1
GUMA
Kaučuk je
prirodna ili sintetička makromolekulska supstanca, koja se hemijskim reakcijama
prevodi u umreženu strukturu, dajući proizvod nazvan guma ili elastomer.
Guma je
izvanredno
žilav materijal koji se u širokom temperaturskom području može reverzibilno elastično
deformisati.
Za razliku od drugih krutih materijala, kao što su metali, kojima reverzibilna istegljivost iznosi
samo 1%, tipična guma podnosi reverzibilnu istegljivost 5 do 10 puta od svoje prvobitne dužine.
Za istezanje čelične žice od 1% potrebna je 105 puta veća sila od potrebne za isto istezanje
gumenog uzorka.
Mogućnost elastične deformacije usko je povezana sa promenom molekulskih oblika, a time i
entropije sastava, pa je velika elastičnost svojstvo samo makromolekulskih sastava. Brojni
polimerni materijali pokazuju svojstvo elastomera.
Međutim, za praktičnu primenu služe samo oni kojima je temperatura ostakljenja niža od -20°C,
što im omogućuje fleksibilno ponašanje na temperaturama na kojima se pri-menjuju.
Temperatura ostakljenja je karakteristična veličina elastomera. To je prelazna temperatura na
kojoj delovi makromolekula postaju dovoljno pokretljivi, pa supstanca prelazi iz plastičnog u
elastično stanje.
Nepolarni polimerni molekuli vrlo su fleksibilni i zato se lako pokreću njihovi delovi i na niskim
temperaturama. Takav je npr. prirodni kaučuk, koji ima temperaturu ostakljenja -70°C. Kaučuk i
guma su sastavni delovi industrijske epohe već oko 150 godina. Današnja civilizacija je
nezamisliva bez tih materijala. Njihova je potrošnja postala jedno od merila industrijske
razvijenosti, jer se oni nalaze u većini potrošnih dobara, od preko potrebnih automobilskih guma,
transportnih traka, cevovoda, delova mašina i uređaja, do odevnih predmeta i igračaka.
2. Obrada kaučuka i proizvodnja gume
Prirodni i sintetski kaučuk plastičan je materijal, kome se oblik može menjati. Kaučuk se ne
može direktno upotrebiti, već se mora podvrgnuti mnogim procesima, da se dobije guma,
konačni produkt, relativno velike elastičnosti. Kaučuk je, dakle, međuprodukt u proizvodji gume
i gumenih proizvoda.
Među mnoštvom najrazličitijih proizvoda, mnogi se proizvode prema strogo specifičnim
postupcima. Međutim, za većinu proizvoda postupak je uglavnom isti. Kaučuku se dodaju
različita punila i smesa se podvrgava termičkoj obradi (tzv. vulkanizaciji). U čitavom procesu
proizvodnje gume iz kaučuka razlikuju se sledeće faze:
- mastikacija,
- priprema smese kaučuka i dodataka,
- oblikovanje poluproizvoda,
- vulkanizacija.
2
2.1 Mastikacija
Prirodni, a ponekad i sintetički kaučuk doprema se u fabrike obično u velikim balama i
komadima, blokovima četvrtastog oblika. Pre dalje obrade, takve komade potrebno je smanjiti.
To se radi pomoću posebnih mašina sa noževima koji režu kaučuk u manje komade izduženog
oblika, često se kaučuk pre rezanja mora zagrejati na temperatura oko 50C, da bi se omekšao.
Prirodni se kaučuk ne može direktno mešati sa posebnim dodacima, jer se oni ne mogu jednako
raspodeliti u sirovom, relativno tvrdom materijalu. Zato se kaučuk mora podvrgnuti tzv.
mastikaciji. To je operacija u kojoj se kaučuku povećava plastičnost, a time i mogućnost
postizanja veće homogenosti prilikom mešanja različitih dodataka i punila. Mastikacija se sastoji
u intenzivnoj mehaničkoj obradi, uz istovremeno zagrevanje. Pri tome se kaučuk, kao polimer
velike molekularne mase, razgrađuje.
Procesu mastikacije se najviše podvrgava prirodni kaučuk. Sintetički kaučuk se zbog svoje
drugačije strukture mnogo teže masticira. Da bi se taj proces mogao izvesti, potrebni su
katalizatori, hemijska sredstva za plastificiranje. Ova sredstva ubrzavaju masikaciju samo u
prisustvu kiseonika. Oni ne smeju uticati na kasniji proces vulkanizacije, niti na svojstva smese
za vulkanizaciju. To su uglavnom sumporni spojevi, najčešće tiofenoli, koji se dodaju kaučuku u
malim količinama (oko 1%).
Mastikacija se izvodi pomoću posebnih uređaja. Prvi su u upotrebi bili dvovaljci, koji mogu
služiti za mastikaciju, ali i za mešanje dodataka kučuku i za stvaranje homogene smeše pre
vulkanizacije. Princip rada na dvovaljcima i konstaikcija uređaja, ostali su praktično
nepromenjeni kroz više od stotinu godina, od njihove prve upotrebe u proizvodnji gume. To je
uređaj sa dva valjka, smeštena u horizontalnoj ravni, koji se okreću jedan prema drugom (sl.
2.1.);
Prečnik valjka je 0,4 - 0,6 m, a dužina 1 - 2 m. Otvor između valjaka podesi se na početku rada
tako da rotirajući valjci mogu uhvatiti i povući komade kaučuka. Nakon što komadi prođu
između valjaka, radnik, koji rukuje uređajem, vraća ih i tera ponovo kroz otvor između valjaka.
Pri tome se razmak između valjaka može po potrebi proširivati. Nakon nekoliko prelazaka,
pojedini se komadi združuju i čine homogenu masu, koja stvara prevlaku oko prednjeg valjka.
Da bi masa postala što homogenija, režu se povremeno delovi mase, skidaju se sa valjka i
ponovo ubacuju među njih. Na manjem laboratorijskom uređaju reže se ručno, a na velikim
4
ubrzivač vulkanizacije i aktivator ubrzivača. Pored tih glavnih sastojaka smeša sadrži različite
dodatke. Njihov je zadatak da olakšaju dalju preradu, da kao punila snize cenu gotovog
proizvoda i da omoguće postizanje željenih svojstava budućeg proizvoda. Zbog toga je izbor
vrste i količine dodataka tj. sastava smese za vulkanizaciju, vrlo bitan u čitavoj proizvodnji.
Postoji mnogo recepata za pravljenje različitih vrsta guma i velikog mnoštva različitih gumenih
proizvoda.
Relativni sastav smeše ne izražava se u procentima, već se količina kaučuka kao glavnog
sastojka smeše označava sa 100, a količina ostalih komponenata u odnosu na tu količinu
kaučuka.
2.2.1
Sredstva za vulkanizaciju
Kao sredstvo za vulkanizaciju najviše se upotrebljava sumpor. Pomoću sumpora mogu se
vulkanizirati svi kaučuci čiji makromolekuli sadrže dvostruke veze. Sumpor za vulkanizaciju
mora biti relativno čist (više od 95% S), bez kiselina, samleven na određenu veličinu zrna da bi
se mogao bolje izmešati u kaučuku. Ako se kaučuku dodaje samo mala količina sumpora ili se
radi sa kaučukom u kojem se sumpor teško rastvara, upotrebljavaju se dispergatori. Za izradu
meke gume na 100 delova kaučuka dodaje se 0,2 - 5 delova sumpora. Gume koje sadrže 5-25
delova sumpora nisu ni dovoljno čvrste ni dovoljno elastične (slično koži), pa se retko
upotrebljavaju. Vulkanizacija sa sumporom ima mnogo prednosti. Proces je pogodan sa
ekonomskog gledišta, njegova se brzina relativno lako može regulisati dodatkom ubrzivača ili
usporivača, a pažljivim vođenjem procesa i doziranjem sumpora može se uticati na stepen
umrežavanja kaučuka, a time i na svojstva gotovih proizvoda.
Pored sumpora, za vulkanizaciju se mogu upotrebiti i neki sumporni spojevi, uglavnom disulfati.
Njihova je prednost što otpuštaju sumpor tek na višim temperaturama, pa se smeša može mešati i
obrađivati pre vulkanizacije bez opasnosti od prerane vulkanizacije.
Vulkanizacija se može obaviti i bez sumpora. Za to se u prvom redu upotrebljava kaučuk bez
dvostrukih veza. Najpoznatija sredstva za vulkanizaciju te vrste jesu peroksidi. Kaučuci koji
sadrže halogene elemente mogu se umrežavati i pomoću metalnih oksida (npr. cink-oksida).
Kaučuk se može vulkanizirati i bez sredstva za vulkanizaciju. Umrežavanje se tada postiže
delovanjem jakog zračenja, npr. pomoću gama-zraka, s izotopom 60C.
U smeši za vulkanizaciju, svakako, moraju biti prisutni i ubrzivači. Vulkanizacija je bez njih
spora, potrebno je mnogo sumpora i visoke temperature, a produkt je slabe čvrstoće i otpornosti
prema trenju. Postoji vrlo mnogo tipova ubrzivača koji se pod patentiranim imenima nalaze na
tržištu. To su uglavnom organski spojevi: tiazoli, sulfenamidi itd. Ubrzivači vulkanizacije moraju
se podstaknuti na reakciju pomoću aktivatora. Za tu se svrhu najviše upotrebljava cink-oksid.
2.2.2
Sredstva protiv starenja
Pod pojmom starenja podrazumevaju se štetne promene koje se tokom vremena zbivaju na
površini ili u čitavoj masi gume. Radi se o sledećim uticajima: delovanje kiseonika, samog ili u
spojevima teških metala, delovanje ozona, toplote, vlage, svetla, zamoru materijala. Zbog tih
uticaja već nakon kratkog vremena mnogo se smanjuje upotrebljivost gume i gumenih
proizvoda, štetni uticaji navedenih faktora mogu se izbeći i smanjiti pomoću sredstava protiv
5
starenja. To su antioksidanti medu kojima se najviše upotrebljavaju neki aromatski amini i
fenoli, često je potrebno i više različitih sredstava da bi se neki produkt zaštitio od mnogih
štetnih uticaja. Izbor tih sredstava zavisi od uslova u kojima se budući gumeni proizvod
upotrebljava. Količina sredstva protiv starenja koja se dodaju u kaučukovu smešu pre
oblikovanja i vulkanizacije iznosi 0,5 - 2,5%.
2.2.3
Punila
Zadatak punila je ne samo da snize učešće kaučukove mase, a time i njihovu cenu, već i da utiču
i na svojstva proizvoda. Njihov uticaj na čvrstoću i na otpornost prema habanju i ogrebotinama je
neobično veliki, čađ je najvažnije punilo kaučukovih smesa. Više od 90% čadi troši se u
industriji gume, a od toga 60% u proizvodnji automobilskih guma. čađ čini oko 30% težine
automobilske gume i desetostruko povećava njeno trajanje zbog velikog povećanja otpornosti
prema habanju. Čade se s obzirom na veličinu čestica i na svojstva proizvodi u različitim
vrstama, zavisno od željenog kvaliteta i namene gumenih proizvoda. Pored čadi kao punila se
upotrebljava kaolin, kreda, različiti silikati, metalni oksidi itd. Ti dodaci mogu biti aktivni, tj.
mogu direktno uticati na svojstva proizvoda, a mogu služiti i samo kao neaktivna punila.
2.2.4
Pigmenti
Pigmenti se upotrebljavaju za bojenje kaučukove smeše pre vulkanizacije i određuju boju
gotovog proizvoda. Anorganski pigmenti su postojaniji i otporniji od organskih. Od dobrog se
pigmenta traži da ne sadrži supstance štetne za kaučukovu smešu, da se tokom vulkanizacije ne
menjaju i da ne utiču na svojstva gotovog proizvoda. Od belih se pigmenata najviše
upotrebljavaju pigmenti na bazi titan-oksida, a od bojenih oksidi čelika, hroma, ultramarin i
kadmijumovi pigmenti.
2.2.5
Omekšivači
Omekšivači se često dodaju kaučukovoj smesi u prilično velikim količinama. Njihov je zadatak
da delimično smanje učešće skupog kaučuka, da poboljšaju mogućnost smeše, a time omoguće
lakšu preradu i manji utrošak energije, da omoguće bolje mešanje i raspodelu drugih dodataka
unutar smese, da poboljšaju neka fizička svojstva proizvo
Kao omekšivači mogu se upotrebljavati prirodne supstance, npr. mineralno ulje, masne kiseline,
masti i ulja. Manje se upotrebljavaju skupi sintetički omekšivači. Njihov je izbor veći i njihovom
se primenom mogu postići posebna svojstva u proizvodnji specijalnih vrsta gume. Najvažniji
sintetički omekšivači jesu različiti etri.
2.2.6
Faktis
Faktis je laka pahuljičasta masa, zamena za kaučuk. Dobija se vulkanizacijom biljnog ulja
sumporom ili nekim njegovim jedinjenjem. Za pravljenje faktisa najčešće se upotrebljavaju
laneno, ricinusovo i sojino ulje. S obzirom na procenat sumpora i uslove rada razlikuje se smeđi,
žuti i bcli faktis.
