Proces produkcji gumy

Pod koniec lat 30. Stany Zjednoczone wykorzystywały ponad połowę światowych dostaw kauczuku naturalnego. Obecnie kauczuk naturalny można znaleźć w ponad 50 000 wytwarzanych produktów w Stanach Zjednoczonych, a Stany Zjednoczone importują rocznie ponad 3 miliardy funtów kauczuku naturalnego. Jednak ponad 70 procent kauczuku stosowanego w nowoczesnych procesach produkcyjnych to kauczuk syntetyczny.

Kauczuk naturalny zaczyna się jako lateks. Lateks składa się z polimeru zwanego poliizoprenem zawieszonego w wodzie. Cząsteczki długołańcuchowe złożone z wielu (poli) pojedynczych jednostek (merów) połączonych razem tworzą polimery. Guma to specjalna forma polimeru zwana elastomerem, co oznacza, że ​​cząsteczki polimeru rozciągają się i uginają.

Ponad 2500 roślin produkuje lateks, podobny do mleka materiał typu sok. Milkweed może być najbardziej znaną rośliną produkującą lateks dla wielu ludzi, ale komercyjny lateks pochodzi z jednego tropikalnego drzewa, Hevea brasiliensis. Jak sama nazwa wskazuje, drzewo kauczukowe pochodzi z tropikalnej Ameryki Południowej. Ponad 3000 lat temu cywilizacje mezoamerykańskie mieszały lateks z sokiem z porannej chwały, aby stworzyć gumę. Zmiana proporcji lateksu do soku morning glory zmieniła właściwości gumy. Od skaczących piłeczek po gumowe sandały, Mezoamerykanie znali i używali gumy.

Przed rokiem 1900 większość kauczuku naturalnego pochodziła z dzikich drzew w Brazylii. Na początku XX wieku podaż i popyt przewyższyły produkcję wraz z rosnącą popularnością rowerów i samochodów. Nasiona przemycane z Brazylii doprowadziły do ​​plantacji drzew kauczukowych w południowo-wschodniej Azji. W latach 30. XX wieku zastosowanie kauczuku naturalnego wahało się od opon w pojazdach i samolotach po 32 funty, które można znaleźć w obuwiu, odzieży i sprzęcie żołnierza. Do tego czasu większość dostaw gumy w USA pochodziła z południowo-wschodniej Azji, ale II wojna światowa odcięła USA od większości dostaw.

Proces produkcji kauczuku naturalnego rozpoczyna się od zbioru lateksu z drzew kauczukowych. Pozyskiwanie lateksu z drzew kauczukowych rozpoczyna się od nacinania lub nacinania kory drzewa. Lateks spływa do miseczki przymocowanej do spodu nacięcia w drzewie. Materiał lateksowy z wielu drzew jest gromadzony w dużych zbiornikach.

Najpopularniejszą metodą ekstrakcji gumy z lateksu jest koagulacja, proces polegający na ścinaniu lub zagęszczaniu poliizoprenu w masę. Proces ten jest realizowany przez dodanie do lateksu kwasu, takiego jak kwas mrówkowy. Proces koagulacji trwa około 12 godzin.

Woda jest wyciskana z koagulatu gumy za pomocą szeregu rolek. Powstałe cienkie arkusze o grubości około 1/8 cala są suszone na drewnianych stojakach w wędzarniach. Proces suszenia zwykle trwa kilka dni. Powstała ciemnobrązowa guma, obecnie nazywana prążkowanym arkuszem dymu, jest składana w bele w celu wysłania do przetwórcy.

Jednak nie cała guma jest wędzona. Guma suszona gorącym powietrzem zamiast palenia nazywana jest arkuszem suszonym na powietrzu. Ten proces skutkuje lepszym gatunkiem gumy. Guma jeszcze wyższej jakości, zwana bladą gumą krepowaną, wymaga dwóch etapów koagulacji, po których następuje suszenie na powietrzu.

Przez lata opracowano kilka różnych rodzajów kauczuku syntetycznego. Wszystkie wynikają z polimeryzacji (łączenia) cząsteczek. Proces zwany polimeryzacją addycyjną łączy cząsteczki w długie łańcuchy. Inny proces, zwany polimeryzacją kondensacyjną, eliminuje część cząsteczki, gdy cząsteczki są ze sobą połączone. Przykłady polimerów addycyjnych obejmują kauczuki syntetyczne wykonane z polichloroprenu (kauczuk neoprenowy) i kauczuk odporny na oleje i benzynę oraz kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR), stosowany do gumy nieodbijającej się w opony.

Pierwsze poważne poszukiwania kauczuku syntetycznego rozpoczęły się w Niemczech podczas I wojny światowej. Blokady brytyjskie uniemożliwiły Niemcom otrzymanie kauczuku naturalnego. Niemieccy chemicy opracowali polimer z jednostek 3-metyloizoprenu (2,3-dimetylo-1,3-butadien), [CH₂=C(CH₃)C(CH₃)=CH2], z acetonu. Chociaż ten substytut, kauczuk metylowy, był gorszy od kauczuku naturalnego, do końca I wojny światowej Niemcy produkowały 15 ton miesięcznie.

Dalsze badania doprowadziły do ​​lepszej jakości kauczuków syntetycznych. Najpopularniejszy obecnie stosowany rodzaj kauczuku syntetycznego, Buna S (kauczuk butadienowo-styrenowy lub SBR), został opracowany w 1929 roku przez niemiecką firmę I.G. Farben. W 1955 roku amerykański chemik Samuel Emmett Horne Jr. opracował 98% polimeru cis-1,4-poliizoprenu, który zachowuje się jak naturalna guma. Ta substancja w połączeniu z SBR jest stosowana w oponach od 1961 roku.

Guma, zarówno naturalna, jak i syntetyczna, dociera do zakładów przetwórczych (fabrykatorów) w dużych belach. Gdy guma dotrze do fabryki, przetwarzanie przebiega w czterech etapach: mieszanie, mieszanie, kształtowanie i wulkanizacja. Formuła i metoda mieszania gumy zależą od zamierzonego wyniku procesu produkcji gumy.

Mieszanie

Mieszanie dodaje chemikalia i inne dodatki, aby dostosować gumę do zamierzonego zastosowania. Kauczuk naturalny zmienia się wraz z temperaturą, pod wpływem zimna staje się kruchy, a pod wpływem ciepła lepki, lepki bałagan. Substancje chemiczne dodawane podczas mieszania reagują z gumą podczas procesu wulkanizacji, stabilizując polimery gumowe. Dodatkowe dodatki mogą obejmować wypełniacze wzmacniające w celu polepszenia właściwości kauczuku lub wypełniacze niewzmacniające w celu wydłużenia kauczuku, co zmniejsza koszty. Rodzaj użytego wypełniacza zależy od produktu końcowego.

Najczęściej stosowanym wypełniaczem wzmacniającym jest sadza pochodząca z sadzy. Sadza zwiększa wytrzymałość gumy na rozciąganie oraz odporność na ścieranie i rozdarcie. Sadza poprawia również odporność gumy na degradację w ultrafiolecie. Większość wyrobów gumowych jest czarna ze względu na wypełniacz z sadzy.

W zależności od planowanego zastosowania gumy, inne stosowane dodatki mogą obejmować bezwodne krzemiany glinu jako wypełniacze wzmacniające, inne polimery, gumę z recyklingu (zwykle mniej niż 10 procent), związki zmniejszające zmęczenie, przeciwutleniacze, chemikalia odporne na ozon, pigmenty barwiące, plastyfikatory, oleje zmiękczające i uwalniające pleśń związki.

Mieszanie

Dodatki muszą być dokładnie wymieszane z gumą. Wysoka lepkość (odporność na płynięcie) gumy sprawia, że ​​mieszanie jest trudne do wykonania bez podniesienie temperatury gumy na tyle wysokie (do 300 stopni Fahrenheita), aby spowodować wulkanizacja. Aby zapobiec przedwczesnej wulkanizacji, mieszanie odbywa się zwykle w dwóch etapach. W pierwszym etapie do gumy dodawane są dodatki, takie jak sadza. Ta mieszanina jest określana jako przedmieszka. Gdy guma ostygnie, chemikalia do wulkanizacji są dodawane i mieszane z gumą.

Modelacja

Kształtowanie wyrobów gumowych odbywa się przy użyciu czterech ogólnych technik: wytłaczania, kalandrowania, powlekania lub formowania i odlewania. W zależności od produktu końcowego można zastosować więcej niż jedną technikę kształtowania.

Wytłaczanie polega na przetłaczaniu gumy wysokoplastycznej przez szereg wytłaczarek ślimakowych. Kalandrowanie prowadzi gumę przez szereg coraz mniejszych szczelin między wałkami. Proces walcowania matrycowego łączy wytłaczanie i kalandrowanie, dając lepszy produkt niż jakikolwiek inny proces.

Powlekanie wykorzystuje proces kalandrowania, aby nałożyć warstwę gumy lub wcisnąć gumę w tkaninę lub inny materiał. Opony, wodoodporne namioty i płaszcze przeciwdeszczowe, przenośniki taśmowe, a także nadmuchiwane tratwy wykonane są z gumowego powlekania materiałów.

Produkty gumowe, takie jak podeszwy i obcasy butów, uszczelki, uszczelki, przyssawki i korki do butelek są odlewane za pomocą form. Formowanie to także krok w produkcji opon. Trzy podstawowe metody formowania gumy to formowanie tłoczne (stosowane m.in. do produkcji opon), formowanie transferowe i formowanie wtryskowe. Wulkanizacja gumy następuje podczas procesu formowania, a nie jako oddzielny etap.

Wulkanizacja

Wulkanizacja kończy proces produkcji gumy. Wulkanizacja tworzy połączenia poprzeczne między polimerami gumy, a proces różni się w zależności od wymagań końcowego produktu gumowego. Mniejsza liczba połączeń poprzecznych między polimerami gumy zapewnia bardziej miękką, bardziej elastyczną gumę. Zwiększenie liczby połączeń poprzecznych zmniejsza elastyczność gumy, co skutkuje twardszą gumą. Bez wulkanizacji guma pozostawałaby lepka, gdy była gorąca i krucha, gdy była zimna, i gniłaby znacznie szybciej.

Wulkanizacja, pierwotnie odkryta w 1839 roku przez Charlesa Goodyeara, wymagała dodania siarki do gumy i ogrzewania mieszaniny do 280 F przez około pięć godzin. Współczesna wulkanizacja na ogół wykorzystuje mniejsze ilości siarki w połączeniu z innymi chemikaliami, aby skrócić czas ogrzewania do 15 do 20 minut. Opracowano alternatywne techniki wulkanizacji, które nie wykorzystują siarki.