Περιεχόμενο
- Ιστορικό φυσικού καουτσούκ
- Διαδικασία παραγωγής φυσικού καουτσούκ
- Δημιουργία συνθετικού καουτσούκ
- Επεξεργασία καουτσούκ
Στα τέλη της δεκαετίας του 1930, οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησαν πάνω από το ήμισυ του παγκόσμιου εφοδιασμού με φυσικό καουτσούκ. Σήμερα, το φυσικό καουτσούκ μπορεί να βρεθεί σε πάνω από 50.000 βιομηχανικά προϊόντα στις Ηνωμένες Πολιτείες και οι ΗΠΑ εισάγουν πάνω από 3 δισεκατομμύρια λίβρες φυσικού καουτσούκ κάθε χρόνο. Πάνω από το 70 τοις εκατό του καουτσούκ που χρησιμοποιείται στις σύγχρονες μεθόδους κατασκευής, ωστόσο, είναι συνθετικό καουτσούκ
Ιστορικό φυσικού καουτσούκ
Το φυσικό καουτσούκ αρχίζει ως λατέξ. Το λατέξ αποτελείται από το πολυμερές που ονομάζεται πολυϊσοπρένιο εναιωρημένο σε νερό. Τα μόρια μακράς αλυσίδας που αποτελούνται από πολλές (πολύ) μεμονωμένες μονάδες (mers) που συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζουν πολυμερή. Το καουτσούκ είναι μια ειδική μορφή πολυμερούς που ονομάζεται ελαστομερές, που σημαίνει ότι τα πολυμερή μόρια τεντώνονται και κάμπτονται.
Περισσότεροι από 2.500 φυτά παράγουν λατέξ, ένα υλικό που μοιάζει με γάλα τύπου sap. Το Milkweed μπορεί να είναι το πιο γνωστό εργοστάσιο παραγωγής λατέξ σε πολλούς ανθρώπους, αλλά το εμπορικό λάτεξ προέρχεται από ένα και μόνο τροπικό δέντρο, Hevea brasiliensis. Όπως υποδηλώνει το όνομα, το ελαστικό δέντρο προέρχεται από την τροπική Νότια Αμερική. Πάνω από 3.000 χρόνια πριν, οι μεσοαμερικανοί πολιτισμοί μίγαζαν λατέξ με χυμό δόξας πρωινού για να δημιουργήσουν καουτσούκ. Η αλλαγή του λόγου του λατέξ σε χυμό δόξας πρωινού άλλαξε τις ιδιότητες του καουτσούκ. Από τις σφαίρες με τα σκουλαρίκια μέχρι τα ελαστικά σανδάλια, οι Μεσοαμερικανοί γνώριζαν και χρησιμοποιούσαν καουτσούκ.
Πριν από το 1900, το πιο φυσικό καουτσούκ προήλθε από άγρια δέντρα στη Βραζιλία. Καθώς άρχισε ο 20ός αιώνας, η προσφορά και η ζήτηση ξεπέρασαν την παραγωγή με την αυξανόμενη δημοτικότητα των ποδηλάτων και των αυτοκινήτων. Οι σπόροι προς σφαγή που εξάγονται από τη Βραζιλία οδήγησαν σε φυτείες δέντρων από καουτσούκ στη νοτιοανατολική Ασία. Μέχρι τη δεκαετία του 1930, οι χρήσεις φυσικού καουτσούκ κυμαίνονταν από τα ελαστικά στα οχήματα και τα αεροσκάφη μέχρι τα 32 κιλά που βρέθηκαν σε υποδήματα, ρούχα και εξοπλισμό στρατιωτών. Μέχρι τότε, το μεγαλύτερο μέρος της τροφοδοσίας από καουτσούκ των ΗΠΑ προήλθε από τη νοτιοανατολική Ασία, αλλά ο Β Παγκόσμιος Πόλεμος διέκοψε τις ΗΠΑ από το μεγαλύτερο μέρος της προσφοράς.
Διαδικασία παραγωγής φυσικού καουτσούκ
Η διαδικασία παρασκευής φυσικού καουτσούκ αρχίζει με τη συγκομιδή λατέξ από ελαστικά δέντρα. Συγκομιδή λατέξ από καουτσούκ δέντρα αρχίζει με σκορ ή κοπή στο φλοιό του δέντρου. Ο λατέξ ρέει σε ένα φλιτζάνι που συνδέεται με τον πυθμένα της τομής στο δέντρο. Το υλικό από λατέξ από πολλά δέντρα συσσωρεύεται σε μεγάλες δεξαμενές.
Η πιο συνηθισμένη μέθοδος εκχύλισης του καουτσούκ από το λατέξ χρησιμοποιεί την πήξη, μια διαδικασία που ανακάμπτει ή πυκνώνει το πολυισοπρένιο σε μια μάζα. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται προσθέτοντας ένα οξύ όπως μυρμηκικό οξύ στο λατέξ. Η διαδικασία πήξης διαρκεί περίπου 12 ώρες.
Το νερό συμπιέζεται από το πηνίο του καουτσούκ χρησιμοποιώντας μια σειρά κυλίνδρων. Τα λεπτά φύλλα που προκύπτουν, πάχους περίπου 1/8 ίντσας, στεγνώνουν πάνω σε ξύλινα ράφια στα καταστήματα καπνού. Η διαδικασία ξήρανσης απαιτεί γενικά αρκετές ημέρες. Το προκύπτον σκούρο καφέ ελαστικό, που ονομάζεται τώρα ραβδωτό φύλλο καπνού, διπλώνεται σε δεμάτια για να μεταφερθεί στον επεξεργαστή.
Ωστόσο, δεν καπνίζεται όλο το καουτσούκ. Το καουτσούκ που ξηραίνεται χρησιμοποιώντας ζεστό αέρα και όχι το κάπνισμα ονομάζεται φύλλο ξηραμένο στον αέρα. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα μια καλύτερη ποιότητα καουτσούκ. Ένα ακόμα καλύτερο καουτσούκ που ονομάζεται ελαφρύ καουτσούκ κρέπας απαιτεί δύο βήματα πήξης ακολουθούμενα από ξήρανση στον αέρα.
Δημιουργία συνθετικού καουτσούκ
Διάφοροι τύποι συνθετικού καουτσούκ έχουν αναπτυχθεί με τα χρόνια. Όλα προκύπτουν από τον πολυμερισμό (σύνδεση) μορίων. Μια διαδικασία που ονομάζεται χορδές πολυμερισμού προσθήκης μαζί των μορίων σε μεγάλες αλυσίδες. Μια άλλη διαδικασία, που ονομάζεται πολυμερισμός συμπύκνωσης, εξαλείφει ένα τμήμα του μορίου καθώς τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους. Παραδείγματα πολυμερών προσθήκης περιλαμβάνουν συνθετικά λάστιχα κατασκευασμένα από πολυχλωροπρένιο (ελαστικό από νεοπρένιο), καουτσούκ ανθεκτικό σε λάδι και βενζίνη και ελαστικό στυρενίου βουταδιενίου (SBR), το οποίο χρησιμοποιείται για το μη ελαστικό ελαστικό.
Η πρώτη σοβαρή αναζήτηση για συνθετικό καουτσούκ ξεκίνησε στη Γερμανία κατά τη διάρκεια του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου. Οι γερμανοί χημικοί ανέπτυξαν ένα πολυμερές από μονάδες 3-μεθυλισοπρενίου (2,3-διμεθυλο-1,3-βουταδιενίου), από ακετόνη. Αν και αυτό το υποκατάστατο, το ελαστικό μεθύλιο ήταν κατώτερο από το φυσικό καουτσούκ, η Γερμανία παρήγαγε 15 τόνους το μήνα μέχρι το τέλος του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου.
Η συνεχής έρευνα οδήγησε σε συνθετικά καουτσούκ καλύτερης ποιότητας. Ο συνηθέστερος τύπος συνθετικού καουτσούκ που χρησιμοποιείται σήμερα, το Buna S (στυρόλιο βουταδιενίου στυρολίου ή SBR), αναπτύχθηκε το 1929 από τη γερμανική εταιρεία I.G. Farben. Το 1955, ο Αμερικανός χημικός Samuel Emmett Horne, νεώτερος ανέπτυξε ένα πολυμερές 98% cis-1,4-πολυισοπρένιο που συμπεριφέρεται σαν φυσικό καουτσούκ. Αυτή η ουσία σε συνδυασμό με SBR έχει χρησιμοποιηθεί για ελαστικά από το 1961.
Επεξεργασία καουτσούκ
Το καουτσούκ, φυσικό ή συνθετικό, φθάνει σε μονάδες επεξεργασίας (κατασκευαστή) σε μεγάλα δέματα. Μόλις φθάσει το λάστιχο στο εργοστάσιο, η επεξεργασία περνάει από τέσσερα βήματα: ανάμειξη, ανάμιξη, διαμόρφωση και βουλκανισμό. Η σύνθεση και μέθοδος παρασκευής καουτσούκ εξαρτάται από την επιθυμητή έκβαση της διαδικασίας κατασκευής καουτσούκ.
Σύνθεση
Η σύνθεση προσθέτει χημικά και άλλα πρόσθετα για να προσαρμόσει το ελαστικό για την προβλεπόμενη χρήση. Το φυσικό καουτσούκ αλλάζει με τη θερμοκρασία, γίνεται εύθραυστο με κρύο και κολλώδες, χαλαρό χάος με θερμότητα. Οι χημικές ουσίες που προστίθενται κατά τη διάρκεια της σύνθεσης αντιδρούν με το καουτσούκ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βουλκανισμού για τη σταθεροποίηση των ελαστικών πολυμερών. Πρόσθετα πρόσθετα μπορεί να περιλαμβάνουν ενισχυτικά πληρωτικά για την ενίσχυση των ιδιοτήτων του ελαστικού ή των μη ενισχυτικών πληρωτικών για την επέκταση του ελαστικού, γεγονός που μειώνει το κόστος. Το είδος του πληρωτικού που χρησιμοποιείται εξαρτάται από το τελικό προϊόν.
Το συνηθέστερα χρησιμοποιημένο ενισχυτικό πληρωτικό είναι αιθάλη, προερχόμενο από αιθάλη. Ο μαύρος άνθρακας αυξάνει την αντοχή εφελκυσμού και την αντοχή στην τριβή και το σχίσιμο. Ο μαύρος άνθρακας βελτιώνει επίσης την αντοχή των ελαστικών στην υπεριώδη υποβάθμιση. Τα περισσότερα προϊόντα από καουτσούκ είναι μαύρα λόγω του μαύρου άνθρακα πλήρωσης.
Ανάλογα με την προγραμματισμένη χρήση του καουτσούκ, άλλα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν άνυδρα πυριτικά άλατα αλουμινίου ως ενισχυτικά πληρωτικά, άλλα πολυμερή, ανακυκλωμένο καουτσούκ (συνήθως λιγότερο από 10 τοις εκατό), ενώσεις που μειώνουν την κόπωση, αντιοξειδωτικά, χημικά που αντιστέκονται στο όζον, χρωστικές ουσίες, πλαστικοποιητές , μαλακτικά έλαια και ενώσεις απελευθέρωσης καλουπιού.
Μίξη
Τα πρόσθετα πρέπει να αναμειγνύονται καλά στο καουτσούκ. Το υψηλό ιξώδες (αντοχή στη ροή) του καουτσούκ καθιστά δύσκολη την ανάμιξη χωρίς να αυξάνεται η θερμοκρασία του καουτσούκ αρκετά υψηλή (έως 300 βαθμούς Φαρενάιτ) για να προκαλέσει βουλκανισμό. Για να αποφευχθεί η πρόωρη βουλκανισμό, η ανάμιξη συνήθως λαμβάνει χώρα σε δύο στάδια. Κατά τη διάρκεια του πρώτου σταδίου, προστίθενται στο ελαστικό πρόσθετα όπως ο αιθάλη. Αυτό το μείγμα αναφέρεται ως masterbatch. Μόλις ψυχθεί το λάστιχο, προστίθενται οι χημικές ουσίες για βουλκανισμό και αναμιγνύονται στο ελαστικό.
Διάπλαση
Το σχηματισμό προϊόντων από καουτσούκ γίνεται με τέσσερις γενικές τεχνικές: εξώθηση, καλάνδρωση, επίστρωση ή χύτευση και χύτευση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότερες από μία τεχνικές διαμόρφωσης, ανάλογα με το τελικό προϊόν.
Η εξώθηση συνίσταται στην εξαναγκαστική διέγερση από εξαιρετικά πλαστικό καουτσούκ μέσω μιας σειράς εξωθητήρων κοχλία. Το καλανδράρισμα περνάει το λάστιχο μέσα από μια σειρά ολοένα και μικρότερων κενών μεταξύ των κυλίνδρων. Η διαδικασία της κυλινδρικής μήτρας συνδυάζει την εξώθηση και τον κυλίνδρισμα, παράγοντας ένα καλύτερο προϊόν από ό, τι μεμονωμένη διαδικασία.
Η επικάλυψη χρησιμοποιεί τη διαδικασία του κυλίνδρου για να εφαρμόσει μια επίστρωση από καουτσούκ ή να βγάλει λάστιχο σε ύφασμα ή άλλο υλικό. Ελαστικά, αδιάβροχες σκηνές και αδιάβροχα, μεταφορικοί ιμάντες καθώς και φουσκωτές σχεδίες κατασκευάζονται από υλικά επίστρωσης με καουτσούκ.
Προϊόντα από καουτσούκ όπως πέλματα και τακούνια παπουτσιών, φλάντζες, σφραγίδες, βεντούζες και στάσεις μπουκαλιών χυτεύονται με καλούπια. Η χύτευση είναι επίσης ένα βήμα για την κατασκευή ελαστικών. Οι τρεις κύριες μέθοδοι καλουπώματος καουτσούκ είναι η χύτευση με συμπίεση (χρησιμοποιείται για την κατασκευή ελαστικών μεταξύ άλλων προϊόντων), η χύτευση μεταφοράς και η χύτευση με έγχυση. Ο βουλκανισμός του καουτσούκ συμβαίνει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας χύτευσης και όχι ως ξεχωριστό βήμα.
Εκθείωση καουτσούκ
Ο βουλκανισμός ολοκληρώνει τη διαδικασία παραγωγής καουτσούκ. Ο βουλκανισμός δημιουργεί τις διασυνδέσεις μεταξύ των πολυμερών του καουτσούκ και η διαδικασία ποικίλλει ανάλογα με τις απαιτήσεις του τελικού προϊόντος από καουτσούκ. Λιγότερες διασυνδέσεις μεταξύ των καουτσούκ πολυμερών δημιουργούν ένα μαλακότερο, πιο εύκαμπτο καουτσούκ. Η αύξηση του αριθμού των εγκάρσιων συνδέσεων μειώνει την ελαστικότητα του ελαστικού, με αποτέλεσμα το σκληρότερο καουτσούκ. Χωρίς βουλκανισμό, το καουτσούκ θα παραμείνει κολλώδες όταν είναι ζεστό και εύθρυπτο όταν είναι κρύο, και θα σαπίσουν πολύ πιο γρήγορα.
Ο βουλκανισμός, που ανακαλύφθηκε αρχικά το 1839 από τον Charles Goodyear, απαιτούσε την προσθήκη θείου στο ελαστικό και τη θέρμανση του μίγματος στους 280 F για περίπου πέντε ώρες. Ο σύγχρονος βουλκανισμός, γενικά, χρησιμοποιεί μικρότερες ποσότητες θείου σε συνδυασμό με άλλες χημικές ουσίες για να μειώσει τον χρόνο θέρμανσης σε 15 έως 20 λεπτά. Έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικές τεχνικές βουλκανισμού που δεν χρησιμοποιούν θείο.