POCETNA STRANA

Kaučuk (indian. kao = stablo i ochu = suza) je elastičan, prirodno ili umjetno proizveden elastični polimer iz kojeg se proizvodi guma. Prirodna guma je organska tvar, koja potječe iz tropskih biljki, a većinom od stabla kaučukovac (Hevea brasiliensis). Iz stabla se nakon urezivanja cijedi bijela mliječna tekučina latex. Uzgaja se na velikim plantažama u tropskim područjima. Sirovi kaučuk može biti svijetlo žute, tamno mrke do crne boje. Elastičan je i rastegljiv, ali u odredjenom temperaturnom intervalu. Preko 50 stepeni C gubi elastičnost, a na 0 stepeni C postaje krt. Lako se rastvara u benzolu, benzinu…
Sintetički kaučuk zbog svojih osobina često zamenjuje prirodni kaučuk.

1.1 Prirodni kaučuk

Prirodni kaučuk je lančani polimer izoprena (2-metil-1,3-butadiena). Sumarna formula kaučuka je (C5H8)n sa srednjom molekularnom masom oko 2 000 000.

Slika 1. Strukturna formula molekulske jedinice izoprena

Prirodni poli(izopren) ili prirodni kaučuk, je jedan od najvažnijih bioloških neaktivnih prirodnih polimera, upotrebljavale su ga Maje u Centralnoj I Južnoj Americi prije 12 stoljeća. U Europu ga je donijo Columbo, ali sve do 19. stoljeća ( otkrića vulkanizacije) nije služio ničemu osim za brisanje olovke.
Poli(izopren) u prirodi postoji u dvije konfiguracije: cis-1,4-poli(izopren) (prirodni kaučuk) I trans-1,4-poli(izopren)(gutaperka,balata)

Cis-1,4-poli(izopren) dobiva se iz drveta vrste Hevea brasiliensis (kaučkovac) koje raste u Srednjoj I Južnoj Americi, a trans-1,4-poli(izopren) iz vrste Plaquium gutta I Mimusops balata, koji se uzgajaju na plantažama Jave I Malaje. Zarezivanjem kore drveća počinje teći lateks koji se skuplja u posude, slika 2.

Slika 2 . Sakupljanje lateksa kaučuka

Hevea daje lateks koji sadrži oko 35 % poli(izoprena) i 5% krutih tvari kao što su proteini, lipidi I anorganske soli, a ostatak je voda. Poli(izopren) se sastoji od 98% cis-1,4 jedinica, I 1% trans-1,4 jedinica, 1% trans-3,4 jedinica structure glava-rep.
Molekulska masa prirodnih poli(izoprena) je između 200 000 I 500 000. Prije transporta lateks se stabilizira protiv djelovanja mikroorganizama dodatkom 5-7 g amonijaka/L.

Koncentrisanje lateksa provodi se zagrijavanjem u prisustvu lužine i dodatkom zaštitnih koloida. Na taj način smanjuje se udio vode I povećava sadržaj krute tvari na oko 75%. Međutim, znatne količine kaučuka koaguliraju se dodtkom 1% octane ili 0,5 % mravlje kiseline. Prirodni kaučuk sadrži masne kiseline, koje djeluju kao stabilizatori, i proteine koji ubrzavaju vulkanizaciju. Nasuprot tome, sintetskom kaučuku treba dodati stabilizatore i amine.
Kaučuk u prirodi ne nastaje polimerizacijom izoprena, nego enzimatskom polimerizacijom izopentilpirofosfata ( koji nastaje složenim reakcijama počevši od tioestera octane kiseline i koenzima –A.

Slika 3.Izopentilpirofosfat

Neke fizikalne konstante prirodnog kaučuka prikazane su u tablici 1.

Nevulkanizirani kaučuk podliježe tipičnim reakcijama za olefine: hidriranju, kloriranju,
hidrohalogeniranju, epoksiranju, ozonolizi.

1.3 Derivati prirodnog kaučuka

Zagrijavanjem prirodnog kaučuka iznad 250°C u prisustvu proton donora (fenol)
snižava se molekulska masa s oko 300 000 na 3 000 do10 000 uz istovremenu ciklizaciju.
Ovisno o uvjetima i dosegu reakcije nastaju mono-, di- i triciklicke strukture odvojene CH2 skupinama ili pak neciklicke izoprenske jedinice.
Tijekom ciklizacije gubi se 50 do 90% izvornih dvostrukih veza. Ciklički kaucuk ima staklište oko 90°C i svojstva poput vulkanizirane gume ili gutaperke. Upotrebljava se za printerskeboje, lakove i ljepila. Kloriranjem prirodnog kaucuka dobije se klorirani kaucuk koji sadrži oko 65% klora. Očito je da istodobno s adicijom klora na dvostruke veze (51% Cl, teorijski max.) dolazi i do supstitucije. Klorirani kaučuk otporan je na djelovanje alkalija, a njegova otopina upotrebljava se za lijepljenje elastomera i metala.

2. Procesi prerade kaucuka

2.1 Mastikacija

Sirovi prirodni kaucuk zbog odredenog sadržaja gela nepotpuno je topljiv u otapalima i ima molekulnu masu nekoliko puta veću nego sintetski kaučuk. Zbog toga je neprikladan za preradu te je neophodno prethodno cijepanje makromolekulnih lanaca ili mastikacija materijala. Mastikacija je proces mehaničke i termooksidacijske razgradnje lanaca poli(izoprena) u lance manje molekulske mase. Tijekom procesa nastaju makroradikali čija se međusobna reakcija sprjecava dodavanjem agensa za prijenos rasta lanca, koji se nazivaju peptizeri. Na taj način dobije se materijal niže viskoznosti, podesniji za preradu, koji lakše prihvaca razlicite dodatke (punila, antioksidanse). Ovaj proces prvi je proveo T. Hancock 1820. godine u stroju s nazubljenim valjcima i nekoliko godina čuvao tu tajnu. Danas se proces provodi u zatvorenom Banbury mikseru s rotirajućim noževima ili na otvorenim dvovaljcima gdje se materijal istovremeno miješa i gnječi.

2.2 Vulkanizacija

Bez obzira na mastikaciju prirodni kaučuk je termoplastican materijal tj. pri višim temperaturama mekan i ljepljiv, a pri nižim temperaturama tvrd i krt materijal. Od 1831. na dalje Amerikanac C. Goodyear tražio je način na koji bi poboljšao uporabna svojstva kaučuka. Sasvim slucajno 1839. godine otkrio je da smjesa kaucuka i sumpora nakon zagrijavanja više nije ljepljiva, ali ni krta pri nižim temperaturama. Prema Vulkanu, rimskom bogu vatre i kovača proces je nazvao vulkanizacijom. Taj svoj pronalazak patentirao je 1844. godine (US patent 3644).
U procesu vulkanizacije pomoću sumpora stvaraju se jaka kemijska umreženja (do 5%) između polimernih lanaca kaučuka uz otvaranje nekih dvostrukih veza, slika 4.

Slika 4. - Vulkanizacija kaučuka

Kaučuk tada poprima elastomerna svojstva, a vlačna čvrstoća je i do deset puta veća u odnosu na nevulkanizirani kaučuk. Da bi se vulkanizacija ubrzala dodaju se različiti ubrzivači, poput merkaptobenzotiazola, tiokarbamata, cinkovog oksida u kombinaciji s masnim kiselinama ili aminima (anilin) čime se vrijeme vulkanizacije s nekoliko sati smanjuje na otprilike 15 minuta.
Hladna vulkanizacija provodi se pomocu S2Cl2 pri čemu medu lancima nastaju monosulfidni mostovi, dok kod vulkanizacije sumporom nastaju polisulfidni mostovi.
Gume s udjelom sumpora do 5% zovu se meke, one s 5…20% sumpora imaju nižu elastičnost, a gume s 25…40% sumpora nemaju ni svojstvo gume niti elasticnosti. To je tvrda guma ili ebonit, koja se može rezati, piliti i polirati.

Dakle, procesom vulkanizacije smanjuje se gibljivost polimernih lanaca i onemogućava tečenje pri višim temperaturama. Isto tako, materijal prestaje biti krt pri niskim temperaturama jer su molekule cvrsto vezane i nije ih lako razdvojiti. Time se postižu potrebna uporabna svojstva gume.Stupanj umreživanja tijekom vulkanizacije prikazuje se krivuljom vulkanizacije, kojapredstavlja promjenu nekog svojstva materijala, proporcionalnog stupnju umreživanja, svremenom vulkanizacije. Tipicna krivulja vulkanizacije prikazana je na slici 5. Područje A naziva se vrijeme indukcije ili predumreženja (eng. scorch time), područje B je periodočvršcivanja (eng. curing), a u području C dolazi do prejakog ocvrščivanja ili preumreživanja (eng. overcuring).

Slika 5 - Tipična krivulja vulkanizacije prirodnog kaučuka

Ovisnost deformacije (istezanja) o naprezanju kod nevulkaniziranog i vulkaniziranog kaučuka prikazana je na slici 6. Nevulkanizirani kaučuk istegne se i do 6 puta u odnosu na početne dimenzije djelovanjem relativno malog opterećenja i nakon prestanka djelovanja sile ne vraća se u prvobitno stanje, što znaci da deformacija nije elasticna. Kod vulkaniziranog kaučuka za isti iznos istezanja treba primijeniti i do 5 puta veću silu, a prestankom djelovanja sile materijal poprima prvobitne dimenzije.
Većina sintetskih kaučuka ne može se vulkanizirati (umrežiti sumporom) već se za umrežavanje koriste drugi kemijski agensi kao što su peroksidi. Umrežavanje se može provesti i α-zracenjem, brzim elektronima te sporim neutronima.
Radijacijsko umreživanje ubrzava preradu, a može se selektivno ozračivati različitim dozama pojedine dijelove izradaka.

Slika 6 - Odnos naprezanje-istezanje vulkaniziranog i
nevulkaniziranog kaučuka

Prirodnim kaučukom danas se pokriva nešto više od 40% ukupnih svjetskih potreba, a ostatak se nadoknaduje sintetskim kaucukom. Godine 2000. ukupno je potrošeno 15 milijuna tona kaučuka. Prema najnovijim procjenama Medunarodnog instituta proizvodača umjetnog kaučuka (International Institute of Synthetic Rubber Producers) porast godišnje potrošnje sintetskog kaučuka bit ce 2,5%. To odgovara i svjetskom porastu u gospodarstvu.
Potrošnja kaucuka posljednjih godina po pojedinim granama industrije bila je:
- industrija gumenih pneumatika …………………………56%
- tehnicki gumeni proizvodi za vozila ……………………11%
- strojevi i izgradnja postrojenja …………………………..9%
- modificirani polimerni materijali ………………………..9%
- industrija obuce ………………………………………….3%
- gradevni sektor …………………………………………..3%
- ostalo……………………..................................................9%

2.3 Sintetski kaučuk

Sintetski kaučuk u užem smislu, tj sintetski poli(izopren) prvi put dobiven je polimerizacijom izoprena uz katalizator alkil-litij u otopini ugljikovodika. Dobiveni proizvod sadržavao je 92…94% cis-1,4- struktura. Danas se poli(izopren) s oko 96% cis-1,4- struktura proizvodi uz Ziegler-Natta katalizator prireden iz smjese titanovog klorida, trialkil-aluminija i trialkil-aluminij-eterata, u otopini pentana ili heksana, slika 7. Monomer mora biti vrlo velike čistoće, ne smije sadržavati ciklopentadien koji djeluje kao kataliticki otrov. Sintetski kaučuk vrlo je sličan prirodnom, osim što sadrži 1-2% manje cis-1,4- struktura i ima manju molekulsku masu (brojcani prosjek molekulskih masa prirodnog kaucuka je oko 5 milijuna).

Slika 7 - Dobivanje sintetskog kaucuka polimerizacijom izoprena

Osim poli(izoprena) postoje i drugi sintetski elastomeri koji služe za proizvodnju gume itrivijalno se nazivaju kaucucima, kao npr: metilni kaučuk, k loroprenski kaučuk, butadienakrilonitrilni kaučuk, stiren-butadienski kaučuk…

2.4. Oblikovanje kaucuka i proizvodnja gume

Uz sustav za umreživanje postoji niz dodataka koji se prije umreživanja miješaju s kaučukom da bi se postigla željena svojstva gumenih tvorevina. Postupak smješavanja (kompaundiranje) kaučuka i dodataka u kaucukovu smjesu kompleksan je proces i podešava se prema namjeni gumene tvorevine. Uz osnovni sastojak kaučuk, kaučukove smjese sadrže brojne dodatke: punila, pigmente, omekšavala, dodatke za poboljšanje preradljivosti, dodatke za sprjecavanje starenja, umrežavala, ubrzavala, aktivatore, usporavala ako se želi spriječiti predumreženje kaučukove smjese i dr. Svaka kaučukova smjesa sadrži prosjecno od 10 do 20razlicitih dodataka.
Kaučuk se može oblikovati u željeni proizvod na više načina. Velike tanke ploče, kao što su transportne vrpce preraduju se kalandriranjem. Razmak izmedu valjaka kalandera odreduje debljinu proizvoda. Ugradnjom graviranih valjaka dobije se proizvod s odredenim uzorkom.
Kalandriranje se koristi i za impregnaciju tekstilnih materijala. Takoder, kaučuk se može oblikovati ekstrudiranjem te tlačnim i injekcijskim prešanjem. Kada se želi tankim slojem gume obložiti površina metala, stakla ili porculana tada se to obavlja višekratnim uranjanjem u otopinu kaučuka. Pjenasta guma dobiva se tako da se u kaučukovu smjesu prije vulkanizacije doda sredstvo za pjenjenje, npr. vodikov peroksid, pri cemu nastaje kisik koji stvara šupljine u rastaljenom kaučuku. Ispjenjena masa ulijeva se u kalupe i ohladi na -30°C da se zamrzne postojeća struktura. Iz sustava se vakuumom istjera zrak, a zatim se pri 110°C vulkanizira (Talalay proces). U Dunlopovom procesu kaucuk s dodacima mehanicki se ispjeni muckanjem. Nastala pjenušava masa ulijeva se u kalup i umreži. Pjenasta guma upotrebljava se za spužve, jastuke i madrace, ambalažu,
automobilska i druga sjedala, nalicje tepiha itd.

3. Upotreba gume i regeneracija kaučuka

Najveći dio kaučuka upotrebljava se za izradu automobilskih guma, tako da automobilske gume predstavljaju i najveci udio u gumenom otpadu. Veliki dio tog gumenog otpada se oporabi (materijalno, energijski i kemijski), a razlozi su sljedeci:
-to je dobar nacin zbrinjavanja gumenog otpada
-zamjenjuju se drugi izvori energije, jer se npr. u cementnoj industriji otpadne gume koriste kao izvor energije (energijska oporaba)
-dobivanje regeneriranog kaucuka
U skladu s Baselskom konvencijom Ujedinjenih naroda iz 1998. i europskog standarda CWA 14243:2002 rabljene automobilske gume nisu opasan otpad ukoliko se pravilno skladište i transportiraju. Politika EU potvrduje ekonomski i ekološki opravdanu prednost materijalne oporabe auto-guma, jer se otpadne gume usitnjavaju u gumeni granulat (gumena zrnca razlicitih dimenzija), gumeni prah i gumene niti (slika 31).

Slika 8. - Usitnjene auto-gume u formi praha, granulata, niti

Usitnjena guma upotrebljava se za izradu razlicitih proizvoda kao što su: podloge za sportsketerene i zaštitne podne obloge, obloge u stajama, obloge za izolaciju krovova, zvucne barijere u graditeljstvu, razlicite oznake u cestovnom prometu, potplate za cipele, pune gume za kolica  i kante za smece, automobilski dijelovi, razni prešani proizvodi, porozna bitumenska veziva, dodatak asfaltima, itd. Na slici 32. prikazan je dio pogona za granuliranje automobilskih guma.

Slika 9. - Postrojenje za recikliranje otpadnih auto-guma

Regenerirani kaučuk je termoplastični materijal koji se dobiva iz otpadne gume te ponovo vulkanizira i preraduje. U procesu regeneracije kaucuka guma se najprije usitnjava, a zatim se odvaja metal, tekstil i granule gume. Granule se melju i prosijavaju te podvrgavaju djelovanju pare i različitim kemikalijama u svrhu uklanjanja sumpora (devulkanizacija). Medutim, devulkanizacija rezultira snižavanjem molekulske mase kaučuka, što se odražava na svojstva regeneriranog kaučuka. U tom smislu procesi devulkanizacije se kontinuirano usavršavaju te vecina velikih svjetskih proizvodača automobilskih guma ima svoj način devulkanizacije.
Regenerirani kaucuk (eng. regenerated rubber) upotrebljava se za izradu podmetača u automobilima, potplata za obucu, brtvila i sl.

Regeneracija kaucuka iz gume ima niz prednosti:
-Regenerirani kaucuk košta i dvostruko manje od prirodnog ili sintetskog
-Neka svojstva regeneriranog kaučuka bolja su od izvornog
-Proizvodnja gume od regeneriranog kaucuka zahtijeva manje energije nego ukupni proizvodni proces iz novog materijala
-Čuvaju se neobnovljive zalihe nafte iz koje se dobivaju sirovine za sintezu umjetnog kaučuka.

Otpadne gume mogu se, osim prethodno navedenih postupaka, podvrgnuti procesu pirolize (kemijska upotreba). Pirolizom nastaje:
-Plinska frakcija, koja se djelomično vraca u proces radi održavanja topline, a dijelom se spaljuje u svrhu proizvodnje energije
-Uljna frakcija, koja sadrži kapljevite ugljikovodike (kemikalije)
-Karbonizirani ostatak, koji sadrži cinkov sulfat kao necistoću.

 preuzmi seminarski rad u wordu » » »

Besplatni Seminarski Radovi