Зміст
- Фон з натурального каучуку
- Процес виготовлення природного каучуку
- Створення синтетичного каучуку
- Обробка гуми
Наприкінці 1930-х рр. США використовували понад половину світових запасів природного каучуку. На сьогодні натуральний каучук можна знайти у понад 50 000 вироблених виробів у США, а США імпортує понад 3 млрд фунтів натурального каучуку щороку. Більше 70 відсотків каучуку, що використовується в сучасних виробничих процесах, проте є синтетичним каучуком.
Фон з натурального каучуку
Натуральний каучук починається як латекс. Латекс складається з полімеру під назвою поліізопрен, суспендований у воді. Молекули довгого ланцюга, що складаються з багатьох (полі) окремих одиниць (mers), з'єднаних разом, утворюють полімери. Гума - це особлива форма полімеру, яка називається еластомером, тобто молекули полімеру розтягуються і згинаються.
Понад 2500 заводів виробляють латекс, молокоподібний матеріал сапового типу. Молочниця може бути найвідомішою для багатьох людей рослиною, що виробляє латекс, але комерційний латекс походить з одного тропічного дерева, Hevea brasiliensis. Як випливає з назви, гумове дерево зародилося в тропічній Південній Америці. Понад 3000 років тому мезоамериканські цивілізації змішували латекс із соком ранкової слави для створення каучуку. Зміна відношення латексу до соку ранкової слави змінила властивості каучуку. Мезоамериканці знали і використовували гуму, починаючи від підстрибних кульок до гумових сандалій.
До 1900 року більшість натуральних каучуків надходило з диких дерев Бразилії. З початком 20 століття попит та пропозиція випереджали виробництво із зростанням популярності велосипедів та автомобілів. Насіння, перевезене з Бразилії, призвело до посадки гумових дерев на південному сході Азії. До 1930-х років використання природного каучуку варіювалося від шин на транспортних засобах та літаках до 32 фунтів, знайдених у солдатах взуття, одязі та спорядженні. На той час більшість поставок каучуку в США надходила з південно-східної Азії, але Друга світова війна відрізала США від більшості його поставок.
Процес виготовлення природного каучуку
Процес виготовлення натуральної гуми починається зі збирання латексу з гумових дерев. Заготівля латексу з дерев гуми починається з підбивання або врізання в кору дерева. Латекс перетікає в чашку, прикріплену до дна зрізу дерева. Матеріал латексу з багатьох дерев накопичується у великих резервуарах.
Найпоширеніший метод вилучення каучуку з латексу використовує коагуляцію, процес, який згортає або згущує поліізопрен в масу. Цей процес здійснюється шляхом додавання до латексу такої кислоти, як мурашина кислота. Процес згортання займає близько 12 годин.
Вода витискається з коагуляції гуми за допомогою серії валиків. Отримані тонкі листи, товщиною приблизно 1/8 дюйма, сушать над дерев'яними стелажами в коптильнях. Процес сушіння зазвичай вимагає декількох днів. Отриману темно-коричневу гуму, яку тепер називають ребристим димовим листом, складають у тюки для доставки в процесор.
Однак не вся гума копчена. Гуму, висушену гарячим повітрям, а не курінням, називають просушеним повітрям простирадлом. Цей процес призводить до кращого сорту каучуку. Ще більш якісна гума під назвою блідо-крепова гума вимагає двох етапів згортання з подальшим сушінням на повітрі.
Створення синтетичного каучуку
За ці роки було розроблено кілька різних видів синтетичного каучуку. Все є результатом полімеризації (зв'язування) молекул. Процес, який називається приєднанням полімеризації, поєднує молекули в довгі ланцюги. Інший процес, який називається конденсаційною полімеризацією, виключає частину молекули, оскільки молекули пов'язані між собою. Приклади полімерів, що додають, включають синтетичні каучуки, виготовлені з поліхлорепрену (неопренового каучуку), стійкої до оливи і бензину гуми, і стиролового бутадієнового каучуку (SBR), що використовується для неприскореної гуми в шинах.
Перші серйозні пошуки синтетичного каучуку почалися в Німеччині під час Першої світової війни. Британські блокади завадили Німеччині отримувати натуральний каучук. Німецькі хіміки розробили полімер із 3-метилізопрену (2,3-диметил-1,3-бутадієну) з ацетону. Хоча цей замінник, метиловий каучук, поступався натуральному каучуку, до кінця Першої світової війни Німеччина виробляла 15 тонн на місяць.
Продовження досліджень призвело до отримання якісних синтетичних каучуків. Найпоширеніший тип синтетичного каучуку, який зараз використовується, Buna S (стирольний 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 98-відсоткового цис-1,4-поліізопрену, який веде себе як натуральний каучук. Ця речовина в поєднанні з SBR використовується для шин з 1961 року.
Обробка гуми
Гума, натуральна чи синтетична, надходить на переробні (фабрикаторні) установки у великих тюках. Після того, як гума надійде на завод, обробка проходить чотири етапи: складання, змішування, формування та вулканізація. Рецептура і спосіб виготовлення гумових сумішей залежить від запланованого результату процесу виготовлення гуми.
Складнощі
Композиція додає хімічні речовини та інші добавки, щоб підлаштувати гуму за призначенням. Натуральний каучук змінюється з температурою, стає крихким від холоду та липкого, гусячого безладу з теплом. Хімічні речовини, додані під час суміші, реагують з каучуком під час вулканізуючого процесу для стабілізації каучукових полімерів. Додаткові добавки можуть включати зміцнюючі наповнювачі для посилення властивостей гуми або не зміцнюючі наповнювачі для розширення гуми, що зменшує витрати. Вид використовуваного наповнювача залежить від кінцевого продукту.
Найпоширенішим армуючим наповнювачем є сажа, отримана з сажі. Сажа збільшує міцність на розрив гуми та стійкість до стирання та розриву. Сажа також покращує стійкість каучуків до ультрафіолетової деградації. Більшість гумових виробів чорного кольору через наповнювач сажі.
Залежно від запланованого використання каучуку, інші використовувані добавки можуть включати безводні силікати алюмінію як зміцнювальні наповнювачі, інші полімери, перероблений каучук (як правило, менше 10 відсотків), сполуки, що знижують втому, антиоксиданти, хімічні речовини, стійкі до озону, фарбувальні пігменти, пластифікатори , пом'якшувальні олії та сполуки, що виділяють цвіль.
Змішування
Добавки необхідно ретельно перемішати в гуму. Висока в'язкість (стійкість до потоку) гуми утруднює перемішування без підвищення температури гуми (до 300 градусів за Фаренгейтом), щоб викликати вулканізацію. Для запобігання передчасної вулканізації змішування зазвичай відбувається в два етапи. Під час першого етапу в каучук змішуються добавки, як сажа. Ця суміш згадується як мастербайт. Після того як каучук охолоне, хімічні речовини для вулканізації додаються і змішуються в каучук.
Формування
Формування гумових виробів відбувається за допомогою чотирьох загальних методик: екструзії, каландрування, нанесення покриттів або лиття та лиття. Залежно від кінцевого продукту може використовуватися більше однієї техніки формування.
Екструзія складається з витіснення високо пластичної гуми через серію гвинтових екструдерів. Каландрування пропускає гуму через ряд все менших зазорів між валиками. Процес роликового штампування поєднує екструзію та каландрування, отримуючи кращий продукт, ніж будь-який окремий процес.
Покриття використовує процес каландрування для нанесення покриття з гуми або для примушування гуми до тканини або іншого матеріалу. Шини, намети з водонепроникного полотна та плащі, конвеєрні стрічки, а також надувні плоти виготовляються покриттям матеріалів гумою.
Гумові вироби, такі як взуттєві підошви та підбори, прокладки, пломби, присоски та стопори для пляшок, відливають за допомогою прес-форм. Лиття також є кроком у виробництві шин. Три основні способи формування гуми - це пресування під тиском (використовується для виготовлення шин серед інших виробів), переливне лиття та лиття під тиском. Вулканізація каучуку відбувається в процесі формування, а не як окремий етап.
Вулканізація
Вулканізація завершує процес виробництва гуми. Вулканізація створює перехресні з'єднання між полімерами каучуку, і процес змінюється залежно від вимог кінцевого каучукового виробу. Менше поперечних з’єднань між гумовими полімерами створює більш м'яку і податливу гуму. Збільшення кількості перехресних з'єднань знижує еластичність гуми, в результаті чого гума стає твердішою. Без вулканізації гума залишатиметься липкою, коли гаряча та крихка, коли холодна, і гнитиме набагато швидше.
Вулканізація, спочатку виявлена в 1839 році Чарльзом Гудіаром, вимагала додавання сірки до каучуку і нагрівання суміші до 280 F протягом приблизно п’яти годин. Сучасна вулканізація, як правило, використовує менші кількості сірки в поєднанні з іншими хімічними речовинами для скорочення часу нагріву до 15-20 хвилин. Розроблені альтернативні методи вулканізації, які не використовують сірку.