Postopek izdelave gume

Konec tridesetih let so ZDA porabile več kot polovico svetovne zaloge naravnega kavčuka. Danes lahko naravni kavčuk najdemo v več kot 50.000 proizvedenih izdelkih v ZDA, ZDA pa vsako leto uvozijo več kot 3 milijarde funtov naravnega kavčuka. Več kot 70 odstotkov gume, ki se uporablja v sodobnih proizvodnih procesih, pa je sintetična guma.

Naravni kavčuk se začne kot lateks. Lateks je sestavljen iz polimera, imenovanega poliizopren, suspendiran v vodi. Dolgoverižne molekule, sestavljene iz številnih (poli) posameznih enot (mers), povezanih skupaj, tvorijo polimere. Guma je posebna oblika polimera, imenovana elastomer, kar pomeni, da se molekule polimerov raztezajo in upogibajo.

Več kot 2.500 rastlin proizvaja lateks, mleku podoben sok. Mlečna trava je morda mnogim ljudem najbolj znana rastlina, ki proizvaja lateks, komercialni lateks pa prihaja iz enega samega tropskega drevesa, Hevea brasiliensis. Kot že ime pove, gumijasto drevo izvira iz tropske Južne Amerike. Mezoameriške civilizacije so pred več kot 3000 leti pomešale lateks in sok jutranje slave, da so ustvarile gumo. Spreminjanje razmerja med lateksom in sokom jutranje slave je spremenilo lastnosti gume. Mezoameričani so od poskočnih kroglic do gumijastih sandalov poznali in uporabljali gumo.

Pred letom 1900 je največ naravnega kavčuka prihajalo iz divjih dreves v Braziliji. Ko se je začelo 20. stoletje, sta ponudba in povpraševanje presegala proizvodnjo z naraščajočo priljubljenostjo koles in avtomobilov. Pretihotapljeno seme iz Brazilije je vodilo do nasadov gume v jugovzhodni Aziji. Do tridesetih let se je uporaba naravnega kavčuka gibala od pnevmatik na vozilih in letalih do 32 kilogramov, ki so jih našli v vojaški obutvi, oblačilih in opremi. Do takrat je večina ameriške oskrbe z gumo prišla iz jugovzhodne Azije, toda druga svetovna vojna je ZDA odrezala večino svoje oskrbe.

Postopek izdelave naravnega kavčuka se začne z nabiranjem lateksa z gumenih dreves. Nabiranje lateksa z gumijastih dreves se začne z zarezovanjem ali rezanjem v lubje drevesa. Lateks se steka v skodelico, pritrjeno na dnu reza na drevesu. Lateks iz mnogih dreves se nabira v velikih rezervoarjih.

Najpogostejši način pridobivanja gume iz lateksa uporablja koagulacijo, postopek, ki polizira ali zgosti poliizopren v maso. Ta postopek dosežemo z dodajanjem kisline, kot je mravljična kislina v lateks. Proces koagulacije traja približno 12 ur.

Voda iztisne iz koaguluma gume z vrsto valjev. Nastale tanke plošče, debele približno 1/8 palca, posušimo na lesenih regalih v kadilnicah. Postopek sušenja običajno zahteva več dni. Nastala temno rjava guma, ki se zdaj imenuje rebrasti dimni list, se zloži v bale za pošiljanje v procesor.

Vendar pa vsa guma ni prekajena. Guma, posušena z vročim zrakom in ne s kajenjem, se imenuje zračno sušen list. Ta postopek povzroči boljšo kakovost gume. Še kakovostnejša guma, imenovana bledo krep guma, zahteva dva koraka koagulacije, ki ji sledi sušenje na zraku.

V preteklih letih je bilo razvitih več različnih vrst sintetičnega kavčuka. Vse so rezultat polimerizacije (povezovanja) molekul. Postopek, imenovan adicijska polimerizacija, molekule poveže v dolge verige. Drugi postopek, imenovan kondenzacijska polimerizacija, izloča del molekule, ko so molekule povezane med seboj. Primeri adicijskih polimerov vključujejo sintetične gume, izdelane iz polikloroprena (neoprenska guma), an kavčuk, odporen na olje in bencin, ter stiren-butadienski kavčuk (SBR), ki se uporablja za odbojno gumo v pnevmatike.

Prvo resno iskanje sintetičnega kavčuka se je začelo v Nemčiji med prvo svetovno vojno. Britanske blokade so Nemčiji preprečile prejemanje naravnega kavčuka. Nemški kemiki so razvili polimer iz 3-metilizopren (2,3-dimetil-1,3-butadiena) enot [CH₂= C (CH₃) C (CH₃) = CH2], iz acetona. Čeprav je bil ta nadomestek, metilni kavčuk, slabši od naravnega kavčuka, je Nemčija do konca prve svetovne vojne proizvajala 15 ton na mesec.

Nadaljnje raziskave so privedle do bolj kakovostnih sintetičnih gum. Trenutno najpogostejša vrsta sintetičnega kavčuka, Buna S (stiren butadienska guma ali SBR), je leta 1929 razvilo nemško podjetje I.G. Farben. Leta 1955 je ameriški kemik Samuel Emmett Horne mlajši razvil polimer 98-odstotnega cis-1,4-poliizoprena, ki se obnaša kot naravna guma. Ta snov v kombinaciji s SBR se za pnevmatike uporablja od leta 1961.

Naravni ali sintetični kavčuk pride v obrate predelovalcev (proizvajalcev) v velikih balah. Ko guma prispe v tovarno, predelava poteka v štirih korakih: mešanje, mešanje, oblikovanje in vulkanizacija. Formulacija in metoda mešanja gume je odvisna od predvidenega rezultata postopka izdelave gume.

Kompliciranje

Mešanje dodaja kemikalije in druge dodatke za prilagoditev gume za predvideno uporabo. Naravna guma se spreminja s temperaturo, postane krhka z mrazom in lepljiva, nežna nered s toploto. Kemikalije, dodane med mešanjem, reagirajo z gumo med postopkom vulkanizacije, da stabilizirajo polimere gume. Dodatni dodatki lahko vključujejo ojačevalna polnila za izboljšanje lastnosti gume ali nearmirajoča polnila za podaljšanje gume, kar zmanjša stroške. Vrsta polnila je odvisna od končnega izdelka.

Najpogosteje uporabljeno armaturno polnilo je saj, pridobljeno iz saj. Saja poveča natezno trdnost gume in njeno odpornost proti odrgnjenju in trganju. Saja tudi izboljša odpornost gume na ultravijolično razgradnjo. Večina izdelkov iz gume je črnih zaradi polnila saj.

Glede na načrtovano uporabo gume lahko med druge uporabljene dodatke spadajo brezvodni aluminijevi silikati kot ojačevalna polnila, drugi polimeri, reciklirana guma (običajno manj kot 10 odstotkov), spojine za zmanjšanje utrujenosti, antioksidanti, kemikalije, odporne na ozon, barvni pigmenti, mehčala, mehčalna olja in sproščanje plesni spojine.

Mešanje

Aditive je treba temeljito vmešati v gumo. Visoka viskoznost (odpornost proti toku) gume otežuje mešanje brez nje dvig temperature gume dovolj visoko (do 300 stopinj Fahrenheita), da povzroči vulkanizacija. Da bi preprečili prezgodnjo vulkanizacijo, mešanje običajno poteka v dveh fazah. V prvi fazi se v gumo vmešajo dodatki, kot so saj. Ta zmes se imenuje masterbatch. Ko se guma ohladi, se dodajo kemikalije za vulkanizacijo in se vmešajo v gumo.

Oblikovanje

Oblikovanje gumijastih izdelkov poteka s štirimi splošnimi tehnikami: iztiskanje, kalandriranje, nanašanje ali oblikovanje in litje. Glede na končni izdelek se lahko uporabi več tehnik oblikovanja.

Iztiskanje je sestavljeno iz potiskanja visoko plastične gume skozi vrsto vijačnih ekstruderjev. Kalandriranje prenaša gumo skozi vrsto vedno manjših razmikov med valji. Postopek z valjarjem združuje ekstrudiranje in kalandriranje, kar daje boljši izdelek kot posamezni postopek.

Premaz uporablja postopek kalandriranja za nanos gumijastega sloja ali za silo gume v tkanino ali drug material. Pnevmatike, vodoodporni šotori in dežni plašči, tekoči trakovi in ​​napihljivi splavi so narejeni s prevleko materialov z gumo.

Gumijasti izdelki, kot so podplati in pete za čevlje, tesnila, tesnila, priseski in omejevalniki za steklenice, se ulivajo s pomočjo kalupov. Kalup je tudi korak pri izdelavi gum. Trije glavni načini oblikovanja gume so stiskanje (ki se med drugim uporablja pri izdelavi pnevmatik), prelivanje in brizganje. Vulkanizacija gume se zgodi med oblikovanjem in ne kot ločen korak.

Vulkanizacija

Vulkanizacija zaključi postopek proizvodnje gume. Vulkanizacija ustvarja križne povezave med polimeri gume, postopek pa se razlikuje glede na potrebe končnega izdelka iz gume. Manj navzkrižnih povezav med gumijastimi polimeri ustvarja mehkejšo in prožnejšo gumo. Povečanje števila prečnih povezav zmanjša elastičnost gume, kar ima za posledico tršo gumo. Brez vulkanizacije bi guma ostala vroča, v hladnem pa krhka in bi veliko hitreje gnila.

Vulkanizacija, ki jo je leta 1839 prvotno odkril Charles Goodyear, je zahtevala dodajanje žvepla gumi in mešanico segrevala na 280 F približno pet ur. Sodobna vulkanizacija na splošno uporablja manjše količine žvepla v kombinaciji z drugimi kemikalijami, da se čas ogrevanja skrajša na 15 do 20 minut. Razvite so bile nadomestne tehnike vulkanizacije, ki ne uporabljajo žvepla.