Wulkanizacja

Wulkanizacją, lub procesem sieciującym nazywamy chemiczne przekształcanie kauczuku naturalnego lub polimerów w bardziej związane i tym samym wytrzymalsze materiały przez dodanie siarki lub inne równoważne środki wulkanizujące i przyspieszacze. Dodatki te modyfikują polimer przez utworzenie poprzecznych mostków, połączeń, pomiędzy poszczególnymi łańcuchami polimerowymi. Materiały wulkanizowane są mniej lepkie i mają lepsze właściwości mechaniczne. Termin włókno wulkanizowane odnosi się do celulozy, którą poddano obróbce w roztworze chlorku cynku celem sieciowania do włókien celulozowych.

Chociaż utwardzenie gumy zostało przeprowadzone już w czasach prehistorycznych, nowoczesny proces wulkanizacji, nazwany Vulcan, od Rzymskiego boga ognia, nie powstał aż do XIX wieku. Obecnie bardzo szeroki wachlarz produktów wykonany jest z gumy - opony, podeszwy butów, węże i taśmy przenośnikowe. Kauczuk jest często sprzedawany pod nazwą handlową ebonitu i jest używany do wyrobów takich jak na przykład ustniki klarnetu i saksofonu, kule do kręgli czy krążki hokejowe.

Chociaż wulkanizacja rozpoczęła się tak na prawdę w XVIII wieku, historia kauczuku utwardzanego za pomocą innych środków sięga czasów prehistorycznych. Nazwa "Olmeków", w języku Azteków oznacza gumowych ludzi. Cywilizacje te, najpierw dokonywały ekstrakcji kauczuku z Castilla Elastica, rosnącego okolicznego drzewa kauczukowego. Sok z lokalnych winorośli Ipomea alba, miesza się z lateksem w celu utworzenia przetworzonego kauczuku. Działo się to już 1600 lat przed narodzeniem Chrystusa. W świecie zachodnim guma pozostała w zainteresowaniu przemysłu, chociażby do produkcji materiałów wodoodpornych.

Charles Goodyear (1800 - 1860) jest powszechnie uważany za pierwszego na świecie wynalazcę znanego nam dzisiaj kauczuku. To on, jako pierwszy sformułował wszystkie znane nam pojęcia. Nigdy jednak w pełni nie był w stanie zrozumieć procesu, którego autorem się stał. Z drugiej strony, Thomas Hancock (1786 - 1865), naukowiec i inżynier, był pierwszym, który opatentował proces wulkanizacji a nawet uważał, że rozumie lepiej niż Goodyear są proces. Niewątpliwie, inspirował się pracami i badaniami Goodyeara. Hancock otrzymał Brytyjski patent 21 maja 1944 roku. Trzy tygodnie później Goodyear otrzymał patent w Stanach Zjednoczonych.

Goodyear twierdził, że odkrył wulkanizację wcześniej 1839 roku. W 1853 roku napisał wspomnienia "Gum-Elastica", w których zawarł taka informację. Chodź książka jest autobiografią, Goodyear zdecydował się napisać ją w trzeciej osobie.

Odkrycie reakcji między gumą i siarką zrewolucjonizowało wykorzystanie gumy i zmieniło oblicze świata przemysłowego. Dawniej, jedynym sposobem aby uszczelnić niewielki odstęp między ruchomymi częściami maszyn było wykorzystanie skóry nasączonej olejem. Nakładało to ogromne ograniczenia. Dopiero wulkanizowana guma rozwiązała ten problem. Tworzywo mogło przyjmować umiarkowane kształty od dużej do małej deformacji, by po ustaniu obciążenia wrócić do początkowego kształtu. Te właściwości połączone z dużą trwałością i brak kleistości są kluczowe dla efektywnego materiału uszczelniającego. Dalsze eksperymenty w przetwarzaniu i mieszaniu gumy przez Hancocka i jego współpracowników doprowadziły do bardziej wiarygodnego procesu.

W 1905 roku odkryto pochodną aniliny, nazwaną tiokarbanilid, powstały na skutek przyspieszonej reakcji gumy z siarką. Odkrycia dokonał George Oenslager. Ten przełom miał równie fundamentalne znaczenie jak odkrycie samego procesu wulkanizacji. Przyspieszenie procesu spowodowało wzrost efektywności procesu. Ponadto odkryto, że proces można stosować również w przypadku tworzyw syntetycznych. Przyspieszacz przyspiesza reakcję utwardzania a retarder ją opóźnia. Typowy retarder to cykloheksylotioftalimid. W kolejnych latach, chemicy rozpoczęli opracowywanie nowych receptur utwardzających, które obecnie są wykorzystywane do produkcji nowoczesnych wyrobów gumowych.

Naturalny, nieutwardzony kauczuk jest lepki, deformuje się łatwo gdy jest ciepło i staje się kruchy gdy jest zimno. W tym stanie materiał nie nadaje się do zastosowań przemysłowych ze względu na kiepska elastyczność. Powody niesprężystego odkształcenia nie wulkanizowanego kauczuku można znaleźć w jego strukturze chemicznej - kauczuk składa się z długich łańcuchów polimerowych. Łańcuchy te mogą poruszać się niezależnie w stosunku do siebie , co pozwala na zmianę kształtu materiału. Sieciowanie wprowadza się przez wulkanizację. Zapobiega ona przesuwaniu się łańcuchów polimerowych. W rezultacie, gdy wywierany jest nacisk, gumy deformują się, natomiast po odjęciu siły, wracają do swojego pierwotnego kształtu.

W przeciwieństwie do procesów termoplastycznych (proces płynięcia, zamarzania, które charakteryzuje zachowanie większości znanych polimerów), wulkanizacja podobne jak termoutwardzanie jest procesem zasadniczo nieodwracalnym. Sieciowanie osiąga się zwykle przez dodanie siarki. Znane są również inne systemu, między innymi wykorzystujące bazę nadtlenku.

W powszechnym użyciu wyróżniamy pięć rodzajów utwardzania:
- system siarki
- nadtlenki
- sieci uretanowe
- tlenki metali
- acetoksysilan