Guma – co to takiego?

Potocznie mówiąc o gumie – możemy tym mianem określać wiele różnych rzeczy. Są na rynku opony, gumki do ścierania, gumki recepturki, guma arabska czy też guma do żucia. W ogólnym rozumieniu guma to substancja, która znajduje zastosowanie w bardzo różnych produktach – począwszy od gumowych pieczątek, czepków kąpielowych, poprzez węże gumowe, uszczelki, aż po wycieraczki, płyty gumowe i gumowe wykładziny obiektowe.

Tak naprawdę guma jest znana ludzkości i powszechnie stosowana od ponad 1000 lat. Dawniej, produkty gumowe były wykonywane z materiałów występujących naturalnie. Współcześnie, znacząca większość produktów gumowych z jakimi mamy do czynienia, to produkty powstałe z gumy syntetycznej. Taki rodzaj gumy produkowany jest oczywiście  w zakładach chemicznych. Powodem jest głównie to, że zapotrzebowanie na gumę naturalną jest o wiele większe niż możliwości jej uzyskania, lub jak mówią niektórzy, jej produkcji. Nieustająco wysoki popyt na gumę, wynika z tego, że to materiał fantastycznie wszechstronny i użyteczny! Zapraszamy do zapoznania się z jedną z najbardziej fascynujących substancji świata.

Czym jest guma?

Ludzie używając tego określenia bardzo rzadko precyzują o jaki jej rodzaj chodzi. Mówią o gumie, a tak naprawdę istnieje bardzo szerokie spektrum różnych rodzajów gumy.  Pierwszy i podstawowy podział, to podział na dwa główne typy: guma naturalna (pochodzenia roślinnego) oraz guma syntetyczna (elastomer będący produktem sztucznym otrzymywanym w laboratorium). Komercyjnie, najbardziej popularnymi rodzajami gumy są gumy styrenowo butadienowe, poliakryle, polioctany winylu (PVA). Pozostałe rodzaje to chlorki winylu (PVC lub wymiennie PCW), polichloropren (znany lepiej jako neopren). Pomimo tego, że gumy naturalne i syntetyczne są na pozór bardzo do siebie podobne, to jednak różnią się od siebie chemicznie i są produktami całkowicie różnych procesów produkcji.

Guma naturalna

Gumę naturalną otrzymuje się z białego, mlecznego soku zwanego lateksem, który pozyskuje się z niektórych typów roślin po ich nacięciu. Na przykład pospolite dmuchawce po odłamaniu łodyg produkują niewielkie ilości lateksu, z których teoretycznie można by pozyskać gumę naturalną – choć proces ten byłby bardzo nieefektywny z uwagi na to, że konieczne byłoby uprawianie ogromnej ilości mleczy, aby pozyskać niewielką ilość gumy. Pomimo, że ludziom znanych jest 200 różnych gatunków roślin wytwarzających lateks, to 99 procent gumy naturalnej produkowanej na świecie, pochodzi z lateksu pozyskiwanego z gatunku drzewa znanego jako Kauczukowiec Brazylijski (Hevea brasiliensis).

Lateks pochodzący z tego drzewa w jednej trzeciej to woda i w jednej trzeciej cząsteczki gumy w formie zawiesiny koloidalnej. Guma naturalna to polimer izoprenowy o wzorze chemicznym C₅H₈. Mówiąc prościej, składa się z wielu tysięcy części jednostek C₅H₈ (monomeru izoprenu), które tworzą długie splątane łańcuchy. Właśnie te łańcuchy molekuł mogą być łatwo rozciągane i rozplątywane, jednakże równie łatwo wracają do swojego pierwotnego kształtu. To właśnie ta właściwość czyni gumę elastyczną.

Guma syntetyczna

Gumy syntetyczne wytwarzane są w zakładach chemicznych, które do ich produkcji jako bazy  wykorzystują substancje ropopochodne. Jednym z najlepiej poznanych rodzajów (i ciągle jednym z najbardziej popularnych) jest neopren (nazwa handlowa polichloroprenu) powstały w skutek reakcji acetylenu i kwasu chlorowodorowego. Innym bardzo popularnym typem gumy syntetycznej jest guma powstała na bazie kauczuku butadionowo – styrenowego – SBR, z którego wykonuje się płyty gumowe dostępne w naszym sklepie.

W dalszej części skoncentrujemy się na gumie naturalnej.

Jak powstaje guma?

Źródło: https://corporate.goodyear.com

W 1839 roku amerykański wynalazca Charles Goodyear opracował proces wulkanizacji (obróbki cieplnej) powodującej twardnienie i nadającej większą wytrzymałość gumie. Spędził on długi czas prowadząc badania, próbując przeistoczyć gumę naturalną w użyteczny produkt. Jego odkrycie było wynikiem pewnego przypadku. Kiedy niechcący upuścił kawałek gumy, ten upadł na rozgrzany piecyk na którym pod wypływem ciepła zaczął przeistaczać się w czarną, zwulkanizowaną formę, bliższą tej gumie, którą znamy powszechnie dzisiaj. Pomimo, że udało mu się wynaleźć jeden z najbardziej użytecznych materiałów, Goodyear nigdy nie wzbogacił się znacząco dzięki swojemu odkryciu i zmarł borykając się z trudnościami finansowymi. Jednakże, jego nazwisko ciągle żyje w naszej świadomości dzięki nazwie popularnej firmy oponiarskiej, która przyjęła je w hołdzie dla jego pracy i wspaniałego osiągnięcia.

Produkcja gumy z gumy naturalnej, składa się z kilku odrębnych procesów. Pierwszym jest pozyskanie lateksu z drzew kauczukowych. Proces ten polega na wykonaniu szeregu nacięć na korze drzewa. Nacięć dokonuje się tak, aby przypominały swoim kształtem literę V. Z powstałych nacięć, sączy się lateks. Jest on zbierany do pojemników zawieszonych na pniu. Lateks zebrany z wielu drzew jest następnie mieszany i płukany kwasem, aby uzyskać efekt koagulacji (zlepienia sią cząsteczek). Guma wyprodukowana w ten sposób jest następnie formowana w bloki lub płyty i suszona przed kolejnym etapem produkcji.

Uzyskana w ten sposób guma jest gumą surową, która sama w sobie nie przedstawia większej wartości. Kruszy się w niższych temperaturach a w wysokich wydziela nieprzyjemny zapach i jest lepka. Dlatego też dalsza obróbka jest konieczna dla poprawy jej właściwości. Pierwszy proces to mastykacja, czyli mechaniczna obróbka za pomocą pras lub walców, aby gumę uplastycznić i zmiękczyć.  Po przeprowadzeniu mastykacji, do gumy dodawane są polepszacze chemiczne (poprawiające np. parametry stażenia). Następnie guma podlega kalandrowaniu – jest to proces wielokrotnego kształtowania gumy za pomocą zespołów walców, pod których naciskiem ulega ona uplastycznieniu. Ostatnim etapem procesu jest wulkanizacja – dodawana jest siarka i guma jest podgrzewana do temperatury około 140 stopni Celsiusza.

Skąd pochodzi guma?

Jak sama nazwa wskazuje, kauczukowiec Hevea brasiliensis pochodzi z Brazylii, skąd sadzonki tej rośliny zostały pozyskane i sprowadzone do takich krajów dalekiego wschodu jak Malezja, Indonezja, Birma, Kambodża, Chiny i Wietnam. Region południowo-wschodniej Azji, tradycyjnie jest największym producentem gumy naturalnej. Podczas II Wojny światowej dostawy gumy z tego obszaru świata na zachód były ograniczone, a popyt na produkty gumowe dla wojska był bardzo duży. Znacząco przyspieszyło to prace nad gumą syntetyczną w Niemczech i Stanach Zjednoczonych. Dzisiaj większość gumy naturalnej nadal pochodzi z krajów dalekiego wschodu, a Francja Niemcy oraz Rosja, to kraje przodujące w produkcji gumy syntetycznej. Największa na świecie naturalna plantacja naturalnej gumy kauczukowej to Plantacja Harbel w okolicach Monrovi w Liberii, założona w 1926 roku przez twórcę firmy Firestone Herveya S. Firestone i jego małżonkę Isabelę Bell.

https://www.youtube.com/watch?v=oyd4lTTuqcg

W jaki sposób wulkanizacja wzmacnia gumę?

Guma w formie w jakiej pozyskuje się ją z drzewa to bardzo płynny lateks. Nawet po tym jak po pewnym czasie naturalna guma się scali, jest gąbczasta, ma nieprzyjemny zapach i nie jest specjalnie użytecznym materiałem. Natomiast guma z jaką mamy doczynienia na co dzień w produktach takich jak opony, uszczelki, wykładziny czy płyty gumowe jest gumą zwulkanizowaną – czyli wygotowana z siarką i innymi domieszkami, staje się twardsza, mocniejsza i bardziej odporna na starzenie.

Co jest przyczyną takich różnic pomiędzy gumą surową i zwulkanizowaną? W stanie surowym gumę stanowią molekuły w długich, bardzo luźno i słabo ze sobą powiązanych łańcuchach. Stosunkowo łatwo jest je rozciągnąć i odseparować od siebie – dlatego lateks jest tak elastyczny. W momencie wulkanizacji, dodatkowe atomy siarki pomagają stworzyć wiązania pomiędzy molekułami gumy, co nazywamy procesem sieciowania. Dodatkowo, takie wiązania działają jak kratownice na moście – usztywniają i wzmacniają strukturę cząsteczkową gumy.

Do czego wykorzystujemy gumę?

Cechy fizyczne i chemiczne materiału przekładają się na to, w jaki sposób go wykorzystujemy. Gdybyśmy nawet nie znali procesu produkcji gumy, to biorąc pod uwagę tylko to, jakie ma ona właściwości, możemy sami wymyślić jej zastosowania. Wszyscy wiedzą, że guma jest mocna, rozciągliwa, elastyczna, wytrzymała i wodoodporna. Nic dziwnego zatem, że stosuje się ją do produkcji wodoodpornej odzieży, kaloszy, węży hydraulicznych czy uszczelnień.

Najbardziej popularnym zastosowaniem gumy jest oponiarstwo. Około połowa całej światowej produkcji gumowej zostaje wykorzystana do produkcji ogumienia samochodów i ciężarówek. Gumowe są zarówno twarde opony zewnętrzne jak i dętki umiejscowione wewnątrz opon. Dętki wykonane są z nieznacznie innego materiału – elastycznej gumy butylowej, będącej wysoce nieprzepuszczalną i skutecznie zatrzymującą gazy. To dzięki niej opony ciężarówek pozostają napompowane przez długi czas.

Możliwość uzyskania gumy twardej i miękkiej bardzo rozszerza wachlarz jej potencjalnych zastosowań. Miękki i elastyczny lateks jest stosowany w całej masie produktów codziennego użytku poczynając od gumek do wycierania, balonów, poprzez prezerwatywy aż po np. rękawiczki ochronne.

Twarda guma wykorzystywana jest do bardziej wymagających zastosowań, takich jak membrany dachowe, wyłożenia ścieżek ogrodowych i oczek wodnych czy na przykład produkcji nadmuchiwanych pontonów. Ponieważ guma jest giętkim i mocnym materiałem a jednocześnie bardzo słabym przewodnikiem, a także posiada dobre właściwości termoizolacyjne, płyty gumowe często są wykorzystywane jako solidny, a jednocześnie cienki materiał osłonowy do kabli, światłowodów oraz rur ciepłowiniczych. Gumowe płyty EPDM, odporne na warunki atmosferyczne, są też stosowane jako materiał budowlany np. jako gumowe podkłady pod tarasy czy izolacja poddaszy. Płyty gumowe są również świetnym materiałem wygłuszającym.

Globalny apetyt na gumę jest ogromny. Jednocześnie świat stale produkuje bardzo dużo odpadów gumowych i stwarza zagrożenie ekologiczne. Dużą cześć stanowią zużyte opony samochodowe – które same stają się następnie ważnym surowcem. Część zużytych opon jest ponownie bieżnikowanych. W szczególności dotyczy to opon pojazdów ciężarowych i innego sprzętu. Inna część jest mielona na drobny granulat, który prasowany jest w gumowe płyty granulatowe. Płyty te stosowane są jako wyłożenie podłóg na obiektach takich jak np. bezpieczne place zabaw. Niestety, stale ponad połowa zużytych opon trafia na wysypiska. Producenci gumy wciąż pracują nad nowymi metodami ponownego wykorzystania opon. Coraz częściej stare opony znajdują nowe życie w formie podkładek pod myszki, płyt podeszwowych czy innych gumowych komponentów samochodowych.

Kilka Faktów z Histori Gumy

• 1000 lat p.n.e. Indianie żyjący w Ameryce Centralnej i Południowej nauczyli się wytwarzać odzież wodoodporną wykorzystując do jej impregnacji lateks z kauczukowca.
• 1731 Podczas wyprawy do Ameryki Południowej francuski podróżnik Chales Marie de La Condamine wysyła próbki gumy do Europy gdzie wzbudzają one szerokie zainteresowanie świata naukowego
• 1770 Odkrywca tlenu – angielski naukowiec Joseph Priestley stwierdza, że używając kawałka gumy jest w stanie wyczyścić ślady ołówka z papieru. Stąd właśnie gumka do ścierania.
• 1791 Anglik Samuel Peal opracowuje metodę impregnacji tkaniny roztworem gumowym.
• 1818 Szkocki student medycyny James Syme wykorzystuje tkaninę gumową do produkcji płaszczy przeciwdeszczowych.
• 1823 Szkot Charles Macintosh dowiaduje się o dokonaniu Jamesa Syme, dopracowuje je i patentuje. Na niego spływa chwała i fortuna związana z popularyzacją gumowych płaszczy przeciwdeszczowych.
• 1839 Amerykański wynalazca Charles Goodyear przypadkowo odkrywa wulkanizację gumy upuszczając kawałek uprzednio mający kontakt z siarką na rozgrzany piec.
• 1976 Brytyjski odkrywca Sir Henry Wickham skrycie szmugluje tysiące nasion kauczukowca brazylijskiego do Angli. Anglicy rozpoczynają hodowlę Hevea Brasilienssis w Kew Gardens poczym eksportują sadzonki do różnych krajów Azji południowo-wschodniej tworząc gigantyczne plantacje, które od tego momentu stają się największym źródłem gumy naturalnej na świecie.
• 1877 Amerykański przemysłowiec Chapman Mitchel opracowuje pierwszy handlowy projekt recyklingu gumy.
• 1882 John Boyd Dunlop opracowuje oponę ciśnieniową. Równoległy rozwój samochodów spalinowych powoduje ogromny popyt na ogumienie gumowe.
• 1883 Amerykański chemik George Oenslager opracowuje dużo szybszy sposób wulkanizacji gumy przy wykorzystaniu organicznych (węglowych) przyspieszaczy procesu.
• 1930 Zespół amerykańskich chemików firmy DuPont pod kierownictwem Wallace ’a Carothers ’a opracowuje rewolucyjną gumę syntetyczną zwaną polichloroprenem. Szybko po tym osiągnięciu, ten sam zespół opracowuje recepturę nylonu.