La sfârșitul anilor 1930, Statele Unite au folosit peste jumătate din aprovizionarea cu cauciuc natural din lume. Astăzi, cauciucul natural se găsește în peste 50.000 de produse fabricate în Statele Unite, iar SUA importă peste 3 miliarde de lire sterline de cauciuc natural în fiecare an. Cu toate acestea, peste 70% din cauciucul utilizat în procesele moderne de fabricație este cauciuc sintetic.
Fundalul cauciucului natural
Cauciucul natural începe ca latex. Latexul constă din polimerul numit poliizopren suspendat în apă. Moleculele cu lanț lung compuse din multe (poli) unități individuale (mers) conectate între ele formează polimeri. Cauciucul este o formă specială de polimer numită elastomer, ceea ce înseamnă că moleculele de polimer se întind și se flexează.
Peste 2.500 de plante produc latex, un material tip lapte. Milkweed ar putea fi cea mai familiară plantă producătoare de latex pentru mulți oameni, dar latexul comercial provine dintr-un singur copac tropical, Hevea brasiliensis. După cum sugerează și numele, arborele de cauciuc provine din America de Sud tropicală. Cu peste 3000 de ani în urmă, civilizațiile mesoamericane au amestecat latexul cu suc de glorie de dimineață pentru a crea cauciuc. Schimbarea raportului dintre latex și suc de glorie de dimineață a schimbat proprietățile cauciucului. De la mingi gonflabile până la sandale de cauciuc, mesoamericanii știau și foloseau cauciucul.
Înainte de 1900, majoritatea cauciucului natural provenea din copaci sălbatici din Brazilia. Odată cu începerea secolului al XX-lea, cererea și oferta au depășit producția, odată cu creșterea popularității bicicletelor și automobilelor. Semințele scoase din Brazilia au dus la plantații de cauciuc în sud-estul Asiei. Până în anii 1930, utilizarea cauciucului natural a variat de la anvelopele vehiculelor și avioanelor până la cele 32 de kilograme găsite în încălțămintea, îmbrăcămintea și echipamentul unui soldat. Până atunci, cea mai mare parte a aprovizionării cu cauciuc din SUA provenea din sud-estul Asiei, dar al Doilea Război Mondial a oprit SUA din majoritatea aprovizionării sale.
Procesul de fabricație a cauciucului natural
Procesul de fabricație a cauciucului natural începe cu recoltarea latexului din copacii de cauciuc. Recoltarea latexului din arborii de cauciuc începe cu punerea sau tăierea în scoarța copacului. Latexul curge într-o ceașcă atașată la fundul tăieturii din copac. Materialul din latex de la mulți copaci este acumulat în tancuri mari.
Cea mai obișnuită metodă de extragere a cauciucului din latex folosește coagularea, un proces care coagulează sau îngroșează poliizoprenul într-o masă. Acest proces se realizează prin adăugarea unui acid, cum ar fi acidul formic, în latex. Procesul de coagulare durează aproximativ 12 ore.
Apa este stoarsă din coagulul de cauciuc folosind o serie de role. Foile subțiri rezultate, de aproximativ 1/8 inch grosime, sunt uscate pe rafturi din lemn în afumători. Procesul de uscare necesită, în general, câteva zile. Cauciucul maro închis rezultat, numit acum foaie de fum cu nervuri, este pliat în baloți pentru a fi transportat la procesor.
Cu toate acestea, nu tot cauciucul este fumat. Cauciucul uscat folosind aer fierbinte, mai degrabă decât fumatul, se numește foaie uscată cu aer. Acest proces are ca rezultat o calitate mai bună a cauciucului. Un cauciuc de calitate și mai înaltă, denumit cauciuc creponat pal, necesită două etape de coagulare urmate de uscare cu aer.
Crearea cauciucului sintetic
De-a lungul anilor au fost dezvoltate mai multe tipuri diferite de cauciuc sintetic. Toate rezultă din polimerizarea (legarea) moleculelor. Un proces numit polimerizare prin adăugare leagă molecule în lanțuri lungi. Un alt proces, numit polimerizare prin condensare, elimină o porțiune a moleculei, deoarece moleculele sunt legate între ele. Exemple de polimeri de adăugare includ cauciucuri sintetice fabricate din policloropren (cauciuc neoprenic), an cauciuc rezistent la ulei și benzină și cauciuc stiren butadienic (SBR), utilizat pentru cauciucul fără anvelope.
Prima căutare serioasă de cauciuc sintetic a început în Germania în timpul Primului Război Mondial. Blocajele britanice au împiedicat Germania să primească cauciuc natural. Chimiștii germani au dezvoltat un polimer din unități de 3-metilizopren (2,3-dimetil-1,3-butadienă), [CH2= C (CH3) C (CH3) = CH2], din acetonă. Deși acest înlocuitor, cauciucul metilic, era inferior celui natural, Germania fabrica 15 tone pe lună până la sfârșitul primului război mondial.
Cercetările continue au condus la cauciucuri sintetice de calitate mai bună. Cel mai comun tip de cauciuc sintetic utilizat în prezent, Buna S (cauciuc stiren butadienic sau SBR), a fost dezvoltat în 1929 de către compania germană I.G. Farben. În 1955, chimistul american Samuel Emmett Horne, Jr. a dezvoltat un polimer de 98% cis-1,4-poliizopren care se comportă ca și cauciucul natural. Această substanță combinată cu SBR a fost utilizată pentru anvelope din 1961.
Prelucrarea cauciucului
Cauciucul, natural sau sintetic, ajunge la fabricile de procesare (fabricant) în baloti mari. Odată ce cauciucul ajunge la fabrică, procesarea parcurge patru etape: amestecare, amestecare, modelare și vulcanizare. Formularea și metoda de compunere a cauciucului depind de rezultatul preconizat al procesului de fabricare a cauciucului.
Compus
Compusul adaugă substanțe chimice și alți aditivi pentru a personaliza cauciucul pentru utilizarea intenționată. Cauciucul natural se schimbă odată cu temperatura, devenind fragil cu frigul și cu o căldură lipicioasă și lipicioasă. Substanțele chimice adăugate în timpul amestecării reacționează cu cauciucul în timpul procesului de vulcanizare pentru a stabiliza polimerii de cauciuc. Aditivi suplimentari pot include materiale de umplutură de armare pentru a spori proprietățile cauciucului sau materiale de umplutură fără armare pentru a extinde cauciucul, ceea ce reduce costul. Tipul de umplutură utilizat depinde de produsul final.
Cel mai frecvent umplutură de armare este negru de fum, derivat din funingine. Negrul de fum crește rezistența la tracțiune a cauciucului și rezistența la abraziune și rupere. Negrul de fum îmbunătățește, de asemenea, rezistența cauciucului la degradarea ultravioletă. Majoritatea produselor din cauciuc sunt negre datorită materialului de umplutură cu negru de fum.
În funcție de utilizarea planificată a cauciucului, alți aditivi utilizați ar putea include silicați de aluminiu anhidri ca umpluturi de armare, alți polimeri, cauciuc reciclat (de obicei mai puțin de 10%), compuși de reducere a oboselii, antioxidanți, substanțe chimice rezistente la ozon, pigmenți coloranți, plastifianți, uleiuri de înmuiere și degajare de mucegai compuși.
Amestecarea
Aditivii trebuie amestecați bine în cauciuc. Vâscozitatea ridicată (rezistența la curgere) a cauciucului face ca amestecul să fie dificil de realizat fără creșterea temperaturii cauciucului suficient de mare (până la 300 de grade Fahrenheit) pentru a provoca vulcanizare. Pentru a preveni vulcanizarea prematură, amestecarea are loc de obicei în două etape. În prima etapă, aditivi ca negru de fum sunt amestecați în cauciuc. Acest amestec este denumit masterbatch. Odată ce cauciucul s-a răcit, substanțele chimice pentru vulcanizare sunt adăugate și amestecate în cauciuc.
Modelarea
Formarea produselor din cauciuc are loc folosind patru tehnici generale: extrudare, calandrare, acoperire sau turnare și turnare. Pot fi utilizate mai multe tehnici de modelare, în funcție de produsul final.
Extrudarea constă în forțarea cauciucului foarte plastic printr-o serie de extrudere cu șurub. Calandrarea trece cauciucul printr-o serie de goluri din ce în ce mai mici între role. Procesul de matriță cu role combină extrudarea și calandrarea, producând un produs mai bun decât oricare dintre procesele individuale.
Acoperirea folosește procesul de calandrare pentru a aplica un strat de cauciuc sau pentru a forța cauciucul în țesături sau în alt material. Anvelopele, corturile impermeabile din pânză și impermeabile, benzile transportoare, precum și plutele gonflabile sunt realizate prin acoperirea materialelor cu cauciuc.
Produsele din cauciuc, precum tălpile și tocurile pentru pantofi, garniturile, garniturile, ventuzele și opritoarele pentru sticle sunt turnate folosind matrițe. Turnarea este, de asemenea, un pas în fabricarea anvelopelor. Cele trei metode principale de turnare a cauciucului sunt turnarea prin compresie (folosită la fabricarea anvelopelor printre alte produse), turnarea prin transfer și turnarea prin injecție. Vulcanizarea cauciucului are loc în timpul procesului de turnare, mai degrabă decât ca o etapă separată.
Vulcanizare
Vulcanizarea finalizează procesul de producție a cauciucului. Vulcanizarea creează legături încrucișate între polimerii cauciucului, iar procesul variază în funcție de cerințele produsului din cauciuc final. Mai puține legături încrucișate între polimerii de cauciuc creează un cauciuc mai moale și mai flexibil. Creșterea numărului de conexiuni transversale scade elasticitatea cauciucului, rezultând cauciuc mai dur. Fără vulcanizare, cauciucul ar rămâne lipicios când este fierbinte și fragil când este rece și ar putrezi mult mai repede.
Vulcanizarea, descoperită inițial în 1839 de Charles Goodyear, a necesitat adăugarea de sulf la cauciuc și încălzirea amestecului la 280 F timp de aproximativ cinci ore. Vulcanizarea modernă, în general, folosește cantități mai mici de sulf combinate cu alte substanțe chimice pentru a reduce timpul de încălzire la 15 până la 20 de minute. Au fost dezvoltate tehnici alternative de vulcanizare care nu folosesc sulf.