Процес производње гуме

Крајем 1930-их Сједињене Државе су користиле преко половине светске залихе природног каучука. Данас се природни каучук може наћи у преко 50.000 произведених производа у Сједињеним Државама, а САД увозе преко 3 милијарде фунти природног каучука сваке године. Преко 70 процената гуме која се користи у модерним производним процесима, међутим, је синтетичка гума.

Природна гума започиње као латекс. Латекс се састоји од полимера који се назива полиизопрен суспендован у води. Дуголанчани молекули састављени од многих (поли) појединачних јединица (мерс) повезаних заједно чине полимере. Гума је посебан облик полимера који се назива еластомер, што значи да се молекули полимера истежу и савијају.

Више од 2.500 биљака производи латекс, сокни материјал сличан млеку. Млечна трава је многима можда најпознатија биљка за производњу латекса, али комерцијални латекс потиче од једног тропског дрвета, Хевеа брасилиенсис. Као што и само име говори, дрво гуме потиче из тропске Јужне Америке. Пре више од 3000 година, мезоамеричке цивилизације мешале су латекс са соком јутарње славе да би створиле гуму. Промена односа односа латекса и сока од јутарње славе променила је својства гуме. Мезоамериканци су од живахних куглица до гумених сандала знали и користили гуму.

Пре 1900. године већина природног каучука долазила је од дивљих стабала у Бразилу. Како је 20. век почео, понуда и потражња надмашивали су производњу са све већом популарношћу бицикала и аутомобила. Прокријумчарено семе из Бразила довело је до плантажа гуме у југоисточној Азији. До 1930-их, употреба природног каучука кретала се од гума на возилима и авионима до 32 килограма пронађених у војничкој обући, одећи и опреми. До тада је већина америчке залихе гуме долазила из југоисточне Азије, али је Други светски рат одсекао САД од већине залиха.

Процес производње природне гуме започиње сакупљањем латекса са дрвећа гуме. Берба латекса са гумених стабала започиње забијањем или сечењем коре дрвета. Латекс се улива у чашу причвршћену за дно реза на дрвету. Материјал латекса са многих стабала накупља се у великим резервоарима.

Најчешћи метод екстракције гуме из латекса користи коагулацију, поступак који умотава или згушњава полиизопрен у масу. Овај поступак се постиже додавањем киселине као што је мравља киселина у латекс. Процес коагулације траје око 12 сати.

Вода се истискује из коагулума гуме помоћу низа ваљака. Добијени танки лимови, дебљине око 1/8 инча, суше се на дрвеним полицама у пушницама. Процес сушења обично захтева неколико дана. Добијена тамно-смеђа гума, која се сада назива ребрасти димни лист, пресавијена је у бале за испоруку процесору.

Међутим, није пушена сва гума. Каучук осушен на врућем ваздуху, а не на пушењу, назива се ваздушно осушен лим. Овај поступак резултира бољом квалитетом гуме. Још квалитетнија гума која се назива бледо креп гума захтева два корака коагулације праћене сушењем на ваздуху.

Током година развијено је неколико различитих врста синтетичке гуме. Све су резултат полимеризације (повезивања) молекула. Процес који се назива адицијска полимеризација повезује молекуле у дуге ланце. Други процес, назван кондензациона полимеризација, елиминише део молекула док су молекули повезани. Примери адицијских полимера укључују синтетичке гуме направљене од полихлоропрена (неопренска гума), ан каучук отпоран на уље и бензин и стирен бутадиен каучук (СБР), који се користи за гуму која се не одбија гуме.

Прва озбиљна потрага за синтетичком гумом започела је у Немачкој током Првог светског рата. Британске блокаде спречиле су Немачку да добије природни каучук. Немачки хемичари су развили полимер од 3-метилизопрен (2,3-диметил-1,3-бутадиен) јединица, [ЦХ₂= Ц (ЦХ₃) Ц (ЦХ₃) = ЦХ2], из ацетона. Иако је ова замена, метилна гума, била инфериорнија од природне гуме, Немачка је производила 15 тона месечно до краја Првог светског рата.

Континуирана истраживања довела су до квалитетније синтетичке гуме. Најчешћа врста синтетичке гуме која се тренутно користи, Буна С (стирен бутадиен каучук или СБР), 1929. године развила је немачка компанија И.Г. Фарбен. Амерички хемичар Самуел Емметт Хорне, Јр., 1955. године развио је полимер од 98 посто цис-1,4-полиизопрена који се понаша попут природне гуме. Ова супстанца у комбинацији са СБР користи се за гуме од 1961. године.

Гума, било природна или синтетичка, стиже у погоне прерађивача (произвођача) у великим балама. Једном када гума стигне у фабрику, обрада пролази кроз четири корака: мешање, мешање, обликовање и вулканизација. Формулација и метода мешања гуме зависе од предвиђеног исхода поступка производње гуме.

Сложено

Мешање додаје хемикалије и друге адитиве за прилагођавање гуме за предвиђену употребу. Природни каучук се мења са температуром, постаје хладан са хладноћом и лепљив, гњецав неред са врућином. Хемикалије додате током мешања реагују са гумом током процеса вулканизације да би стабилизирале полимере гуме. Додатни адитиви могу укључивати армирајућа пунила за побољшање својстава гуме или неармирајућа пунила за продужавање гуме, што смањује трошкове. Врста пунила која се користи зависи од коначног производа.

Најчешће коришћено ојачавајуће пунило је чађа, изведена из чађи. Чађа повећава затезну чврстоћу гуме и отпорност на хабање и кидање. Чађа такође побољшава отпорност гуме на ултраљубичасту разградњу. Већина производа од гуме је црна због пунила од чађе.

У зависности од планиране употребе гуме, други адитиви који се користе могу укључивати безводне алуминијумске силикате као арматурна пунила, друге полимере, рециклирану гуму (обично мање од 10 процената), једињења која смањују замор, антиоксиданти, хемикалије отпорне на озон, пигменти за бојење, пластификатори, уља за омекшавање и ослобађање плесни једињења.

Мешање

Адитиви се морају темељно помешати у гуму. Велика вискозност (отпорност на проток) гуме отежава мешање без ње повишење температуре гуме довољно високе (до 300 степени Фахренхеита) да изазове вулканизација. Да би се спречила преурањена вулканизација, мешање се обично одвија у две фазе. Током прве фазе, адитиви попут чађе се мешају у гуму. Ова смеша се назива мастербатцх. Када се гума охлади, додају се хемикалије за вулканизацију и мешају се у гуму.

Обликовање

Обликовање производа од гуме врши се помоћу четири опште технике: екструзија, каландрирање, премазивање или обликовање и ливење. Може се користити више техника обликовања, у зависности од коначног производа.

Екструзија се састоји од потискивања високо пластичне гуме кроз серију екструдера са вијцима. Каландрирање пролази гуму кроз низ све мањих размака између ваљака. Процес ваљкастог калупа комбинује екструдирање и каландрирање, производећи бољи производ од било ког појединачног поступка.

Премазивање користи поступак каландровања за наношење гуменог слоја или за гурање гуме у тканину или други материјал. Гуме, водоотпорни платнени шатори и кишне кабанице, транспортне траке као и сплавови на надувавање израђени су премазивањем материјала гумом.

Гумени производи попут потплата и потпетица, заптивки, заптивки, гумењака и граничника за боце изливају се помоћу калупа. Калупљење је такође корак у изради гума. Три примарне методе обликовања гуме су пресовање под притиском (користи се за израду пнеуматика међу осталим производима), прешање и пресовање. Вулканизација гуме се јавља током процеса обликовања, а не као засебан корак.

Вулканизација

Вулканизација заокружује процес производње гуме. Вулканизација ствара унакрсне везе између полимера гуме, а поступак варира у зависности од захтева финалног производа од гуме. Мање унакрсних веза између полимера гуме ствара мекшу, податнију гуму. Повећавањем броја попречних веза смањује се еластичност гуме, што резултира тврђом гумом. Без вулканизације, гума би остала лепљива када је врућа, а крхка када би била хладна и много би брже трунула.

Вулканизација, коју је 1839. године првобитно открио Цхарлес Гоодиеар, захтевала је додавање сумпора гуми и загревање смеше на 280 Ф око пет сати. Савремена вулканизација, генерално, користи мање количине сумпора у комбинацији са другим хемикалијама да би се време загревања смањило на 15 до 20 минута. Развијене су алтернативне технике вулканизације које не користе сумпор.