Co to jest guma? Surowce, jak to jest zrobione, zastosowania i rodzaje uszczelnień

Co to jest guma i skąd pochodzi?

Guma to elastyczny polimer, który można rozciągać, ściskać i odkształcać pod wpływem siły, a następnie powrócić do pierwotnego kształtu. Występuje w dwóch podstawowych postaciach: kauczuk naturalny , otrzymywany z lateksowego soku z drzewa kauczukowego Hevea brasiliensis , i kauczuk syntetyczny , wytwarzany z surowców petrochemicznych w drodze polimeryzacji przemysłowej. Obydwa mają wspólną podstawową właściwość, jaką jest elastyczność, ale różnią się składem, charakterystyką działania i kosztem.

Kauczuk naturalny jest zbierany i używany od tysięcy lat. Cywilizacje prekolumbijskie w Mezoameryce wytwarzały gumowe piłki, wodoodporne tkaniny i obuwie z lateksu na długo przed kontaktem z Europą. Potencjał tego materiału w zastosowaniach przemysłowych stał się widoczny dopiero w XIX wieku, kiedy Charles Goodyear odkrył w 1839 roku wulkanizację — proces, który przekształcił miękki, lepki lateks w mocny, sprężysty materiał uznawany dziś za gumę.

Obecnie światowa produkcja kauczuku przekracza 28 milionów ton rocznie, z grubsza w podziale na kauczuk naturalny i syntetyczny. Tajlandia, Indonezja i Wybrzeże Kości Słoniowej to najwięksi na świecie producenci kauczuku naturalnego. Kauczuk syntetyczny, opracowany po raz pierwszy podczas II wojny światowej, kiedy odcięto dostawy kauczuku naturalnego, stanowi obecnie około 60% całkowitego zużycia kauczuku na świecie.

Surowce gumowe: źródła naturalne i syntetyczne

Surowcem do produkcji kauczuku naturalnego jest lateks – mlecznobiała zawiesina koloidalna wytwarzana w korze Hevea brasiliensis drzewa. Lateks składa się w około 30–40% wagowo z poliizoprenu zawieszonego w wodzie z białkami, lipidami i minerałami śladowymi. Łańcuchy polimeru poliizoprenowego nadają gumie elastyczność: są to długie, zwinięte cząsteczki, które prostują się pod wpływem napięcia i odskakują po zwolnieniu.

Kauczuki syntetyczne powstają z monomerów otrzymywanych głównie w procesie rafinacji ropy naftowej i przetwarzania gazu ziemnego. Do najważniejszych surowców kauczuku syntetycznego należą:

• Butadien — produkt uboczny produkcji etylenu, używany do produkcji kauczuku styrenowo-butadienowego (SBR) i kauczuku polibutadienowego (BR), dwóch najczęściej produkowanych kauczuków syntetycznych.
• Styren — w połączeniu z butadienem w celu wytworzenia SBR, który stanowi mniej więcej połowę całej produkcji kauczuku syntetycznego i jest dominującym materiałem w oponach do samochodów osobowych.
• Izobutylen i izopren — polimeryzowane razem w celu wytworzenia kauczuku butylowego (IIR), cenionego ze względu na wyjątkową nieprzepuszczalność gazów i stosowanego w wewnętrznych wyściółkach opon i korkach farmaceutycznych.
• Etylen i propylen — w połączeniu z monomerem dienowym w celu wytworzenia kauczuku EPDM, szeroko stosowanego w samochodowych uszczelkach uszczelniających, membranach dachowych i uszczelnieniach zewnętrznych.
• Akrylonitryl i butadien — polimeryzowany w celu wytworzenia kauczuku nitrylowego (NBR), który ma wyjątkową odporność na oleje, paliwa i rozpuszczalniki, co czyni go standardowym materiałem na przewody paliwowe i uszczelki olejowe.
• Chloropren — polimeryzowany w celu wytworzenia neoprenu (CR), jednego z najwcześniejszych kauczuków syntetycznych, znanego ze swojej odporności na warunki atmosferyczne, ozon i umiarkowane chemikalia.

Kauczuk silikonowy stanowi osobną kategorię — jego szkielet polimerowy zbudowany jest z krzemu i tlenu, a nie z węgla, co odróżnia go pod względem chemicznym zarówno od kauczuku naturalnego, jak i pochodzącego z ropy naftowej. Zapewnia to silikonowi wyjątkową odporność na temperaturę, biokompatybilność i stabilność na promieniowanie UV, której nie mogą dorównać kauczuki z łańcuchem węglowym.

Jak powstaje guma: od surowca do gotowego produktu

Droga od surowego lateksu lub polimeru syntetycznego do gotowego produktu gumowego składa się z kilku etapów, z których każdy znacząco wpływa na właściwości finalnego materiału.

Zbiór i koagulacja (kauczuk naturalny)

Lateks pozyskiwany jest z drzew kauczukowych poprzez wykonanie płytkiego, ukośnego nacięcia w korze. Sok kapie do pojemników zbiorczych przez kilka godzin. Następnie świeży lateks poddaje się koagulacji — zazwyczaj przez dodanie kwasu mrówkowego lub octowego — powodując zlepianie się cząstek gumy i oddzielanie ich od wodnistej surowicy. Powstały koagulat jest prasowany, zwijany w arkusze i albo wędzony (w celu wytworzenia żebrowanego wędzonego arkusza, w skrócie RSS), albo suszony gorącym powietrzem (w celu wytworzenia gatunków gumy o specyfikacji technicznej). Te suszone arkusze lub bele okruchów gumy są towarem handlowym w formie kauczuku naturalnego.

Mieszanie

Surowa guma – zarówno naturalna, jak i syntetyczna – nie jest używana w stanie takim, w jakim jest. Jest on łączony z szeregiem dodatków w mieszalnikach wewnętrznych (miksery Banbury) lub młynach otwartych. Typowa mieszanka gumowa zawiera:

• Środki wulkanizujące — siarka lub nadtlenki, które podczas utwardzania tworzą wiązania poprzeczne pomiędzy łańcuchami polimeru.
• Akceleratory i aktywatory — tlenek cynku, kwas stearynowy i przyspieszacze organiczne przyspieszające i kontrolujące reakcję wulkanizacji.
• Wypełniacze wzmacniające — najważniejsza jest sadza, która radykalnie zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i odporność na ścieranie. Krzemionka jest stosowana w mieszankach opon o wysokich osiągach i niskich oporach toczenia.
• Plastyfikatory i oleje technologiczne — poprawiają płynność podczas przetwarzania oraz modyfikują twardość i elastyczność gotowego produktu.
• Przeciwutleniacze i antyozonanty — chronić gumę przed degradacją pod wpływem tlenu, ozonu, promieniowania UV i ciepła w okresie użytkowania.

Kształtowanie

Mieszanka gumowa jest kształtowana przed wulkanizacją, pozostając termoplastyczną i urabialną. Typowe metody kształtowania obejmują formowanie tłoczne (wciśnięcie gumy do rozgrzanej formy pod ciśnieniem), formowanie wtryskowe (wtryskiwanie gumy do form zamkniętych), formowanie transferowe , wytłaczanie (przetłaczanie gumy przez matrycę w celu wytworzenia profili, rur i pasków) oraz kalandrowanie (zwijanie gumy w arkusze lub nakładanie jej na tkaninę).

Wulkanizacja

Wulkanizacja is the chemical process that converts soft, weak rubber into the strong, elastic material used in finished products. Heat causes sulfur atoms (or peroxide radicals) to form cross-links between adjacent polymer chains, creating a three-dimensional network. The degree of cross-linking determines hardness: lightly cross-linked rubber is soft and elastic; heavily cross-linked rubber becomes hard (ebonite). Most rubber products are cured in presses, autoclaves, or continuous vulcanization lines at temperatures between 140°C and 200°C.

Do czego służy guma? Główne kategorie produktów

Połączenie elastyczności, trwałości, nieprzepuszczalności i izolacji elektrycznej gumy sprawia, że jest ona niezbędna w wielu gałęziach przemysłu. Największym zastosowaniem pod względem objętości są opony — opony do samochodów osobowych, ciężarowych i terenowych stanowią około 70% całego zużycia gumy na świecie. Oprócz opon produkty gumowe pojawiają się praktycznie w każdym sektorze współczesnego przemysłu i życia codziennego.

• Opony i produkty pokrewne: Opony do samochodów osobowych, opon do ciężarówek, opony do rowerów, taśmy przenośnikowe i mieszanki do bieżnikowania opon łącznie stanowią dominujące zastosowanie zarówno kauczuku naturalnego, jak i SBR.
• Węże i rurki: Węże do chłodziwa samochodowe, węże hydrauliczne, przewody hamulców pneumatycznych, węże ogrodowe, przewody paliwowe i przewody medyczne opierają się na elastyczności gumy i odporności na płyny. NBR i EPDM to najpopularniejsze materiały, w zależności od transportowanego płynu.
• Paski: Paski napędowe, paski rozrządu, pasy przenośnikowe i paski klinowe w maszynach przemysłowych i silnikach samochodowych są wykonane ze wzmocnionych mieszanek gumowych, zazwyczaj EPDM lub CR ze wzmocnieniem kordem tekstylnym lub stalowym.
• Obuwie: Gumowe podeszwy, buty i kalosze były jednymi z pierwszych wyrobów gumowych produkowanych masowo. W obuwiu nadal dominują kauczuk naturalny i SBR, ceniony za przyczepność i odporność na ścieranie.
• Rękawiczki: Rękawice do badań lateksowych, rękawice nitrylowe zapewniające odporność chemiczną i wytrzymałe rękawice przemysłowe produkowane są odpowiednio z kauczuku naturalnego, NBR i neoprenu.
• Izolacja elektryczna: W osłonach kabli, izolacji przewodów i taśmie elektrycznej zastosowano gumę, aby chronić przewody przed wilgocią, ścieraniem i przypadkowym kontaktem.
• Mocowania antywibracyjne: Poduszki silnika, podkładki izolujące maszyny, łożyska mostów i podkładki pod torami kolejowymi wykorzystują kompozyty warstwowe z kauczuku naturalnego lub NR/stal w celu pochłaniania i tłumienia wibracji.
• Medyczne i farmaceutyczne: Korki do fiolek z lekami do wstrzykiwań, rękawiczek chirurgicznych, cewników, mankietów do pomiaru ciśnienia krwi i stabilizatorów ortopedycznych opierają się na mieszankach gumy klasy medycznej.
• Dobra konsumpcyjne: Gumki, gumki, uszczelki w sprzęcie kuchennym, przyssawki, maty do jogi i sprzęt sportowy to produkty codziennego użytku, od których zależy elastyczność i przyczepność gumy.

Uszczelki gumowe : Materiały, typy i zastosowania

Uszczelki gumowe należą do najbardziej krytycznych i szeroko stosowanych wyrobów gumowych w inżynierii. Ich funkcją jest zapobieganie przedostawaniu się płynów, gazów lub zanieczyszczeń przez złącze lub powierzchnię styku – zadanie to wymaga, aby guma dokładnie dopasowywała się do współpracujących powierzchni, ściskała się pod obciążeniem i utrzymywała powrót elastyczny przez miliony cykli lub lat ekspozycji statycznej.

Typowe typy uszczelek gumowych

• O-ringi: Uszczelki w kształcie torusa, osadzane w rowku i ściskane promieniowo lub osiowo, tworząc szczelne połączenie. O-ringi są najbardziej uniwersalną formą uszczelnień w układach hydraulicznych, pneumatycznych, hydraulicznych i hydraulicznych na całym świecie.
• Uszczelki: Płaskie lub profilowane uszczelki umieszczane pomiędzy powierzchniami kołnierzowymi – złączami rurowymi, głowicami cylindrów, korpusami zaworów – aby zapobiec wyciekom pod wpływem siły docisku śrub. Uszczelki gumowe są powszechne w systemach wodnych, HVAC i rurociągach procesowych.
• Uszczelnienia wargowe (promieniowe uszczelnienia wału): Stosowany do zatrzymywania smarów i usuwania zanieczyszczeń wokół obracających się wałów w skrzyniach biegów, osiach, pompach i silnikach elektrycznych. Warga uszczelniająca utrzymuje dynamiczny kontakt z powierzchnią wału.
• Membrany: Elastyczne membrany gumowe oddzielające dwie komory podczas przenoszenia ciśnienia lub ruchu. Stosowany w regulatorach ciśnienia, pompach, zaworach i wzmacniaczach hamulców samochodowych.
• Profile wytłaczane i uszczelki atmosferyczne: Specjalnie wytłaczane profile gumowe stosowane do uszczelniania szczelin w drzwiach, oknach, włazach i obudowach przed powietrzem, wodą, kurzem i hałasem. Zwykle produkowane z EPDM lub neoprenu.

Wybór materiału na uszczelki gumowe

Mieszanka gumowa zastosowana w uszczelce musi być starannie dobrana do środowiska pracy. Użycie niewłaściwego materiału prowadzi do pęcznienia, stwardnienia, pękania lub rozpuszczania substancji chemicznych – a wszystko to powoduje uszkodzenie uszczelnienia i potencjalnie katastrofalne w skutkach nieszczelności układu.

Poza wyborem materiału, skuteczność uszczelnienia zależy od twardości (twardości), wykończenia powierzchni współpracujących części, odporności na odkształcenie po ściskaniu oraz obecności smarów lub powłok. W przypadku zastosowań krytycznych — w przemyśle lotniczym, podwodnym i hydraulice wysokociśnieniowej — projektowanie uszczelnień obejmuje analizę metodą elementów skończonych naprężeń kontaktowych i testy przyspieszonego starzenia w celu sprawdzenia wydajności w wymaganym okresie użytkowania.