Наприкінці 30-х років США використовували більше половини світового запасу природного каучуку. На сьогоднішній день природний каучук можна знайти у понад 50 000 виробів, вироблених у Сполучених Штатах, а США імпортує понад 3 млрд фунтів натурального каучуку щороку. Понад 70 відсотків каучуку, який використовується в сучасних виробничих процесах, проте є синтетичним каучуком.
Фон природного каучуку
Натуральний каучук починається як латекс. Латекс складається з полімеру, званого поліізопреном, суспендованим у воді. Довголанцюгові молекули, що складаються з багатьох (полі) окремих одиниць (mers), з'єднаних між собою, утворюють полімери. Каучук - це особлива форма полімеру, яка називається еластомером, тобто молекули полімеру розтягуються і згинаються.
Понад 2500 рослин виробляють латекс - молокоподібний сокоподібний матеріал. Молочай може бути найбільш звичним для багатьох людей виробництвом латексу, але комерційний латекс походить з одного тропічного дерева, Hevea brasiliensis. Як випливає з назви, каучукове дерево походить з тропічних районів Південної Америки. Понад 3000 років тому мезоамериканські цивілізації змішували латекс із соком іпомеї, створюючи каучук. Зміна співвідношення латексу до соку іпомеї змінила властивості каучуку. Мезуамериканці знали і використовували каучук - від надувних куль до гумових сандалій.
До 1900 року більшість натурального каучуку надходило з диких дерев Бразилії. З початком 20 століття попит та пропозиція випереджали виробництво з ростом популярності велосипедів та автомобілів. Насіння, вивезене з Бразилії, призвело до плантацій каучукових дерев у Південно-Східній Азії. До 1930-х років використання натурального каучуку варіювалось від шин на транспортних засобах та літаках до 32 фунтів, знайдених у взутті солдата, одязі та спорядженні. На той час більша частина поставок каучуку в США надходила з південно-східної Азії, але Друга світова війна відрізала США більшу частину поставок.
Процес виробництва натурального каучуку
Процес виробництва натурального каучуку починається зі збору латексу з каучукових дерев. Збір врожаю латексу з каучукових дерев починається з забивання або зрізання в корі дерева. Латекс впадає в чашку, прикріплену до нижньої частини зрізу на дереві. Латексний матеріал багатьох дерев накопичується у великих резервуарах.
Найпоширеніший метод вилучення каучуку з латексу використовує коагуляцію - процес, який згортає або згущує поліізопрен до маси. Цей процес здійснюється додаванням кислоти, такої як мурашина кислота, до латексу. Процес коагуляції займає близько 12 годин.
Вода вичавлюється з коагуляції каучуку за допомогою ряду валиків. Отримані тонкі листи, товщиною близько 1/8 дюйма, сушать над дерев'яними стелажами в коптильнях. На процес сушіння зазвичай потрібно кілька днів. Отримана в результаті темно-коричнева гума, яку тепер називають ребристим димовим листом, складається в тюки для транспортування до процесора.
Однак коптиться не вся гума. Каучук, висушений на гарячому повітрі, а не на копченні, називається сушеним на повітрі простирадлом. Цей процес призводить до кращої якості гуми. Ще більш якісний каучук, який називається блідо-креповим каучуком, вимагає двох етапів коагуляції з подальшим сушінням на повітрі.
Створення синтетичного каучуку
За ці роки було розроблено кілька різних видів синтетичного каучуку. Все це результат полімеризації (зв’язування) молекул. Процес, який називається полімеризацією додавання, об’єднує молекули у довгі ланцюги. Інший процес, який називається конденсаційною полімеризацією, усуває частину молекули, оскільки молекули зв’язані між собою. Приклади додавання полімерів включають синтетичні каучуки, виготовлені з поліхлоропрену (неопренового каучуку), ан маслостійкий і бензиностійкий каучук і стирол-бутадієновий каучук (SBR), що використовуються для невідмовного каучуку в шини.
Перші серйозні пошуки синтетичного каучуку почалися в Німеччині під час Першої світової війни. Британські блокади заважали Німеччині отримувати натуральний каучук. Німецькі хіміки розробили полімер із 3-метилізопренових (2,3-диметил-1,3-бутадієнових) одиниць [CH2= С (СН3) С (СН3) = CH2], з ацетону. Хоча цей замінник, метиловий каучук, поступався натуральному, до кінця Першої світової війни Німеччина виробляла 15 тонн на місяць.
Продовження досліджень призвело до отримання якісніших синтетичних каучуків. Найпоширеніший тип синтетичного каучуку, що використовується зараз, Buna S (стирол-бутадієновий каучук або SBR), був розроблений в 1929 році німецькою компанією I.G. Фарбен. У 1955 році американський хімік Семюел Емметт Хорн-молодший розробив полімер з 98 відсотків цис-1,4-поліізопрену, який поводиться як природний каучук. Ця речовина в поєднанні з SBR використовується для шин з 1961 року.
Обробка гуми
Каучук, натуральний чи синтетичний, надходить на заводи переробників (виробників) великими тюками. Як тільки каучук надходить на завод, обробка проходить чотири етапи: складання, змішування, формування та вулканізація. Композиція і спосіб приготування гумових сумішей залежать від передбачуваних результатів процесу виготовлення каучуку.
Складний
Композиція додає хімічні речовини та інші добавки, щоб налаштувати каучук за призначенням. Натуральний каучук змінюється з температурою, стає крихким від холоду та липким, неприємним безладом від спеки. Хімічні речовини, додані під час компаундування, реагують з каучуком під час процесу вулканізації для стабілізації каучукових полімерів. Додаткові добавки можуть включати армуючі наповнювачі для посилення властивостей каучуку або неармуючі наповнювачі для подовження гуми, що зменшує вартість. Вид використовуваного наповнювача залежить від кінцевого продукту.
Найчастіше застосовуваний армуючий наповнювач - сажа, отримана із сажі. Сажа збільшує міцність гуми на розрив і стійкість до стирання та розриву. Сажа також покращує стійкість гуми до ультрафіолетового руйнування. Більшість гумових виробів чорного кольору через наповнювач вуглецю.
Залежно від запланованого використання каучуку, інші використовувані добавки можуть включати безводні силікати алюмінію як армуючі наповнювачі, інші полімери, перероблену гуму (зазвичай менше 10 відсотків), сполуки, що зменшують втому, антиоксиданти, озоностійкі хімічні речовини, фарбувальні пігменти, пластифікатори, пом’якшувальні олії та вивільнення цвілі сполуки.
Змішування
Добавки необхідно ретельно перемішати в гумі. Висока в'язкість (стійкість до течії) каучуку ускладнює перемішування без нього підвищення температури гуми досить високо (до 300 градусів за Фаренгейтом), щоб викликати вулканізація. Щоб запобігти передчасній вулканізації, перемішування зазвичай відбувається у два етапи. На першій стадії в каучук змішуються такі добавки, як сажа. Цю суміш називають маточною сумішшю. Як тільки гума охолоне, хімікати для вулканізації додаються і змішуються в каучук.
Формування
Формування гумових виробів відбувається за допомогою чотирьох загальних методів: екструдування, каландрування, нанесення покриттів або формування та лиття. Залежно від кінцевого продукту може використовуватися більше одного методу формування.
Екструзія складається з виштовхування високопластичної гуми через ряд гвинтових екструдерів. Каландрування пропускає гуму через серію дедалі менших зазорів між роликами. Процес валкових штампів поєднує екструзію та каландрування, отримуючи кращий продукт, ніж будь-який окремий процес.
Покриття використовує процес каландрування для нанесення покриття з гуми або для примушення гуми до тканини або іншого матеріалу. Шини, водонепроникні тканинні намети та плащі, конвеєрні стрічки, а також надувні плоти виготовляються покриттям матеріалів гумою.
Гумові вироби, такі як підошви та підбори для взуття, прокладки, ущільнювачі, присоски та упори для пляшок відливають за допомогою форм. Лиття - це також крок у виготовленні шин. Трьома основними методами формування каучуку є лиття під тиском (застосовується при виготовленні шин серед інших виробів), лиття під тиском та лиття під тиском. Вулканізація каучуку відбувається в процесі формування, а не як окремий етап.
Вулканізація
Вулканізація завершує процес виробництва каучуку. Вулканізація створює поперечні зв’язки між полімерами каучуку, і процес варіюється залежно від вимог до кінцевого гумового продукту. Менша кількість поперечних зв’язків між полімерами каучуку створює більш м’яку та гнучку гуму. Збільшення кількості поперечних з’єднань зменшує еластичність каучуку, внаслідок чого гума стає більш твердою. Без вулканізації гума залишається липкою в гарячому стані, а крихкою в холодному стані і гниє набагато швидше.
Вулканізація, спочатку відкрита в 1839 році Чарльзом Гудієром, вимагала додавання сірки до каучуку та нагрівання суміші до 280 F протягом п’яти годин. Сучасна вулканізація, як правило, використовує меншу кількість сірки в поєднанні з іншими хімічними речовинами, щоб скоротити час нагрівання до 15-20 хвилин. Розроблено альтернативні методи вулканізації, які не використовують сірку.