Het productieproces van rubber

Aan het eind van de jaren dertig gebruikten de Verenigde Staten meer dan de helft van 's werelds natuurlijke rubbervoorraad. Tegenwoordig is natuurlijk rubber te vinden in meer dan 50.000 vervaardigde producten in de Verenigde Staten, en de VS importeert elk jaar meer dan 3 miljard pond natuurlijk rubber. Meer dan 70 procent van het rubber dat in moderne productieprocessen wordt gebruikt, is echter synthetisch rubber.

Natuurlijk rubber begint als latex. Latex bestaat uit het polymeer dat polyisopreen wordt genoemd, gesuspendeerd in water. Langketenige moleculen samengesteld uit vele (poly) individuele eenheden (meren) die met elkaar verbonden zijn, vormen polymeren. Rubber is een speciale vorm van polymeer, een elastomeer genaamd, wat betekent dat de polymeermoleculen uitrekken en buigen.

Meer dan 2500 planten produceren latex, een melkachtig sapachtig materiaal. Kroontjeskruid is misschien de meest bekende latexproducerende plant voor veel mensen, maar commerciële latex komt van een enkele tropische boom, Hevea brasiliensis. Zoals de naam al doet vermoeden, is de rubberboom ontstaan ​​in tropisch Zuid-Amerika. Meer dan 3000 jaar geleden vermengden Meso-Amerikaanse beschavingen latex met morning glory-sap om rubber te maken. Het veranderen van de verhouding tussen latex en morning glory-sap veranderde de eigenschappen van het rubber. Van stuiterballen tot rubberen sandalen, de Meso-Amerikanen kenden en gebruikten rubber.

Vóór 1900 was het meeste natuurlijke rubber afkomstig van wilde bomen in Brazilië. Toen de 20e eeuw begon, overtroffen vraag en aanbod de productie met de toenemende populariteit van fietsen en auto's. Zaden die uit Brazilië werden gesmokkeld, leidden tot rubberboomplantages in Zuidoost-Azië. In de jaren dertig varieerde het gebruik van natuurlijk rubber van banden op voertuigen en vliegtuigen tot de 32 pond die werd aangetroffen in schoenen, kleding en uitrusting van een soldaat. Tegen die tijd kwam het grootste deel van de Amerikaanse rubbervoorraad uit Zuidoost-Azië, maar de Tweede Wereldoorlog sneed de VS af van het grootste deel van zijn voorraad.

Het productieproces van natuurlijk rubber begint met het oogsten van latex van rubberbomen. Het oogsten van latex van rubberbomen begint met het inkerven of snijden in de bast van de boom. Latex stroomt in een beker die aan de onderkant van de snede in de boom is bevestigd. Het latexmateriaal van veel bomen wordt verzameld in grote tanks.

De meest gebruikelijke methode om het rubber uit latex te extraheren, maakt gebruik van coagulatie, een proces dat het polyisopreen stolt of verdikt tot een massa. Dit proces wordt bereikt door een zuur, zoals mierenzuur, aan de latex toe te voegen. Het stollingsproces duurt ongeveer 12 uur.

Met behulp van een reeks rollen wordt water uit het coagulum van rubber geperst. De resulterende dunne vellen, ongeveer 1/8 inch dik, worden gedroogd over houten rekken in rokerijen. Het droogproces duurt over het algemeen meerdere dagen. Het resulterende donkerbruine rubber, nu geribbeld rookvel genoemd, wordt in balen gevouwen voor verzending naar de verwerker.

Niet al het rubber is echter gerookt. Rubber gedroogd met hete lucht in plaats van roken wordt een luchtgedroogd vel genoemd. Dit proces resulteert in een betere rubberkwaliteit. Een rubber van nog hogere kwaliteit dat bleek crêperubber wordt genoemd, vereist twee coagulatiestappen gevolgd door drogen aan de lucht.

Door de jaren heen zijn er verschillende soorten synthetisch rubber ontwikkeld. Ze zijn allemaal het gevolg van polymerisatie (koppeling) van moleculen. Een proces dat additiepolymerisatie wordt genoemd, verbindt moleculen tot lange ketens. Een ander proces, condensatiepolymerisatie genaamd, elimineert een deel van het molecuul omdat moleculen aan elkaar worden gekoppeld. Voorbeelden van additiepolymeren zijn synthetische rubbers gemaakt van polychloropreen (neopreenrubber), en olie- en benzinebestendig rubber en styreenbutadieenrubber (SBR), gebruikt voor het niet-stuiterende rubber in banden.

De eerste serieuze zoektocht naar synthetisch rubber begon in Duitsland tijdens de Eerste Wereldoorlog. Britse blokkades verhinderden dat Duitsland natuurlijk rubber ontving. Duitse chemici ontwikkelden een polymeer uit 3-methylisopreen (2,3-dimethyl-1,3-butadieen) eenheden, [CH₂=C(CH₃)C(CH₃)=CH2], uit aceton. Hoewel dit substituut, methylrubber, inferieur was aan natuurlijk rubber, produceerde Duitsland tegen het einde van de Eerste Wereldoorlog 15 ton per maand.

Voortgezet onderzoek leidde tot synthetische rubbers van betere kwaliteit. Het meest voorkomende type synthetisch rubber dat momenteel wordt gebruikt, Buna S (styreen-butadieenrubber of SBR), werd in 1929 ontwikkeld door het Duitse bedrijf I.G. Farben. In 1955 ontwikkelde de Amerikaanse chemicus Samuel Emmett Horne, Jr. een polymeer van 98 procent cis-1,4-polyisopreen dat zich gedraagt ​​als natuurlijk rubber. Deze stof in combinatie met SBR wordt sinds 1961 voor banden gebruikt.

Rubber, of het nu natuurlijk of synthetisch is, komt in grote balen aan bij de verwerkers (fabricagebedrijven). Zodra het rubber in de fabriek is aangekomen, verloopt de verwerking in vier stappen: compounderen, mengen, vormgeven en vulkaniseren. De samenstelling en methode van rubbercompoundering is afhankelijk van het beoogde resultaat van het rubberfabricageproces.

Compounding

Compounding voegt chemicaliën en andere additieven toe om het rubber aan te passen voor het beoogde gebruik. Natuurlijk rubber verandert met de temperatuur, wordt broos door kou en een plakkerige, kleverige puinhoop door hitte. Chemicaliën die tijdens het compounderen worden toegevoegd, reageren met het rubber tijdens het vulkanisatieproces om de rubberpolymeren te stabiliseren. Aanvullende additieven kunnen versterkende vulstoffen omvatten om de eigenschappen van het rubber te verbeteren of niet-verstevigende vulstoffen om het rubber te verlengen, wat de kosten verlaagt. Het soort vulmiddel dat wordt gebruikt, is afhankelijk van het eindproduct.

De meest gebruikte versterkende vulstof is carbon black, afgeleid van roet. Carbon black verhoogt de treksterkte van rubber en de weerstand tegen slijtage en scheuren. Carbon black verbetert ook de weerstand van rubber tegen ultraviolette degradatie. De meeste rubberproducten zijn zwart vanwege de carbonzwartvuller.

Afhankelijk van het geplande gebruik van het rubber, kunnen andere gebruikte additieven watervrije aluminiumsilicaten zijn als versterkende vulstoffen, andere polymeren, gerecycled rubber (meestal minder dan 10 procent), vermoeiingsreducerende verbindingen, antioxidanten, ozonbestendige chemicaliën, kleurpigmenten, weekmakers, verzachtende oliën en schimmelwerende middelen verbindingen.

Mengen

De additieven moeten grondig in het rubber worden gemengd. De hoge viscositeit (weerstand tegen vloeien) van het rubber maakt het moeilijk om zonder te mengen het verhogen van de temperatuur van het rubber hoog genoeg (tot 300 graden Fahrenheit) om te veroorzaken: vulkanisatie. Om voortijdige vulkanisatie te voorkomen, vindt het mengen meestal in twee fasen plaats. Tijdens de eerste fase worden additieven zoals roet in het rubber gemengd. Dit mengsel wordt een masterbatch genoemd. Nadat het rubber is afgekoeld, worden de chemicaliën voor vulkanisatie toegevoegd en in het rubber gemengd.

vormgeven

Het vormgeven van rubberproducten gebeurt met behulp van vier algemene technieken: extrusie, kalanderen, coaten of gieten en gieten. Afhankelijk van het eindproduct kan meer dan één vormtechniek worden gebruikt.

Extrusie bestaat uit het persen van zeer plastisch rubber door een reeks schroefextruders. Bij kalanderen gaat het rubber door een reeks steeds kleinere openingen tussen de rollen. Het rol-matrijsproces combineert extrusie en kalanderen, waardoor een beter product wordt geproduceerd dan elk afzonderlijk proces.

Coating maakt gebruik van het kalanderen om een ​​laag rubber aan te brengen of om rubber in stof of ander materiaal te persen. Banden, waterdichte stoffen tenten en regenjassen, transportbanden en opblaasbare vlotten worden gemaakt door materialen te coaten met rubber.

Rubberproducten zoals schoenzolen en hakken, pakkingen, afdichtingen, zuignappen en flessenstops worden gegoten met behulp van mallen. Molding is ook een stap in het maken van banden. De drie belangrijkste methoden voor het vormen van rubber zijn compressievormen (gebruikt bij het maken van onder andere banden), transfergieten en spuitgieten. Vulkanisatie van het rubber vindt plaats tijdens het gietproces in plaats van als een afzonderlijke stap.

vulkanisatie

Vulkanisatie voltooit het productieproces van rubber. Vulkanisatie creëert de dwarsverbindingen tussen de polymeren van rubber en het proces varieert afhankelijk van de vereisten van het uiteindelijke rubberproduct. Minder kruisverbindingen tussen de rubberpolymeren zorgt voor een zachter, buigzamer rubber. Door het aantal dwarsverbindingen te vergroten, neemt de elasticiteit van het rubber af, wat resulteert in harder rubber. Zonder vulkanisatie zou rubber plakkerig blijven als het warm is en broos als het koud is, en het zou veel sneller rotten.

Vulkanisatie, oorspronkelijk ontdekt in 1839 door Charles Goodyear, vereiste het toevoegen van zwavel aan rubber en het verwarmen van het mengsel tot 280 F gedurende ongeveer vijf uur. Moderne vulkanisatie gebruikt in het algemeen kleinere hoeveelheden zwavel in combinatie met andere chemicaliën om de verwarmingstijd te verkorten tot 15 tot 20 minuten. Er zijn alternatieve vulkanisatietechnieken ontwikkeld die geen zwavel gebruiken.