Kaucsuk

A kaucsuk elasztomer, a gumi legfontosabb alapanyaga. Már a kaucsuk is rugalmas bizonyos mértékben, de igazán rugalmassá a vulkanizálás során válik, amikor gumi képződik belőle.

A szó eredete

Közép- és dél-amerikai indiánok már Amerika felfedezése előtt készítettek tárgyakat kaucsukból. A kecsuák ca-huchunak nevezték, amely könnyező fát, fa könnyét jelent.

Előállítás

Előállítás szerint a kaucsukok két nagy csoportra oszthatók: természetes és műkaucsukokra. A világon évente nagyjából ugyanannyi természetes kaucsukot állítanak elő, mint műkaucsukot.A gumitermékek nagy részét nem természetes kaucsukból készítik, hanem telítetlen szénhidrogénekből polimerizációval hozzák létre.

Természetes kaucsuk

Természetes kaucsukot próbáltak már előállítani többféle növény nedvéből, de a napjainkban gyártott mennyiség döntő része a kaucsukfából (Hevea brasiliensis) készül.

Második legnagyobb jelentősége a guayule (Parthenium argentatum) nevű félcserje nedvének van, amely nem tartalmazza a kaucsukfa latexében megtalálható, allergiát okozó fehérjéket. Leginkább az USA-ban foglalkoznak vele (főképpen kaucsukpánikok idején, pl. világháború alatt vagy amikor attól félnek, hogy a levélrozsda kipusztítja a világ összes kaucsukfáját), mert az USA déli részén és Mexikóban elterülő sivatagos-félsivatagos területeken megterem.

A mérsékelt égövben a Szovjetunióban (Ukrajnában és Oroszország déli részén) próbálkoztak kokszagiz (Taraxacum kok-saghyz, „gumipitypang”) termesztésével a két világháború között (a Rákosi-korszakban Magyarországon is), mert a kaucsukfából készült kaucsuk importálása (politikai) akadályokba ütközött.

A kaucsukfa trópusi növény. 25 °C-nál magasabb évi középhőmérsékletet és évi 1000-1500 mm csapadékot igényel – vagyis kb. az északi és a déli szélesség 15. foka között terem. A történelem folyamán mindig változott, hogy melyik országban állítottak elő több vagy kevesebb természetes kaucsukot. Előbb a vadon növő fákat használták, majd a XIX. században (ekkor kezdett fellendülni a gumiipar) Brazíliában jelentek meg az első kaucsukfa-ültetvények. Jelenleg a világon termelt kaucsuk 70%-át három ország adja: Thaiföld, Malajzia, Indonézia.

A kaucsukfa kb. 6 éves korában csapolható először. A fa kérgét átvágják, és edényt helyeznek el a bemetszés alá. A sűrű tejszerű lé, a természetes latex belefolyik az edénybe.

Koagulálószerekkel kicsapják a kaucsukot és eltávolítják a vizet. Az előállított kaucsuk tulajdonságai függenek a latextől és az alkalmazott gyártástechnológiától. A latex összetétele függ a talajtól, éghajlattól, agrotechnikai módszertől stb., és a kaucsuk előállítására is különféle módszerek használatosak.

A napjainkban termelt kaucsuknak még mindig csak mintegy felét adják az ültetvények (nagyüzemi gazdálkodás) – a felét kistermelők. Bár az utóbbi évtizedekben egyre jobban elterjedtek a termékszabványok, a természetes kaucsuk tulajdonságai még mindig messze nem olyan kiszámíthatók, mint a műkaucsukéi.

Műkaucsukok

A műkaucsukokat leggyakrabban diolefinek polimerizációjával állítják elő; monoolefin polimerizációjával készül például a fluorkaucsuk, kész polimer modifikációjával például a klórszulfonált polietilén. A kaucsukgyártás alapanyagait általában kőolajból és földgázból állítják elő.

A kaucsukok előállítási módszere nagyon sokféle lehet, így többé vagy kevésbé különbözik az összetételük is. A kaucsuk tulajdonságait először is a fő polimer határozza meg, de másodsorban módosíthatják a kisebb mennyiségben jelenlevő, a fő polimertől különféle mértékben eltérő egyéb polimerek is (pl. izomerek, elágazások, polimerizációfok stb.), harmadsorban pedig az egyéb anyagok is. Ezeket mind befolyásolják a felhasznált monomer tulajdonságai; hogy a polimerizáció oldatban vagy emulzióban zajlott-e; hidegen vagy melegen; milyen emulgeálószerekkel és katalizátorokkal; hogyan szabályozzák a polimerizációfokot stb.

Két különböző előállítási módszerrel jelentősen különböző felépítésű polimert kaphatunk akkor is (a monomerek eltérő egymáshoz kapcsolódása miatt), ha a kapott termékek a fő polimertől eltekintve ugyanolyan és ugyanannyi kis mennyiségben jelenlevő anyagot tartalmaznak.

A természetes kaucsuk összetétele

A kaucsukrész kb. 98,5% cisz-1,4-poliizoprént és 1,5% 3,4-poliizoprént tartalmaz. Ezenkívül tartalmazza azokat a szárazanyagokat, amelyeket a kiindulási latex.

A kaucsuk közepes molekulatömege kb. 1,3 millió. (A műkaucsukoké általában kicsit kisebb). A molekulatömeg-eloszlás görbéje viszonylag lapos. Érdekesség, hogy két, nem nagyon határozott maximuma van; egy félmillió és egy kétmillió környékén.

A kaucsuk tulajdonságai

A kaucsuk makromolekuláit első megközelítésben képzeljük el úgy, mint a cérnaszálakat. Egy-egy molekula moláris tömege általában százezres vagy milliós nagyságrendű. A molekulák polimerek; általában 1-2 fajta (a 3 már ritka) monomer polimerizálásával keletkeznek. A szomszédos molekulák közti kölcsönhatások viszonylag gyengék; gyengébbek, mint például a fehérjemolekulák esetében. A makromolekulák a konformációs mozgás következtében állandóan tekeregnek-csavarodnak, véletlenszerűen. Ha ilyenkor egy másik makromolekula (egy részletének) közelébe kerülnek, kölcsönhatásba lépnek vele. Ez a kölcsönhatás általában elég gyenge, és nem elég ahhoz, hogy ott tartsa, kristályba rendezze a makromolekula-szakaszokat. Vagyis a kaucsuk kristálytartalma kicsi. A műanyagokban a makromolekulák (vagy azok nagyobb szakaszai) általában rendezettebben helyezkednek el egymás mellett, közöttük erősebb a kölcsönhatás.

Nyújtáskor a kaucsukmolekulát kihúzzuk a szomszéd makromolekulák közül. A kaucsuk tehát folyadék, csak nagyon sűrű (viszkózus). Nem-newtoni folyadék, vagyis folyási (reológiai) tulajdonságai némiképpen eltérnek például a víz folyási tulajdonságaitól (többféle modell született a folyási tulajdonságok leírására, melyek többé-kevésbé leírják a kaucsuk viselkedését).

Az erő megszűntekor a kihúzott makromolekula nem megy vissza a helyére: a kaucsuk első megközelítésben nem rugalmas. Ha ennél közelebbről nézzük, akkor az egyenesre kihúzott molekula az erő megszűntekor „visszaráncosodik”; további rugalmasság származik abból, hogy a kaucsukmolekulák sosem teljesen egyenesek, hanem girbegurbák, elágaznak és egymásba gubancolódnak – azonban a maradó deformáció a vulkanizálatlan kaucsuk esetében mindig jóval nagyobb, mint a rugalmasan visszadeformálódott rész.

A természetes kaucsuk tulajdonságai

Bár a nem-kaucsuk komponensek részaránya kicsi, mégis jelentősen befolyásolják a természetes kaucsuk tulajdonságait. A fehérjék például hidrofil részecskék. Növelik a penészesedési hajlamot, csökkentik a természetes kaucsuk alapú gumik vízállóságát, növelik a kristályosodási hajlamot, különösen a gumitermék nyújtásakor. A fehérjemolekulák miatt erősebb a szomszédos molekulák közti kölcsönhatás. Ez már nyersen is nagyobb rugalmasságot kölcsönöz a kaucsuknak, mint pl. a szintetikus poliizoprén esetében. A gyanták és zsírszerű anyagok lágyítóként is működnek. A sokféle funkciós csoport miatt a természetes kaucsuk molekulái elágazóbbak, mint a szintetikus poliizoprén esetében. Az elágazások és a hosszabb molekulák miatt sok energiát igényel a megdolgozás, de a szilárdság is nagyobb. A természetes kaucsukból készült vulkanizátumok jó dinamikus tulajdonságokkal rendelkeznek (kis hiszterézis, csekély melegedés).

Olajokkal szemben nem ellenálló; benzinben például jól oldódik a természetes kaucsuk, és a vulkanizátumok is erősen duzzadnak.

A gyanták és a kis molekulák nem elhanyagolható aránya miatt jó a nyerstapadása és a nyersszilárdsága. A gyanták javítják az alaktartást.

A vulkanizáció sebessége viszonylag nagy (ebben része van a fehérjéknek és zsíroknak is), de a gumikeverék eléggé beégésveszélyes, és reverzióra is hajlamos a vulkanizátum.

Nem ellenálló az öregedéssel szemben (ebben közrejátszanak a természetes kaucsukban nyomokban megtalálható változó vegyértékű fémek is). Fáradási repedések is könnyen kialakulnak a vulkanizátumokban, de a nagy kristályosodási hajlam miatt a repedések továbbterjedési sebessége kicsi.

Üvegesedési hőmérséklete –73 °C. –50 °C és +20 °C között nyújtás nélkül is kristályosodik, (leggyorsabban –25 °C-on), ezért felhasználás előtt a természetes kaucsuk legtöbb fajtáját dekrisztallizálni kell. 50…70 °C körüli hőmérsékletű meleg levegőt fújnak be a tárolóhelyiségbe (a kristályos rész olvadáspontja kb. 40 °C), vagy mikrohullámokkal melegítik.

40 °C-fokon kell tárolni, fénytől védendő, 280-300 °C körül kémiailag bomlik.

A természetes kaucsuk felhasználása

A természetes kaucsuk általános rendeltetésű kaucsuk, vagyis nagyon sokféle területen használható. Az előállított természetes kaucsuk kétharmadát azonban gumiabroncsgyártásra használják. Itt van szükség jó dinamikus tulajdonságokra (különösen a teherabroncsoknál, melyek vastagabb falú termékek, mint a személyabroncsok), nagy szakítószilárdságra és beszakítószilárdságra. A gumiabroncsok radializációja (a radiálabroncsok térhódítása a diagonálabroncsokkal szemben) is növeli a természetes kaucsuk felhasználást, mivel a radiálabroncs nem gyártható olyan gyenge nyersszilárdságú keverékekből, mint a diagonálabroncs.

A természetes kaucsukból számottevő mennyiséget használnak még a műszaki gumitermékek, gumifonalak, a ragasztók és latexek előállításánál és a cipőgyártásban.

Kaucsukfajták

természetes kaucsukok (NR)
izoprénkaucsukok (IR)
butadiénkaucsukok (BR)
butadién-sztirol kaucsukok (SBR)
butadién-nitril kaucsukok (NBR)
kloroprénkaucsukok (CR)
butilkaucsukok (IIR, CIIR, BIIR)
etilén-propilén kaucsukok (EPM, EPDM)
epiklórhidrin kaucsukok (CO, ECO, ETER)
poliszulfid kaucsukok (TM)
fluorkaucsukok (CFM, FPM)
szilikonkaucsukok (Q)
klórszulfonált polietilén (CSM)
etilén-vinil-acetát kopolimer (EAM)
uretánkaucsukok (U, AU, EU)
polialkénamerEK (TPA, TOR)

Források

Gumiipari kézikönyv I-II. Főszerkesztő: dr. Bartha Zoltán. Budapest, Taurus-OMIKK, 1988-1989. ISBN 963-592-723-1
Michelin Gumiabroncs kalauz, mely alapján készült a következő írás: http://www.vezess.hu/hirek/michelin_gumiabroncs/3817/
Кошелев Ф.Ф., Корнев А.Е., Буканов А.М. Общая технология резины. Химия, М.: 1978. (Koselev-Kornyev-Bukanov: Obscsaja tyehnologija rezini – A gumigyártás általános technológiája. Himija, Moszkva, 1978.)
http://www.cnshb.ru/AKDiL/0048/base/RK/100009.shtm

Kapcsolódó szócikkek

Külső hivatkozások