Sadržaj
Krajem 1930-ih, Sjedinjene Države su koristile više od polovice svjetske opskrbe prirodnim gumama. Danas se prirodna guma može naći u preko 50 000 proizvedenih proizvoda u Sjedinjenim Državama, a SAD svake godine uvozi preko 3 milijarde funti prirodne gume. Preko 70 posto gume koja se koristi u modernim proizvodnim procesima, međutim, je sintetička guma.
Pozadina prirodne gume
Prirodna guma počinje kao lateks. Lateks se sastoji od polimera zvanog poliizopren suspendiranog u vodi. Molekule dugog lanca sastavljene od mnogih (poli) pojedinačnih jedinica (mers) povezanih zajedno tvore polimere. Guma je poseban oblik polimera koji se naziva elastomer, što znači da se polimerne molekule protežu i savijaju.
Više od 2500 biljaka proizvodi lateks, materijal sličan mlijeku sapuna. Mliječna trava je mnogima možda najpoznatija biljka za proizvodnju lateksa, ali komercijalni lateks potiče od jednog tropskog stabla, Hevea brasiliensis. Kao što ime sugerira, stablo gume potječe iz tropske Južne Amerike. Prije više od 3000 godina, mezoameričke civilizacije miješale su lateks sa sokom jutarnje slave i stvorile gumu. Promjenom omjera lateksa u jutarnjoj slavi sok promijenio je svojstva gume. Od naglih kuglica do gumenih sandala, Mezoamerikanci su znali i koristili gumu.
Prije 1900. godine, većina prirodne gume dolazi od divljih stabala u Brazilu. Kako je počelo 20. stoljeće, ponuda i potražnja nadmašile su proizvodnju sa sve većom popularnošću bicikala i automobila. Sjeme prokrijumčareno iz Brazila dovelo je do plantaža gumenih stabala na jugoistoku Azije. Do 1930-ih godina upotreba prirodne gume kretala se u rasponu od guma na vozilima i zrakoplovima do 32 kilograma koji su pronađeni u vojničkoj obući, odjeći i opremi. Do tada je većina američke opskrbe gumom dolazila iz jugoistočne Azije, ali Drugi svjetski rat je odsjekao američki dio većine njegova opskrbe.
Postupak proizvodnje prirodne gume
Proces proizvodnje prirodne gume započinje sječom lateksa s gume. Berba lateksa s gumenih stabala započinje ocjenjivanjem ili sječenjem u kore stabla. Lateks se ulijeva u čašu pričvršćenu na dnu posjekotine u stablu. Materijal od lateksa s mnogih stabala nakuplja se u velikim spremnicima.
Najčešća metoda vađenja gume iz lateksa koristi koagulaciju, proces koji poliizopren uvija ili zgušnjava u masu. Ovaj se postupak postiže dodavanjem kiseline poput mravlje kiseline u lateks. Proces koagulacije traje oko 12 sati.
Voda se istiskuje iz zgrušavanja gume pomoću niza valjaka. Rezultirajući tanki listovi, debljine oko 1/8 inča, suše se preko drvenih regala u dimnjacima. Proces sušenja obično zahtijeva nekoliko dana. Nastala tamno smeđa guma, koja se danas naziva rebrasti dimni lim, presavijena je u balama radi otpreme u procesor.
Ne puše se, međutim, sva guma. Guma sušena vrućim zrakom, a ne pušenjem naziva se zrakom osušen lim. Ovaj postupak rezultira boljom ocjenom gume. Još kvalitetnija guma koja se naziva blijedo krepasta guma zahtijeva dva koraka koagulacije nakon čega slijedi sušenje na zraku.
Stvaranje sintetičke gume
Tijekom godina razvijeno je nekoliko različitih vrsta sintetičke gume. Sve rezultat polimerizacije (povezivanja) molekula. Postupak koji se naziva adicijska polimerizacija povezuje molekule u duge lance. Drugi postupak, nazvan kondenzacijska polimerizacija, uklanja dio molekule jer se molekule povezuju. Primjeri dodatnih polimera uključuju sintetičke gume izrađene od polikloroprena (neoprenske gume), gume otporne na ulje i benzin i stirenske butadienske gume (SBR), koja se koristi za gumu koja ne odskače u gumama.
Prva ozbiljnija potraga za sintetičkom gumom započela je u Njemačkoj tijekom Prvog svjetskog rata. Britanske blokade spriječile su Njemačku u primanju prirodne gume. Njemački kemičari razvili su polimer iz 3-metilisoprena (2,3-dimetil-1,3-butadiena) jedinica, iz acetona. Iako je ta zamjena, metilna guma, bila inferiorna od prirodne gume, Njemačka je proizvodila 15 tona mjesečno do kraja Prvog svjetskog rata.
Kontinuirana istraživanja dovela su do kvalitetnije sintetičke gume. Najčešća vrsta sintetičke gume koja se trenutno koristi, Buna S (stirol-butadienska guma ili SBR), razvijena je 1929. godine od strane njemačke tvrtke I.G. Farben. 1955. američki kemičar Samuel Emmett Horne, Jr., Razvio je polimer od 98 posto cis-1,4-poliizoprena koji se ponaša poput prirodne gume. Ova tvar u kombinaciji sa SBR koristi se za gume od 1961. godine.
Obrada gume
Guma, prirodna ili sintetička, dolazi u postrojenja za obradu (proizvođač) u velikim balama. Jednom kada guma stigne u tvornicu, obrada prolazi kroz četiri koraka: miješanje, miješanje, oblikovanje i vulkanizacija. Formulacija i metoda smjese gume ovisi o planiranom rezultatu postupka izrade gume.
složen
Sastavljanje dodaje kemikalije i druge dodatke kako bi se guma prilagodila predviđenoj uporabi. Prirodna guma mijenja se s temperaturom, postaje krhka od hladnoće i ljepljiv, gnjavašan nered zbog vrućine. Kemikalije dodane tijekom miješanja reagiraju s gumom tijekom procesa vulkanizacije za stabilizaciju gumenih polimera. Dodatni aditivi mogu uključivati armirajuća punila koja poboljšavaju svojstva gume ili neujačavajuća punila za produženje gume, što smanjuje troškove. Vrsta upotrijebljenog punila ovisi o konačnom proizvodu.
Najčešće korišteno armirajuće punilo je čađa, dobivena iz čađe. Čađa povećava vlačnu čvrstoću gume i otpornost na abraziju i kidanje. Čađa također poboljšava otpornost gume na ultraljubičastu razgradnju. Većina gumenih proizvoda je crna zbog punila čađe.
Ovisno o planiranoj upotrebi gume, drugi korišteni aditivi mogu uključivati bezvodne aluminijske silikate kao ojačala punila, druge polimere, recikliranu gumu (obično manje od 10 posto), spojeve koji smanjuju umor, antioksidante, kemikalije otporne na ozon, pigmente za bojenje, plastifikatore , omekšavajuća ulja i spojevi za oslobađanje plijesni.
Miješanje
Aditivi se moraju temeljito umiješati u gumu. Visoka viskoznost (otpornost na protok) gume otežava postizanje miješanja bez povišenja temperature gume (do 300 stupnjeva Farenhajta) da prouzrokuje vulkanizaciju. Da bi se spriječila preuranjena vulkanizacija, miješanje se obično odvija u dvije faze. Tijekom prve faze, aditivi poput čađe miješaju se u gumu. Ova se mješavina naziva masterbatch. Nakon što se guma ohladi, kemikalije za vulkanizaciju se dodaju i umiješaju u gumu.
Oblikovanje
Oblikovanje gumenih proizvoda događa se pomoću četiri opće tehnike: istiskivanja, kalandriranja, premazivanja ili lijevanja i lijevanja. Može se koristiti više tehnika oblikovanja, ovisno o konačnom proizvodu.
Ekstruzija se sastoji od forsiranja visoko plastične gume kroz niz vijačnih ekstrudera. Kalendiranje prolazi gumu kroz niz sve manjih praznina između valjaka. Postupak valjkastog die kombinira istiskivanje i kalendiranje, proizvodeći bolji proizvod od bilo kojeg pojedinačnog postupka.
Premazivanje koristi postupak kalendiranja za nanošenje gumenog sloja ili nabijanje gume u tkaninu ili drugi materijal. Gume, vodootporni platneni šatori i kabanice, transportne trake kao i splavi na napuhavanje izrađeni su premazom materijala gumom.
Gumeni proizvodi poput potplata i potpetica, brtve, brtve, usisne čaše i čepovi za boce izlivaju se pomoću kalupa. Kalupljenje je također korak u izradi guma. Tri glavne metode lijevanja gume su lijevanje kompresijom (koristi se za izradu guma među ostalim proizvodima), prijenosno brizganje i injekcijsko lijevanje. Vulkanizacija gume događa se tijekom procesa oblikovanja, a ne kao poseban korak.
Vulkanizacija
Vulkanizacija dovršava postupak proizvodnje gume. Vulkanizacija stvara poprečne veze između polimera gume, a postupak varira ovisno o zahtjevima finalnog proizvoda od gume. Manje unakrsne veze između gumenih polimera stvara mekšu i fleksibilniju gumu. Povećavanjem broja poprečnih spojeva smanjuje se elastičnost gume, što rezultira tvrđom gumom. Bez vulkanizacije, guma bi ostala ljepljiva kada je vruća, a krhka kad je hladna, a mnogo bi brže mogla trunuti.
Vulkanizacija, koju je Charles Goodyear prvotno otkrio 1839. godine, zahtijevala je dodavanje sumpora u gumu i zagrijavanje smjese na 280 F oko pet sati. Moderna vulkanizacija uglavnom koristi manje količine sumpora u kombinaciji s drugim kemikalijama kako bi se vrijeme grijanja smanjilo na 15 do 20 minuta. Razvijene su alternativne tehnike vulkanizacije koje ne koriste sumpor.