Z čoho je vyrobená guma? Prírodný latex, syntetické polyméry a prísady

Dve gumené plachty môžu sedieť na rovnakej palete a vyzerajú identicky – s rovnakou hrúbkou, rovnakým čiernym povrchom – a predsa jedna prežije päť letných dní vonku, zatiaľ čo druhá praskne počas jedinej sezóny. Rozdiel nie je nikdy v slove „guma“ na etikete; z toho je guma vlastne vyrobená.

Skrátka, každá guma začína ako dlhé polymérne reťazce. Prírodný kaučuk využíva ako tekutý latex polyizoprén vyrobený z kaučukovníkov; syntetický kaučuk používa reťaze vyrobené z monomérov na báze ropy, ako je butadién a styrén. Ani jedna nefunguje samostatne: obe sa zmiešajú s vytvrdzovacími činidlami, plnivami, olejmi a ochrannými prostriedkami, potom sa vulkanizujú teplom, aby sa reťaze uzavreli do jednej elastickej siete.

Krátka odpoveď: Polymérové reťazce plus zložený vzorec

Inžinieri nazývajú gumu elastomérom: polymér, ktorý sa pri zaťažení natiahne a po uvoľnení sa vráti späť. Polymér je obrovská molekula vytvorená z tisícok opakujúcich sa jednotiek spojených koncami do reťazca – stavebným kameňom prírodného kaučuku je izoprén (C5H8). Samotný surový polymér je však v lete lepkavý, v zime tuhý a pri zaťažení slabý. Preto je pravá guma vždy zmes, receptúra, v ktorej polymér tvorí len asi polovicu až dve tretiny hmotnosti. Zvyšné zložky spadajú do piatich rodín:

1. Základný polymér – prírodný polyizoprén alebo syntetický elastomér, ktorý určuje hlavný charakter produktu.
2. Systém vytvrdzovania – síra alebo peroxidy, ktoré vytvárajú zosieťovanie počas vulkanizácie.
3. Plnivá – sadze, oxid kremičitý, íl alebo krieda, ktoré zvyšujú pevnosť a regulujú náklady.
4. Procesné oleje a zmäkčovadlá, ktoré zmäkčujú hmotu pre hladké miešanie a kalandrovanie.
5. Ochranné látky – antioxidanty, antiozonanty a vosky, ktoré spomaľujú pôsobenie tepla, ozónu a poveternostných vplyvov.

Prírodný kaučuk: Polyizoprén zo stromového latexu

Prírodný kaučuk pochádza z Hevea brasiliensis, kaučukovníka. Pracovníci vyrežú tenkú špirálu do kôry a strom vykrváca latex – mliečnu tekutinu, v ktorej je zhruba 30 – 35 percent obsahu kaučukového uhľovodíka suspendovaného vo vode, často stabilizovaného čpavkom, takže sa v pohári nezráža. Polymér vo vnútri je cis-1,4-polyizoprén a jeho usporiadaná, pružná geometria vysvetľuje výnimočnú elasticitu prírodného kaučuku: po natiahnutí sa reťazce zarovnajú a kryštalizujú, a preto aj neplnený prírodný kaučuk môže dosiahnuť pevnosť v ťahu blízko 25 MPa.

Na jeho spracovanie sa latex koaguluje s kyselinou mravčou, potom sa zvinie a vysuší na rebrovaný údený plech alebo sa stlačí do blokov na prepravu. Jeden strom vyprodukuje len niekoľko kilogramov suchého kaučuku za rok, vďaka čomu je prírodný kaučuk poľnohospodárskou komoditou, ktorej cena kolíše so zberom a nákladnými trasami.

Doska z prírodnej gumy na tesnenie a tlmenie nárazov Po vysvetlení, ako sa latex spracováva na fólie, je táto fólia z prírodného kaučuku relevantným príkladom: ponúka vysokú elasticitu, odolnosť proti roztrhnutiu a stabilný výkon pri tesniacich, protišmykových a podšívkových použitiach medzi -50 °C a 70 °C. Zobraziť produkt →

Jeho chemická slabosť spočíva v rovnakej dvojitej väzbe, ktorá mu dodáva pružinu: ozón, UV svetlo a uhľovodíkové oleje na toto miesto ľahko útočia, takže neupravený prírodný kaučuk vonku praská a napučiava v palive. To sú hlavné dôvody, prečo výrobcovia pridávajú ochranné prostriedky alebo prechádzajú na syntetické alternatívy.

Syntetický kaučuk: Polyméry vyrobené z ropy

Syntetické kaučuky sa vyrábajú polymerizáciou monomérov odvodených z ropy a zemného plynu. Teraz predstavujú zhruba dve tretiny celosvetovej spotreby kaučuku, pretože každý recept môže byť vyladený proti konkrétnej hrozbe – oleji, teplu, ozónu, oderu alebo plameňu. Monoméry na štítku predpovedajú výkon:

Nitril (NBR) ukazuje, ako sa monoméry priamo premietajú do vlastností: zvýšenie obsahu akrylonitrilu z približne 18 na 45 percent neustále zlepšuje odolnosť voči olejom a zároveň stráca flexibilitu pri nízkych teplotách. Kupujúci, ktorí preskočia tento detail, skončia s tesneniami, ktoré napučiavajú vo veľmi tekutine, ktorú si kúpili.

Guma NBR s laditeľnou odolnosťou voči olejom Po diskusii o obsahu akrylonitrilu a bobtnaní oleja ilustruje táto doska z nitrilového kaučuku výber materiálu: vyhovuje tesniacim aplikáciám vystaveným olejom, kde na odolnosti voči tekutinám záleží viac ako na flexibilite pri nízkych teplotách alebo odolnosti voči ozónu. Zobraziť produkt →

EPDM robí opačný obchod. Jeho nasýtená chrbtica chráni pred ozónom, slnečným žiarením a vodou – teda jeho priľnavosť k vonkajším tesneniam a strešným krytinám – ale rovnaká chémia mu nedáva takmer žiadnu odolnosť voči uhľovodíkovým olejom.

EPDM gumová doska na vonkajšie tesnenie Hneď po poznámke o nasýtenej chrbtici EPDM, ktorá odoláva ozónu, slnečnému žiareniu a vode, je táto doska vhodná pre vonkajšie tesnenia, strešné krytiny a izolácie s pracovným rozsahom -40 °C až 150 °C, aj keď obmedzená odolnosť voči olejom. Zobraziť produkt →

Čo ešte ide do gumovej zmesi

Vzorce sa dávkujú v phr – dieloch na sto hmotnosti gumy. Typická čierna zlúčenina znie zhruba takto:

• Síra, 1-3 phr: sieťovadlo; príliš málo zanecháva slabú gumu, zatiaľ čo oveľa viac ju mení na tvrdý ebonit.
• Urýchľovače, pod 2 phr: chemikálie, vďaka ktorým síra rýchlo vytvrdzuje pri nižšej teplote.
• Oxid zinočnatý, 3-5 phr, plus kyselina stearová, 1-2 phr: aktivátory, ktoré umožňujú akcelerátorom pracovať.
• Sadze, 20-50 phr: dôvod, prečo je väčšina priemyselnej gumy čierna, a plnivo, ktoré môže zdvojnásobiť pevnosť v ťahu a životnosť.
• Hlina alebo krieda: lacné plnivá, ktoré upravujú tvrdosť a cenu v nekritických častiach.
• Procesné oleje, 5-20 phr: zmäkčujte zmes na mletie a kalandrovanie.
• Antioxidanty, antiozonanty a vosky v kombinácii 1-5 phr: pomalé starnutie a praskanie ozónu.

Presuňte ľubovoľnú čiaru a výrobok sa s ňou pohne: pridajte vosk a doska odolá ozónu; vymeniť sadze za oxid kremičitý a pevnosť v roztrhnutí stúpa spolu s cenou; zvyšuje síru a tvrdosť stúpa na stupnici Shore A. To je dôvod, prečo sa dva plechy s rovnakou hrúbkou nemôžu správať rovnako.

Vulkanizácia: Krok, ktorý spája reťazce

Nevulkanizovaná guma je spleť nezávislých reťazí, ktoré sa kĺžu jedna cez druhú – lepkavá, slabá a beztvará v horúcom dni. V roku 1839 Charles Goodyear zistil, že zahrievanie gumy sírou ju natrvalo mení: atómy síry premosťujú susedné reťazce v ich reaktívnych dvojitých väzbách a zvárajú tisíce voľných vlákien do jedinej siete.

Červené odkazy v diagrame sú tie sírové mostíky - rovnaká reakcia prebieha vo vnútri každého vulkanizačného lisu. Čísla sú praktické, nie ľudové: vytvrdzovanie lisom zvyčajne prebieha pri teplote 140-180 °C počas niekoľkých minút až hodiny v závislosti od hrúbky dielu a hustota zosieťovania určuje konečnú tvrdosť. Silikón a niektoré typy EPDM vynechávajú síru a namiesto toho vytvrdzujú peroxidmi alebo mikrovlnným teplovzdušným vedením, čo je dôvod, prečo silikónová fólia zostáva flexibilná pri teplotách, ktoré by degradovali sírou vytvrdzovanú gumu.

Ako sa surový polymér stáva plachtou, rohožou alebo opaskom

Receptúra sa stáva výrobkom iba prostredníctvom strojového zariadenia a postupnosť je rovnaká, či už ide o podložku pre kravy alebo dopravný pás:

1. Miešanie – vnútorné mixéry (Banbury), miesiče alebo otvorené dvojvalcové mlyny strihajú polymér a dispergujú plnivá, oleje a chemikálie; teplota a energia miešania rozhodujú o tom, aká rovnomerná je zmes.
2. Tvarovanie – kalandrovanie mení zmes na súvislý list, extrudéry tvoria profily a lisujú časti foriem pod teplom a tlakom.
3. Vulkanizácia – lisy, autoklávy, bubny Rotocure alebo mikrovlnné linky zaisťujú konečné elastické vlastnosti.

Stupne sa navzájom dopĺňajú: zle dispergované plnivo sa v kalandri nikdy neobnoví a po vytvrdnutí sa znova objaví nerovnomerná medzera medzi valcami ako zmena hrúbky. To je dôvod, prečo spracovatelia považujú miešanie, tvarovanie a vytvrdzovanie za jeden súvislý reťazec a náš sprievodca výberom gumených miešačiek, kalandrov a lisov prechádza touto logikou výberu krok za krokom.

Z čoho je teda guma vyrobená? Polymér – prírodné izoprénové reťazce zo stromového latexu alebo syntetické reťazce z ropy – plus dávkovaný vzorec vulkanizačných činidiel, plnív, olejov a ochranných látok, zvarené do jednej elastickej siete vulkanizáciou. Prispôsobte polymér vystaveniu, ktorému bude čeliť: NBR pre olej, EPDM pre slnko a počasie, prírodný kaučuk alebo SBR pre oder a cenu, silikón pre teplotné extrémy.

Ak získavate plechy, rohože alebo pásy, vyžiadajte si hárok s údajmi o zmesi – typ polyméru, tvrdosť Shore A, pevnosť v ťahu, predĺženie – pretože tieto čísla, nie slovo „guma“, predpovedajú, ako bude diel pri vašej aplikácii starnúť. Ako výrobca zariadení na spracovanie gumy a hotových produktov z gumy pracujeme na každom mieste tohto reťazca; pozrite sa, ako sa zlúčeniny mapujú na skutočné aplikácie v našich riešeniach gumových produktov.