Koncom 30. rokov USA využívali viac ako polovicu svetového zásob prírodného kaučuku. Dnes prírodný kaučuk nájdeme vo viac ako 50 000 vyrobených výrobkoch v Spojených štátoch a USA každoročne dovážajú viac ako 3 miliardy libier prírodného kaučuku. Viac ako 70 percent gumy používanej v moderných výrobných procesoch je však syntetický kaučuk.
Pozadie prírodného kaučuku
Prírodný kaučuk začína ako latex. Latex pozostáva z polyméru nazývaného polyizoprén suspendovaný vo vode. Molekuly s dlhým reťazcom zložené z mnohých (poly) jednotlivých jednotiek (mer) spojených dohromady tvoria polyméry. Guma je špeciálna forma polyméru nazývaná elastomér, čo znamená, že molekuly polyméru sa rozťahujú a ohýbajú.
Viac ako 2 500 rastlín vyrába latex, materiál podobný mliečnemu moku. Milkweed môže byť pre mnohých ľudí najznámejšou rastlinou na výrobu latexu, ale komerčný latex pochádza z jediného tropického stromu, Hevea brasiliensis. Ako už názov napovedá, kaučukovník pochádza z tropickej Južnej Ameriky. Pred viac ako 3 000 rokmi miešali mezoamerické civilizácie latex so šťavou z rannej slávy a vytvorili gumu. Zmena pomeru latexu k šťave z rannej slávy zmenila vlastnosti gumy. Od skákacích gúľ po gumené sandále Mesoameričania poznali a používali gumu.
Pred rokom 1900 pochádzala väčšina prírodného kaučuku z divých stromov v Brazílii. Ako začalo 20. storočie, ponuka a dopyt predčili produkciu s rastúcou popularitou bicyklov a automobilov. Semená prepašované z Brazílie viedli k plantážam kaučukovníkov v juhovýchodnej Ázii. Do 30. rokov 20. storočia sa použitie prírodného kaučuku pohybovalo od pneumatík po vozidlách a lietadlách po 32 libier nájdených v obuvi, oblečení a vybavení vojaka. Do tej doby väčšina dodávok gumy pre USA pochádzala z juhovýchodnej Ázie, ale druhá svetová vojna odrezala USA od väčšiny dodávok.
Proces výroby prírodného kaučuku
Proces výroby prírodného kaučuku začína zberom latexu z kaučukovníkov. Zber latexu z kaučukovníkov sa začína bodovaním alebo rezaním do kôry stromu. Latex steká do pohára pripevneného k spodnej časti rezu na strome. Latexový materiál z mnohých stromov sa hromadí vo veľkých nádržiach.
Najbežnejšia metóda extrakcie gumy z latexu využíva koaguláciu, čo je proces, ktorý zráža alebo zahusťuje polyizoprén na hmotu. Tento proces sa uskutočňuje pridaním kyseliny, ako je kyselina mravčia, k latexu. Koagulačný proces trvá asi 12 hodín.
Voda je vytláčaná z koagula gumy pomocou série valčekov. Výsledné tenké plechy, hrubé asi 1/8 palca, sa sušia nad drevenými stojanmi v udiarňach. Proces sušenia zvyčajne trvá niekoľko dní. Výsledná tmavohnedá guma, ktorá sa teraz nazýva rebrovaná dymová tabuľa, sa poskladá do balíkov na odoslanie do procesora.
Nie všetka guma je však údená. Guma sušená pomocou horúceho vzduchu namiesto fajčenia sa nazýva plech sušený na vzduchu. Výsledkom tohto procesu je lepšia trieda gumy. Ešte kvalitnejšia guma zvaná bledá krepová guma vyžaduje dva kroky zrážania, po ktorých nasleduje sušenie na vzduchu.
Vytváranie syntetického kaučuku
V priebehu rokov bolo vyvinutých niekoľko rôznych druhov syntetického kaučuku. Všetky sú výsledkom polymerizácie (väzby) molekúl. Proces nazývaný adičná polymerizácia spája molekuly do dlhých reťazcov. Iný proces, nazývaný kondenzačná polymerizácia, eliminuje časť molekuly, keď sú molekuly navzájom spojené. Príklady adičných polymérov zahŕňajú syntetické gumy vyrobené z polychlórprénu (neoprénového kaučuku), an kaučuku odolnému voči olejom a benzínu a styrénbutadiénového kaučuku (SBR), ktorý sa používa na pneumatiky.
Prvé vážne hľadanie syntetického kaučuku sa začalo v Nemecku počas prvej svetovej vojny. Britské blokády zabránili Nemecku v získaní prírodného kaučuku. Nemeckí chemici vyvinuli polymér z jednotiek 3-metylizoprénu (2,3-dimetyl-1,3-butadiénu), [CH2= C (CH3) C (CH3) = CH2], z acetónu. Aj keď táto náhrada, metylový kaučuk, bola nižšia ako prírodná guma, Nemecko do konca prvej svetovej vojny vyrobilo 15 ton mesačne.
Pokračujúci výskum viedol k kvalitnejším syntetickým gumám. Najbežnejší typ syntetického kaučuku, ktorý sa v súčasnosti používa, Buna S (styrénbutadiénový kaučuk alebo SBR), vyvinula v roku 1929 nemecká spoločnosť I.G. Farben. V roku 1955 vyvinul americký chemik Samuel Emmett Horne, Jr. polymér 98% cis-1,4-polyizoprénu, ktorý sa správa ako prírodný kaučuk. Táto látka v kombinácii s SBR sa používa pre pneumatiky od roku 1961.
Spracovanie gumy
Guma, či už prírodná alebo syntetická, sa dostáva do spracovateľských závodov vo veľkých balíkoch. Len čo sa guma dostane do továrne, spracovanie prechádza štyrmi krokmi: zmiešaním, zmiešaním, tvarovaním a vulkanizáciou. Formulácia a spôsob zmiešavania gumy závisia od zamýšľaného výsledku procesu výroby gumy.
Zloženie
Compounding pridáva chemikálie a ďalšie aditíva na prispôsobenie gumy pre zamýšľané použitie. Prírodný kaučuk sa mení s teplotou, krehne s chladom a lepkavý, mazľavý neporiadok s teplom. Chemikálie pridávané počas miešania reagujú s gumou počas procesu vulkanizácie, aby stabilizovali gumové polyméry. Medzi ďalšie aditíva môžu patriť výstužné plnivá na zlepšenie vlastností gumy alebo nevystužujúce plnivá na predĺženie gumy, čo znižuje náklady. Druh použitého plniva závisí od konečného produktu.
Najbežnejšie používaným výstužným plnivom sú sadze vyrobené zo sadzí. Sadze zvyšujú pevnosť v ťahu a odolnosť gumy proti oderu a roztrhnutiu. Sadze tiež zvyšujú odolnosť gumy proti ultrafialovému rozkladu. Väčšina gumových výrobkov je čierna kvôli plnivu sadzí.
V závislosti na plánovanom použití gumy môžu byť ďalšími použitými prísadami bezvodé hlinitokremičitany ako stužujúce plnidlá, ďalšie polyméry, recyklovaný kaučuk. (zvyčajne menej ako 10 percent), látky znižujúce únavu, antioxidanty, chemikálie odolné voči ozónu, farbiace pigmenty, zmäkčovadlá, zmäkčovacie oleje a uvoľňovače plesní zlúčeniny.
Miešanie
Prísady musia byť dôkladne zamiešané do gumy. Vďaka vysokej viskozite (odolnosti proti tečeniu) gumy je ťažké dosiahnuť miešanie zvýšenie teploty gumy dostatočne vysoko (až na 300 stupňov Fahrenheita), aby to spôsobilo vulkanizácia. Aby sa zabránilo predčasnej vulkanizácii, miešanie sa zvyčajne uskutočňuje v dvoch fázach. Počas prvého stupňa sa do gumy primiešavajú prísady ako sadze. Táto zmes sa označuje ako predzmes. Po ochladení gumy sa pridajú chemikálie na vulkanizáciu a vmiešajú sa do gumy.
Tvarovanie
Tvarovanie gumových výrobkov sa uskutočňuje pomocou štyroch všeobecných techník: extrúzie, kalandrovania, poťahovania alebo formovania a liatia. V závislosti od konečného produktu je možné použiť viac ako jednu tvarovaciu techniku.
Vytláčanie spočíva v pretláčaní vysoko plastickej gumy cez sériu závitovkových extrudérov. Kalandrovanie prechádza gumou cez sériu čoraz menších medzier medzi valcami. Proces valčekovej formy kombinuje vytláčanie a kalandrovanie, čím sa dosahuje lepší produkt ako v prípade ktoréhokoľvek z jednotlivých procesov.
Povlak používa proces kalandrovania na nanesenie vrstvy gumy alebo na vtlačenie gumy do tkaniny alebo iného materiálu. Pneumatiky, nepremokavé látkové stany a pláštenky, dopravné pásy, ako aj nafukovacie rafty sa vyrábajú poťahovaním materiálov gumou.
Gumové výrobky ako podrážky a podpätky topánok, tesnenia, tesnenia, prísavky a zarážky fliaš sa odlievajú pomocou foriem. Krokom pri výrobe pneumatík je aj formovanie. Tri základné spôsoby formovania gumy sú lisovanie za tepla (používané okrem iného pri výrobe pneumatík), tvarovanie za tepla a vstrekovanie. Vulkanizácia gumy nastáva skôr počas procesu formovania, ako ako samostatný krok.
Vulkanizácia
Vulkanizácia završuje proces výroby gumy. Vulkanizácia vytvára priečne spojenie medzi polymérmi gumy a postup sa líši v závislosti od požiadaviek konečného gumového produktu. Menej priečnych spojení medzi gumovými polymérmi vytvára mäkšiu a poddajnejšiu gumu. Zvyšovanie počtu priečnych pripojení znižuje pružnosť gumy, čo vedie k tvrdšej gume. Bez vulkanizácie by guma zostala lepkavá, ak by bola horúca, a krehká za studena, a hnisala by oveľa rýchlejšie.
Vulkanizácia, ktorú pôvodne objavil v roku 1839 Charles Goodyear, vyžadovala pridanie síry do gumy a zahrievanie zmesi na asi 280 ° C asi päť hodín. Moderná vulkanizácia vo všeobecnosti používa menšie množstvo síry v kombinácii s inými chemikáliami na zníženie doby zahrievania na 15 až 20 minút. Boli vyvinuté alternatívne techniky vulkanizácie, ktoré nepoužívajú síru.