På slutten av 1930-tallet brukte USA over halvparten av verdens naturgummiforsyning. I dag kan man finne naturgummi i over 50.000 produserte produkter i USA, og USA importerer over 3 milliarder pund naturgummi hvert år. Over 70 prosent av gummien som brukes i moderne produksjonsprosesser, er imidlertid syntetisk gummi.
Bakgrunn av naturlig gummi
Naturgummi begynner som latex. Latex består av polymeren kalt polyisopren suspendert i vann. Langkjedede molekyler sammensatt av mange (poly) individuelle enheter (merer) koblet sammen danner polymerer. Gummi er en spesiell form for polymer som kalles en elastomer, noe som betyr at polymermolekylene strekker seg og bøyer seg.
Mer enn 2500 planter produserer latex, et melkeaktig sap-type materiale. Milkweed kan være det mest kjente latexproduserende anlegget for mange mennesker, men kommersiell latex kommer fra et enkelt tropisk tre, Hevea brasiliensis. Som navnet antyder, oppsto gummitreet i det tropiske Sør-Amerika. For over 3000 år siden blandet mesoamerikanske sivilisasjoner latex med morning glory juice for å lage gummi. Endring av forholdet mellom latex og morning glory juice endret egenskapene til gummien. Fra hoppende baller til gummisandaler kjente og brukte mesoamerikanerne gummi.
Før 1900 kom mest naturgummi fra ville trær i Brasil. Da det 20. århundre begynte, overgikk tilbud og etterspørsel produksjonen med den økende populariteten til sykler og biler. Frø smuglet ut av Brasil førte til gummitreplantasjer i Sørøst-Asia. På 1930-tallet varierte bruken av naturgummi fra dekk på kjøretøy og fly til de 32 pundene som ble funnet i soldatens fottøy, klær og utstyr. Da kom det meste av den amerikanske gummiforsyningen fra Sørøst-Asia, men andre verdenskrig avskåret USA fra flertallet av forsyningen.
Naturlig gummiproduksjonsprosess
Fremstillingsprosessen for naturlig gummi begynner med å høste latex fra gummitrær. Høsting av latex fra gummitrær begynner med å skåre eller skjære i barken på treet. Latex strømmer inn i en kopp festet til bunnen av kuttet i treet. Latexmaterialet fra mange trær akkumuleres i store tanker.
Den vanligste metoden for å trekke ut gummi fra latex bruker koagulering, en prosess som krøller eller tykner polyisopren til en masse. Denne prosessen oppnås ved å tilsette en syre slik som maursyre til latexen. Koagulasjonsprosessen tar omtrent 12 timer.
Vann blir presset ut av koagulatet av gummi ved hjelp av en serie ruller. De resulterende tynne arkene, omtrent 1/8 tomme tykke, tørkes over treholdere i røykhus. Tørkeprosessen krever vanligvis flere dager. Den resulterende mørkebrune gummien, nå kalt ribbet røykark, brettes til baller for levering til prosessoren.
Ikke all gummi er røkt. Gummitørket med varm luft i stedet for å røyke kalles et lufttørket ark. Denne prosessen resulterer i en bedre kvalitet på gummi. En enda høyere kvalitet gummi kalt blek crepe gummi krever to koaguleringstrinn fulgt av lufttørking.
Lager syntetisk gummi
Flere forskjellige typer syntetisk gummi har blitt utviklet gjennom årene. Alt skyldes polymerisering (kobling) av molekyler. En prosess som kalles tilleggspolymerisering strenger sammen molekyler i lange kjeder. En annen prosess, kalt kondensasjonspolymerisasjon, eliminerer en del av molekylet ettersom molekyler er koblet sammen. Eksempler på tilleggspolymerer inkluderer syntetiske gummier laget av polykloropren (neoprengummi), et olje- og bensinbestandig gummi og styrenbutadiengummi (SBR), brukt til ikke-sprettgummi i dekk.
Det første seriøse søket etter syntetisk gummi begynte i Tyskland under første verdenskrig. Britiske blokkeringer hindret Tyskland i å motta naturgummi. Tyske kjemikere utviklet en polymer fra 3-metylisopren (2,3-dimetyl-1,3-butadien) enheter, [CH2= C (CH3C (CH3) = CH2], fra aceton. Selv om denne erstatningen, metylgummi, var dårligere enn naturgummi, produserte Tyskland 15 tonn per måned innen utgangen av første verdenskrig.
Fortsatt forskning førte til bedre kvalitet syntetiske gummier. Den vanligste typen syntetisk gummi som er i bruk, Buna S (styrenbutadiengummi eller SBR), ble utviklet i 1929 av det tyske selskapet I.G. Farben. I 1955 utviklet den amerikanske kjemikeren Samuel Emmett Horne, Jr. en polymer på 98 prosent cis-1,4-polyisopren som oppfører seg som naturgummi. Dette stoffet kombinert med SBR har blitt brukt til dekk siden 1961.
Behandler gummi
Gummi, enten det er naturlig eller syntetisk, ankommer prosessoranlegg (fabrikatør) i store baller. Når gummien ankommer fabrikken, går behandlingen gjennom fire trinn: blanding, blanding, forming og vulkanisering. Formelen og metoden for gummiblanding avhenger av det tiltenkte resultatet av gummiproduksjonsprosessen.
Sammensatt
Compounding tilfører kjemikalier og andre tilsetningsstoffer for å tilpasse gummien til den tiltenkte bruken. Naturlig gummi endres med temperaturen, blir sprø med kulde og et klebrig, klissete rot med varme. Kjemikalier tilsatt under blanding reagerer med gummien under vulkaniseringsprosessen for å stabilisere gummipolymerene. Ytterligere tilsetningsstoffer kan omfatte forsterkende fyllstoffer for å forbedre egenskapene til gummien eller ikke-armerende fyllstoffer for å utvide gummien, noe som reduserer kostnadene. Hvilken fyllstoff som brukes, avhenger av sluttproduktet.
Det mest brukte forsterkningsfyllstoffet er kullsvart, avledet fra sot. Kullsvart øker gummiens strekkfasthet og motstand mot slitasje og rive. Kullsvart forbedrer også gummis motstandsdyktighet mot ultrafiolett nedbrytning. De fleste gummiprodukter er svarte på grunn av karbon svart fyllstoff.
Avhengig av den planlagte bruken av gummien, kan andre tilsetningsstoffer som brukes, omfatte vannfrie aluminiumsilikater som forsterkende fyllstoffer, andre polymerer, resirkulert gummi (vanligvis mindre enn 10 prosent), utmattelsesreduserende forbindelser, antioksidanter, ozonbestandige kjemikalier, fargestoffpigmenter, myknere, mykgjørende oljer og muggutslipp forbindelser.
Blande
Tilsetningsstoffene må blandes grundig i gummien. Den høye viskositeten (motstand mot strømning) av gummien gjør blanding vanskelig å oppnå uten heve temperaturen på gummien høyt nok (opp til 300 grader Fahrenheit) til å forårsake vulkanisering. For å forhindre for tidlig vulkanisering skjer blandingen vanligvis i to trinn. I løpet av den første fasen blandes tilsetningsstoffer som karbon svart i gummien. Denne blandingen blir referert til som en masterbatch. Når gummien er avkjølt, tilsettes kjemikaliene for vulkanisering og blandes i gummien.
Forming
Forming av gummiprodukter skjer ved bruk av fire generelle teknikker: ekstrudering, kalandrering, belegg eller støping og støping. Avhengig av sluttproduktet kan det brukes mer enn én formingsteknikk.
Ekstrudering består av å tvinge høyplastisk gummi gjennom en serie skrueekstrudere. Kalandrering fører gummien gjennom en serie med stadig mindre mellomrom mellom rullene. Valsedyseprosessen kombinerer ekstrudering og kalandrering, og gir et bedre produkt enn hver enkelt prosess.
Belegg bruker kalandreringsprosessen for å påføre et strøk med gummi eller for å tvinge gummi inn i stoff eller annet materiale. Dekk, vanntette teltelt og regnfrakker, transportbånd samt oppblåsbare flåter er laget av belegg av materialer med gummi.
Gummiprodukter som skosåler og hæler, pakninger, tetninger, sugekopper og flaskestopp støpes med form. Støping er også et skritt i å lage dekk. De tre primære metodene for støping av gummi er kompresjonsstøping (brukes til å lage dekk blant andre produkter), overføringsstøping og sprøytestøping. Vulkanisering av gummien skjer under støpeprosessen i stedet for som et separat trinn.
Vulkanisering
Vulkanisering fullfører gummiproduksjonsprosessen. Vulkanisering skaper tverrforbindelser mellom polymerene av gummi, og prosessen varierer avhengig av kravene til det endelige gummiproduktet. Færre tverrforbindelser mellom gummipolymerene skaper en mykere, mer smidig gummi. Å øke antall tverrforbindelser reduserer elastisiteten til gummien, noe som resulterer i hardere gummi. Uten vulkanisering ville gummi forbli klebrig når det er varmt og sprøt når det er kaldt, og det ville råtne mye raskere.
Vulkanisering, opprinnelig oppdaget i 1839 av Charles Goodyear, krevde tilsetning av svovel til gummi og oppvarming av blandingen til 280 ° C i omtrent fem timer. Moderne vulkanisering bruker generelt mindre mengder svovel kombinert med andre kjemikalier for å redusere oppvarmingstiden til 15 til 20 minutter. Det er utviklet alternative vulkaniseringsteknikker som ikke bruker svovel.