В конце 1930-х годов Соединенные Штаты использовали более половины мировых поставок натурального каучука. Сегодня натуральный каучук можно найти в более чем 50 000 производимых продуктов в Соединенных Штатах, а США ежегодно импортируют более 3 миллиардов фунтов натурального каучука. Однако более 70 процентов каучука, используемого в современных производственных процессах, составляет синтетический каучук.
Фон из натурального каучука
Натуральный каучук начинается с латекса. Латекс состоит из полимера, называемого полиизопреном, взвешенного в воде. Длинноцепочечные молекулы, состоящие из множества (поли) отдельных единиц (меров), соединенных вместе, образуют полимеры. Каучук - это особая форма полимера, называемая эластомером, что означает, что молекулы полимера растягиваются и изгибаются.
Более 2500 заводов производят латекс - материал типа молочного сока. Молочница может быть самым знакомым для многих растением, производящим латекс, но коммерческий латекс получают из одного тропического дерева, Hevea brasiliensis. Как следует из названия, каучуковое дерево возникло в тропической Южной Америке. Более 3000 лет назад мезоамериканские цивилизации смешивали латекс с ипомеей, чтобы создать резину. Изменение соотношения латекса и ипомеи изменило свойства резины. От надувных мячей до резиновых сандалий мезоамериканцы знали и использовали резину.
До 1900 года большая часть натурального каучука производилась из диких деревьев Бразилии. В начале 20-го века спрос и предложение опережали производство в связи с ростом популярности велосипедов и автомобилей. Семена, вывезенные контрабандой из Бразилии, привели к плантациям каучуковых деревьев в Юго-Восточной Азии. К 1930-м годам натуральный каучук использовался в диапазоне от шин на транспортных средствах и самолетах до 32 фунтов, которые можно найти в солдатской обуви, одежде и снаряжении. К тому времени большая часть поставок каучука в США шла из Юго-Восточной Азии, но Вторая мировая война отключила США от большей части его поставок.
Процесс производства натурального каучука
Процесс производства натурального каучука начинается со сбора латекса с каучуковых деревьев. Сбор латекса с каучуковых деревьев начинается с надрезания коры дерева. Латекс стекает в чашку, прикрепленную к нижней части среза дерева. Латексный материал многих деревьев накапливается в больших резервуарах.
Самый распространенный метод извлечения каучука из латекса - это коагуляция - процесс, при котором полиизопрен свертывается или превращается в массу. Этот процесс осуществляется путем добавления в латекс кислоты, такой как муравьиная кислота. Процесс коагуляции занимает около 12 часов.
Вода выдавливается из сгустка резины с помощью ряда роликов. Полученные тонкие листы толщиной около 1/8 дюйма сушат на деревянных стеллажах в коптильнях. Процесс сушки обычно занимает несколько дней. Полученная темно-коричневая резина, которая теперь называется ребристой дымовой завесой, складывается в тюки для отправки на переработчик.
Однако не вся резина дымится. Резина, высушенная горячим воздухом, а не курением, называется листом, высушенным на воздухе. В результате получается резина лучшего качества. Каучук еще более высокого качества, называемый бледным крепом, требует двух стадий коагуляции с последующей сушкой на воздухе.
Создание синтетического каучука
За прошедшие годы было разработано несколько различных типов синтетического каучука. Все происходит в результате полимеризации (связывания) молекул. Процесс, называемый аддитивной полимеризацией, объединяет молекулы в длинные цепи. Другой процесс, называемый конденсационной полимеризацией, удаляет часть молекулы, поскольку молекулы связаны друг с другом. Примеры аддитивных полимеров включают синтетические каучуки, изготовленные из полихлоропрена (неопреновый каучук), и маслостойкая и бензиностойкая резина и бутадиенстирольный каучук (SBR), используемые для неупругой резины в шины.
Первые серьезные поиски синтетического каучука начались в Германии во время Первой мировой войны. Британские блокады не позволили Германии получить натуральный каучук. Немецкие химики разработали полимер из звеньев 3-метилизопрена (2,3-диметил-1,3-бутадиен), [CH2= C (CH3) C (CH3) = CH2], из ацетона. Хотя этот заменитель, метилкаучук, уступал натуральному каучуку, к концу Первой мировой войны Германия производила 15 тонн в месяц.
Постоянные исследования привели к созданию синтетических каучуков более высокого качества. Самый распространенный тип синтетического каучука, используемый в настоящее время, Buna S (бутадиен-стирольный каучук или SBR), был разработан в 1929 году немецкой компанией I.G. Фарбен. В 1955 году американский химик Сэмюэл Эммет Хорн-младший разработал полимер, на 98 процентов состоящий из цис-1,4-полиизопрена, который ведет себя как натуральный каучук. Это вещество в сочетании с SBR используется в шинах с 1961 года.
Обработка резины
Каучук, натуральный или синтетический, поступает на перерабатывающие (производственные) предприятия в больших тюках. После того, как каучук поступает на завод, обработка проходит в четыре этапа: компаундирование, смешивание, формование и вулканизация. Состав и метод резиновой смеси зависят от предполагаемого результата процесса изготовления резины.
Компаундирование
В компаундирование добавляются химические вещества и другие добавки, чтобы адаптировать резину к предполагаемому использованию. Натуральный каучук меняется в зависимости от температуры, становясь хрупким на холоде и липким липким слоем при нагревании. Химические вещества, добавленные во время смешивания, вступают в реакцию с каучуком во время процесса вулканизации для стабилизации полимеров каучука. Дополнительные добавки могут включать армирующие наполнители для улучшения свойств резины или неусиливающие наполнители для удлинения резины, что снижает стоимость. Тип используемого наполнителя зависит от конечного продукта.
Чаще всего используется армирующий наполнитель - технический углерод, полученный из сажи. Технический углерод увеличивает прочность резины на разрыв и устойчивость к истиранию и разрыву. Технический углерод также улучшает стойкость резины к разрушению под воздействием ультрафиолета. Большинство резиновых изделий имеют черный цвет из-за наполнителя сажи.
В зависимости от планируемого использования резины, другие используемые добавки могут включать безводные силикаты алюминия в качестве усиливающих наполнителей, другие полимеры, переработанный каучук. (обычно менее 10 процентов), составы, снижающие усталость, антиоксиданты, озоностойкие химические вещества, красящие пигменты, пластификаторы, смягчающие масла и смазки для плесени соединения.
Смешивание
Добавки необходимо тщательно перемешать с резиной. Высокая вязкость (сопротивление текучести) резины затрудняет смешивание без повышение температуры резины до достаточно высокой (до 300 градусов по Фаренгейту), чтобы вызвать вулканизация. Чтобы предотвратить преждевременную вулканизацию, смешивание обычно происходит в два этапа. На первом этапе в резину примешиваются такие добавки, как технический углерод. Эта смесь называется маточной смесью. Как только резина остынет, в нее добавляют химические вещества для вулканизации.
Формирование
Формование резиновых изделий происходит с использованием четырех основных методов: экструзии, каландрирования, нанесения покрытия или формования и литья. В зависимости от конечного продукта можно использовать более одной техники формования.
Экструзия заключается в пропускании высокопластичной резины через серию шнековых экструдеров. При каландрировании резина проходит через серию все более мелких зазоров между роликами. Процесс роликовой фильеры сочетает в себе экструзию и каландрирование, позволяя получить лучший продукт, чем любой отдельный процесс.
При нанесении покрытия используется процесс каландрирования, чтобы нанести слой резины или вдавить резину в ткань или другой материал. Покрытия, водонепроницаемые тканевые палатки и плащи, конвейерные ленты, а также надувные плоты изготавливаются путем покрытия материалов резиной.
Резиновые изделия, такие как подошвы и каблуки для обуви, прокладки, уплотнения, присоски и ограничители для бутылок, отливаются с использованием форм. Литье также является этапом изготовления шин. Три основных метода формования резины - это компрессионное формование (используется, среди прочего, при производстве шин), литье под давлением и литье под давлением. Вулканизация резины происходит в процессе формования, а не на отдельном этапе.
Вулканизация
Вулканизация завершает процесс производства резины. Вулканизация создает перекрестные связи между полимерами каучука, и процесс варьируется в зависимости от требований к конечному каучуковому продукту. Меньшее количество поперечных связей между каучуковыми полимерами создает более мягкую и податливую резину. Увеличение количества поперечных соединений снижает эластичность резины, что приводит к более твердой резине. Без вулканизации резина оставалась бы липкой в горячем состоянии и хрупкой в холодном состоянии и гнила бы намного быстрее.
Вулканизация, впервые открытая в 1839 году Чарльзом Гудиером, потребовала добавления серы в резину и нагревания смеси до 280 ° F в течение примерно пяти часов. Современная вулканизация, как правило, использует меньшее количество серы в сочетании с другими химическими веществами, чтобы сократить время нагрева до 15-20 минут. Были разработаны альтернативные методы вулканизации, не использующие серу.