Tillverkningsprocessen av gummi

I slutet av 1930-talet använde USA över hälften av världens naturgummiförsörjning. Idag finns naturgummi i över 50 000 tillverkade produkter i USA, och USA importerar över 3 miljarder pund naturgummi varje år. Över 70 procent av gummit som används i moderna tillverkningsprocesser är dock syntetiskt gummi.

Naturgummi börjar som latex. Latex består av polymeren som kallas polyisopren suspenderad i vatten. Långkedjiga molekyler som består av många (poly) enskilda enheter (merer) som är sammanbundna bildar polymerer. Gummi är en speciell form av polymer som kallas en elastomer, vilket innebär att polymermolekylerna sträcker sig och böjs.

Mer än 2500 växter producerar latex, ett mjölkliknande material av sap-typ. Milkweed kan vara den mest kända latexproducerande växten för många människor, men kommersiell latex kommer från ett enda tropiskt träd, Hevea brasiliensis. Som namnet antyder har gummiträdet sitt ursprung i det tropiska Sydamerika. För över 3000 år sedan blandade mesoamerikanska civilisationer latex med morning glory juice för att skapa gummi. Att ändra förhållandet mellan latex och morning glory juice förändrade gummiets egenskaper. Från hoppbollar till gummisandaler kände och använde mesoamerikanerna gummi.

Före 1900 kom mest naturgummi från vilda träd i Brasilien. När 1900-talet började överträffade utbud och efterfrågan produktionen med den ökande populariteten för cyklar och bilar. Frön som smugglats ut från Brasilien ledde till gummiträdplantager i sydöstra Asien. Vid 1930-talet varierade användningen av naturgummi från däck på fordon och flygplan till de 32 pund som finns i soldatens skor, kläder och utrustning. Då kom det mesta av USA: s gummiförsörjning från Sydostasien, men andra världskriget avbröt USA från majoriteten av dess leverans.

Tillverkningsprocessen för naturgummi börjar med att skörda latex från gummiträd. Att skörda latex från gummiträd börjar med att skära eller skära i trädets bark. Latex flyter in i en kopp som är fäst vid botten av snittet i trädet. Latexmaterialet från många träd samlas i stora tankar.

Den vanligaste metoden för att extrahera gummit från latex använder koagulation, en process som curdlar eller förtjockar polyisoprenen till en massa. Denna process åstadkommes genom tillsats av en syra såsom myrsyra till latexen. Koagulationsprocessen tar cirka 12 timmar.

Vatten pressas ut ur koagulatet av gummi med hjälp av en serie rullar. De resulterande tunna lakan, ca 1/8 tum tjocka, torkas över träställ i rökhus. Torkningsprocessen kräver i allmänhet flera dagar. Det resulterande mörkbruna gummit, som nu kallas ribbat rökark, vikas till balar för transport till processorn.

Inte allt gummi är dock rökt. Gummitorkad med varmluft snarare än rökning kallas ett lufttorkat lakan. Denna process resulterar i en bättre kvalitet av gummi. Ett ännu högre kvalitetsgummi kallat blekt kräppgummi kräver två koagulationssteg följt av lufttorkning.

Flera olika typer av syntetiskt gummi har utvecklats genom åren. Allt härrör från polymerisation (koppling) av molekyler. En process som kallas additionspolymerisation stränger samman molekyler i långa kedjor. En annan process, kallad kondenspolymerisation, eliminerar en del av molekylen när molekyler är länkade i varandra. Exempel på additionspolymerer inkluderar syntetiska gummi tillverkade av polykloropren (neoprengummi), en olje- och bensinbeständigt gummi och styrenbutadiengummi (SBR) som används för icke-studsande gummi i däck.

Den första allvarliga sökningen efter syntetiskt gummi började i Tyskland under första världskriget. Brittiska blockader hindrade Tyskland från att ta emot naturgummi. Tyska kemister utvecklade en polymer från 3-metylisopren (2,3-dimetyl-1,3-butadien) enheter, [CH₂= C (CH₃C (CH₃CH2], från aceton. Även om denna ersättning, metylgummi, var sämre än naturgummi, tillverkade Tyskland 15 ton per månad i slutet av första världskriget.

Fortsatt forskning ledde till bättre syntetiska gummi. Den vanligaste typen av syntetiskt gummi som för närvarande används, Buna S (styrenbutadiengummi eller SBR), utvecklades 1929 av det tyska företaget I.G. Farben. 1955 utvecklade den amerikanska kemisten Samuel Emmett Horne, Jr. en polymer av 98 procent cis-1,4-polyisopren som beter sig som naturgummi. Detta ämne i kombination med SBR har använts för däck sedan 1961.

Gummi, oavsett om det är naturligt eller syntetiskt, anländer till bearbetningsanläggningar (tillverkare) i stora balar. När gummit anländer till fabriken går bearbetningen genom fyra steg: blandning, blandning, formning och vulkanisering. Formuleringen och metoden för gummiblandning beror på det avsedda resultatet av gummitillverkningsprocessen.

Förening

Compounding lägger till kemikalier och andra tillsatser för att anpassa gummit för den avsedda användningen. Naturgummi förändras med temperaturen, blir sprött med kyla och en klibbig, kladdig röra med värme. Kemikalier tillsatta under sammansättning reagerar med gummit under vulkaniseringsprocessen för att stabilisera gummipolymererna. Ytterligare tillsatser kan inkludera förstärkande fyllmedel för att förbättra egenskaperna hos gummit eller icke-förstärkande fyllmedel för att förlänga gummit, vilket minskar kostnaden. Vilken typ av fyllmedel som används beror på slutprodukten.

Det mest använda förstärkande fyllmedlet är kolsvart, härrör från sot. Kolsvart ökar gummiets draghållfasthet och motståndskraft mot nötning och rivning. Kolsvart förbättrar också gummis motståndskraft mot ultraviolett nedbrytning. De flesta gummiprodukter är svarta på grund av kolsvart fyllmedel.

Beroende på den planerade användningen av gummit kan andra tillsatser som används innehålla vattenfria aluminiumsilikater som förstärkningsfyllmedel, andra polymerer, återvunnet gummi (vanligtvis mindre än 10 procent), utmattningsreducerande föreningar, antioxidanter, ozonbeständiga kemikalier, färgpigment, mjukgörare, mjukgörande oljor och mögelfrisättning föreningar.

Blandning

Tillsatserna måste blandas ordentligt i gummit. Den höga viskositeten (motståndet mot flödet) hos gummit gör blandningen svår att åstadkomma utan höjer gummitemperaturen tillräckligt högt (upp till 300 grader Fahrenheit) för att orsaka vulkanisering. För att förhindra för tidig vulkanisering sker blandningen vanligtvis i två steg. Under det första steget blandas tillsatser som kolsvart i gummit. Denna blandning kallas en masterbatch. När gummit har svalnat tillsätts kemikalierna för vulkanisering och blandas i gummit.

Formning

Formning av gummiprodukter sker med fyra allmänna tekniker: strängsprutning, kalandrering, beläggning eller gjutning och gjutning. Mer än en formningsteknik kan användas, beroende på slutprodukten.

Extrudering består av att tvinga mycket plastgummi genom en serie skruvsträngsprutor. Kalandrering passerar gummit genom en serie av allt mindre mellanrum mellan valsarna. Valsvalsprocessen kombinerar extrudering och kalandrering, vilket ger en bättre produkt än någon enskild process.

Beläggning använder kalandreringsprocessen för att applicera ett lager gummi eller för att tvinga gummi i tyg eller annat material. Däck, vattentäta tygtält och regnrockar, transportband samt uppblåsbara flottar tillverkas av beläggningsmaterial med gummi.

Gummiprodukter som skosulor och klackar, packningar, tätningar, sugkoppar och flaskstopp gjuts med hjälp av formar. Gjutning är också ett steg i tillverkningen av däck. De tre primära metoderna för gjutning av gummi är kompressionsgjutning (används vid tillverkning av däck bland andra produkter), transferformning och formsprutning. Vulkanisering av gummit sker under formningsprocessen snarare än som ett separat steg.

Vulkanisering

Vulkanisering fullbordar gummiproduktionsprocessen. Vulkanisering skapar tvärförbindelserna mellan polymererna av gummi, och processen varierar beroende på kraven för den slutliga gummiprodukten. Färre tvärförbindelser mellan gummipolymererna skapar ett mjukare, smidigare gummi. Att öka antalet tvärförbindelser minskar gummiets elasticitet, vilket resulterar i hårdare gummi. Utan vulkanisering skulle gummi förbli klibbigt när det är varmt och sprött när det är kallt och det skulle ruttna mycket snabbare.

Vulkanisering, som ursprungligen upptäcktes 1839 av Charles Goodyear, krävde tillsats av svavel till gummi och upphettning av blandningen till 280 ° C i cirka fem timmar. Modern vulkanisering använder i allmänhet mindre mängder svavel i kombination med andra kemikalier för att minska uppvärmningstiden till 15 till 20 minuter. Alternativa vulkaniseringstekniker har utvecklats som inte använder svavel.