Rullīšu presēšanas process apvieno ekstrūziju un kalandrēšanu, iegūstot labāku produktu nekā katrs atsevišķais process.

Pārklājums izmanto kalandrēšanas procesu, lai uzklātu gumijas kārtu vai piespiež gumiju audumā vai citā materiālā. Riepas, ūdensizturīgas auduma teltis un lietusmēteļus, konveijera lentes, kā arī piepūšamos plostus izgatavo, pārklājot materiālus ar gumiju.

Gumijas izstrādājumi, piemēram, apavu zoles un papēži, blīves, blīvslēgi, piesūcekņi un pudeļu aizbāžņi, tiek lieti, izmantojot veidnes. Formēšana ir arī solis riepu izgatavošanā. Trīs galvenās gumijas formēšanas metodes ir kompresijas formēšana (ko izmanto riepu ražošanā starp citiem izstrādājumiem), pārvietošanas formēšana un presēšana. Gumijas vulkanizācija notiek formēšanas procesā, nevis kā atsevišķs solis.

Vulkanizācija

Vulkanizācija pabeidz gumijas ražošanas procesu. Vulkanizācija rada šķērssavienojumus starp gumijas polimēriem, un process mainās atkarībā no gala gumijas izstrādājuma prasībām. Mazāk šķērssavienojumu starp gumijas polimēriem izveido mīkstāku, elastīgāku gumiju. Palielinot šķērssavienojumu skaitu, samazinās gumijas elastība, kā rezultātā veidojas cietāka gumija. Bez vulkanizācijas gumija karstumā paliks lipīga un auksta - trausla, un tā pūtīs daudz ātrāk.

Vulkanizācijai, kuru sākotnēji 1839. gadā atklāja Čārlzs Gudjērs, bija nepieciešams gumijai pievienot sēru un maisījumu sildīt līdz 280 F apmēram piecas stundas. Mūsdienu vulkanizācijā parasti tiek izmantots mazāks sēra daudzums kopā ar citām ķīmiskām vielām, lai samazinātu sildīšanas laiku līdz 15 līdz 20 minūtēm. Ir izstrādātas alternatīvas vulkanizācijas metodes, kurās neizmanto sēru.