Vulkanizacija je kemijski proces, pri katerem se posamezne polimerne molekule pove?ejo z drugimi polimernimi molekulami z atomskimi vezmi. Kon?ni rezultat je guma , kjer pro?ne gumijaste molekule postanejo zamre?ene  ( en ) na ve?ji ali manj?i razdalji. To naredi material tr?i, veliko bolj obstojen (obraba, staranje) in prav tako odporen na kemijske reakcije. Prav tako naredi povr?ino materiala bolj gladko, prepre?i lepljenje na kovinske ali plasti?ne katalizatorje . Ta zamre?en polimer ima mo?ne kovalentne vezi , z mo?nimi silami med verigami in je netopljiva snov .

Proces je poimenovan po Vulkanu , rimskem bogu ognja.

Razlogi za vulkanizacijo [ uredi | uredi kodo ]

Naravni kav?uk za?ne pri vi?jih temperaturah ali pod vplivom zunanjih sil spreminjati svojo zgradbo, postopno razpadati v mokro drobljivo snov. Proces razpada je delno odvisen od razpada mle?nih beljakovin in od razpada velikih kav?ukovih molekul zaradi oksidacije na zraku , saj se kisikove molekule ve?ejo na kovalentne vezi. Kav?uk, ki je bil nezadostno vulkaniziran, lahko tudi razpade, toda po?asneje. Proces razpadanja lahko pospe?i tudi dalj?a izpostavljenost son?ni svetlobi , ?e posebno izpostavljenost ultravijoli?nim ?arkom.

Opis procesa [ uredi | uredi kodo ]

Vulkanizacija je obi?ajno obravnavana kot ireverzibilna (nepovrnljiva) reakcija, pri kateri kav?uku dodajamo ?veplo . Kav?uk je zmes dolgih makromolekul (2000?10.000 v verigo povezanih molekul izoprena s cis-razporeditvijo ). Te makromolekule med seboj niso povezane in so v kav?uku naklju?no razporejene. Vzdol? teh molekulskih verig je veliko mest, ki so privla?na za atome ?vepla. Med vulkanizacijo ?veplove molekule S ₈ razpadejo na manj?e delce z razli?nim ?tevilom ?veplovih atomov, ki so zelo reaktivni. Pri kav?uku se odprejo dvojne vezi med ogljikovimi atomi. Na te proste vezi se ve?ejo ?veplovi atomi, ki se ve?ejo v verige, dokler ne dose?e drugo molekulo kav?uka. To tridimenzionalno molekulsko zgradbo imenujemo zamre?enje (ang. cross-link). ?veplove vezi so po navadi dolge tja do deset atomov, kar ima velik vpliv na lastnosti kon?nega produkta ? gume. ?e so vezi dolge tja do dveh atomov, ima guma zelo dobro toplotno odpornost, ?e so pa dalj?e, tja do ?est ali sedem atomov, dajejo gumi zelo dobre dinami?ne lastnosti s slab?o toplotno odpornostjo. Dinami?ne lastnosti so pomembne zlasti za fleksibilnost izdelka (npr. na stranskem robu avtomobilske pnevmatike bi se med vo?njo brez fleksibilnosti materiala hitro naredile razpoke, kar bi vodilo do razpada pnevmatike).

Namesto ?vepla se lahko pri vulkanizaciji uporablja selen , organski peroksidi, nitrospojine, itd. Proces vulkanizacije lahko poteka tudi pod vplivom mo?nej?ega sevanja ( ultravijoli?no , katodno, jedrsko).

Poznamo ve? vrst vulkanizacij:

1. Vro?a vulkanizacija poteka pri temperaturi 100?150 °C in zvi?anem tlaku . Traja od nekaj minut do ve? ur . Reakcijo lahko pospe?ijo s pospe?evalci (akceleratorji) ali prilagodijo z dodatki, zaradi katerih je potrebna ni?ja temperatura pa tudi manj?a koli?ina ?vepla. Za mehko gumo je potrebno 1,5?10 % ?vepla, za trdo gumo pa 15?30 %. Z zaviralci (retarderji) vulkanizacije za la?jo obdelavo v nekaterih primerih podalj?ajo postopek.
2. Hladna vulkanizacija se uporablja za izdelovanje tankih predmetov v plasteh (npr. za impregniranje tekstila). Predmete potopijo v raztopino kav?uka, kateri sledi kopel v di?veplovem dikloridu ( S ₂ Cl ₂ ).
3. Kontinuirana vulkanizacija je postopek, pri katerem v profilirane palice ali cevi stiskajo oblikovano maso. Ta pod vplivom grelnega telesa (vro? zrak, taljena kovina) vulkanizira ob izstopu iz brizgalnega stroja.

Vulkanizacija v preteklosti [ uredi | uredi kodo ]

Proces vulkanizacije kav?uka sega ve? kot 3500 let nazaj za ?asa prvih velikih civilizacij. Ime Olmec pomeni ”ljudje kav?ukovca” v azte?kem jeziku. Stare srednjeameri?ke civilizacije so pridobivale lateks iz Castillia elastica , ene izmed vrst kav?ukovca, ki je rasel na tem podro?ju. Kav?ukovcu so dodajali sok vijavke, rde?i slak ( Ipomoea alba ), da so dobili gumi podobno snov. ^[1] Iz gume so delali velike, sedem kilogramov te?ke krogle. Te krogle uporabljali kot danes ?ogo v ritualnem obredu, ki je bil nekak?na igra, podobna dana?nji nogometni tekmi. Tekmovalci na igri??u so morali s koleni spraviti ?ogo skozi kamnit obro?, ki je bil pripet na steni. Izdelovali so tudi votle gumijaste figure, ki so predstavljale bo?anstva. Izdelovali so tudi prakti?ne izdelke, kot so sandali in dr?aji orodij. Prvi? je kav?uk omenjen v Evropi leta 1770. Kocke iz naravnega kav?uka je Edward Nairne prodajal v Londonu kot nekak?ne radirke. Kasneje je ?e bilo par izdelkov iz kav?uka, toda vse je bilo proizvedeno v manj?ih koli?inah. Material ni imel dalj?e obstojnosti, bil je lepljiv, je gnil in imel neprijeten vonj, saj ni bil obdelan. Prvi, ki je v moderni dobi uporabil ?veplo za vulkanizacijo kav?uka je bil Charles Goodyear (1800?1860). Obstajata teoriji, da je Goodyearu to uspelo po temeljitih raziskavah, bodisi po naklju?ju. Goodyear je trdil, da je odkril vulkanizacijo na podlagi ?vepla leta 1839, ki ga patentiral ?ele 5. julija 1843, o odkritju je pa pisal ?ele leta 1853 v njegovi avtobiografski knjigi Gum-Elastica. Medtem je znanstvenik in in?enir, Thomas Hancock (1786?1865), patentiral proces vulkanizacije 21. novembra 1843 v Veliki Britaniji, 8 tednov preden je Goodyear prijavil patent v Veliki Britaniji. Goodyear ni nikoli dobil nikakr?nega denarja zaradi svojega patenta. Zastavil je vso dru?insko premo?enje in ga vlo?il v svoj patent. Umrl je leta 1. julija 1860 z dolgovi v vi?ini ve? kot 200.000 ameri?kih dolarjev.

Kasnej?i razvoj procesa vulkanizacije [ uredi | uredi kodo ]

Odkritje reakcije med kav?ukom in ?veplom je povzro?ilo revolucijo v uporabnosti gume in je povzro?ilo spremembo celotne svetovne industrije . Do tega ?asa je bil edini na?in ali tesnjenja majhnih razpok na parnih strojih ali zagotoviti, da plin (po navadi para ) v cilindru prenese svojo energijo na bat s ?im ve?jim izkoristkom , s pomo?jo usnja pomo?enega v olje . To je spremenljivo do nekih zmernih pritiskov. Toda nad neko kriti?no to?ko so morali konstruktorji strojev sprejeti kompromis: ali ve?je trenje , ki ga ustvarja usnje pri bolj?em tesnjenju ali ve?je uhajanje pare.

Vulkanizirana guma je ponudila idealno re?itev tega problema. In?enirji so dobili material, ki so ga lahko oblikovali prosto in v kalupih do natan?nih oblik in dimenzij. Dobro je prena?al tudi velike deformacije pod te?kim tovorom in se hitro povrnil v prvotno stanje po obremenitvi. Vse to, skupaj z dobro trpe?nostjo, je zapolnilo kriti?ne zahteve po u?inkovitem tesnilnem sredstvu.

Nadaljnje eksperimente v predelovanju in raziskovanju gume je izvajal Thomas Hancock v Veliki Britaniji . Vulkanizacijo so razvili do te mere, da je postala stabilen proces.

Leta 1905 je George Oenslager odkril derivat anilina, tiokarbnilid, ki je lahko pospe?il reakcijo med ?veplom in kav?ukom. Tako je vulkanizacija trajala manj ?asa in zni?ala se je aktivacijska energija procesa. Pospe?evalci so povzro?ili vulkanizacijski proces veliko bolj zanesljiv in ponovljiv. V enem letu po tem odkritju je Oenslager na?el ?e veliko potencialnih akceleratorjev. Tako se je razvila znanost pospe?evalcev in zaviralcev. V kasnej?em stoletju so razni kemiki odkrili ?e ostale pospe?evalce, tako imenovane ultra-pospe?evalce, ki so ?e danes v uporabi za vulkanizacijo razli?nih izdelkov iz kav?uka.

Devulkanizacija [ uredi | uredi kodo ]

Industrija gume je raziskovala devulkanizacijo veliko ?asa. Glavna te?ava pri recikliranju gume je bila devulkanizacija, katere rezultat bi bile prvotne lastnosti surovega kav?uka. Proces devulkanizacije poteka tako, da zrnca gume segrevamo ali delujemo nanjo z meh?ali, da bi povrnili njene elasti?ne lastnosti, ki bi omogo?ili njeno ponovno uporabo. Nekaj poizkusnih procesov je doseglo razli?no stopnjo uspehov v laboratoriju, toda noben od njih se ni izkazal na komercialni ravni. Razli?ni procesi se razlikujejo tudi v stopnji vulkanizacije. Uporaba drobnozrnate gume in povr?inskega procesa devulkanizacije bo veliko doprinesel izdelku, ki bo imel nekaj za?elenih kvalitet nereciklirane gume. Po navadi devulkanizacijski postopki niso prinesli pravih rezultatov devulkanizacije, ali niso dosegli konstantne kvalitete izdelka, ali pa so imeli neupravi?eno visoko ceno. Proces recikla?e se za?ne z zbiranjem in razrezovanjem zavr?enih avtomobilskih pnevmatik. Tako dobijo iz kosov zrnat gumast material, ki se mu odstranijo jeklena in oja?itvena vlakna. Po drugem mletju nastane gumast prah, ki je pripravljen za predelavo. Nadaljnji industrijski proizvodni postopek predelave tega materiala ni znan ?ir?i javnosti, ampak samo dolo?enim osebjem, ki se s tem ukvarjajo.

V tem postopku recikla?e, se devulkanizacija za?ne z razpadom ?veplovih verig, ki s tem omogo?ijo novo formacijo zamre?enja. Razvila sta se dva glavna procesa za recikliranje gume: spremenjen oljni proces in vodno-oljni proces. Vsakemu od teh procesov sta dodana olje in regenerator, ki regenerira gumijast prah, ki je bil izpostavljen visokim temperaturam in pritiskom od 5 do 12 ur v posebni opremi, ki zahteva ?e dodatno obse?no kasnej?e procesiranje. Tako pridobljen kav?uk ima spremenjene lastnosti in je neprimeren za uporabo v mnogo primerih, tudi za avtomobilske pnevmatike. Po navadi ti devulkanizacijski procesi niso dobili ?elenih rezultatov devulkanizacije, niso dosegali stalne kakovosti ali pa so bili nespremenljivo dragi. Sredi devetdesetih so raziskovalci Raziskovalnega in?tituta Guangzhou za obnovljive vire (Guangzhou Research Institute for the Utilization of Reusable Resources) na Kitajskem patentirali metodo za pridobivanje in devulkanizacijo reciklirane gume. Njihova tehnologija, znana tudi kot AMR-proces (AMR Process), bi naj proizvedla nov polimer s konstantnimi lastnostmi, ki so podobne tistim, ki jih imata umetni in naravni kav?uk, in s pomembno manj potencialnimi stro?ki.

AMR proces izkori??a lastnosti molekul vulkaniziranega gumijastega prahu v zvezi z aktivatorjem in akceleratorjem, ki reagirata homogeno z gumijastimi delci. Kemijska reakcija, ki ste?e med me?anjem, olaj?a razpad ?veplovih molekul (vezi), kar omogo?i lastnosti, ki so podobne tako naravnemu kot sinteti?nem kav?uku. Recikliranemu gumijastemu prahu se doda me?anica kemijskih primesi. To vse traja v me?alcu pribli?no 5 minut, nakar prah ohlajajo in ga na koncu pakirajo. Lastniki AMR-licence prav tako zatrjujejo, da pri AMR-postopku ni nobenih strupenih stranskih produktov, ki bi bili obremenjevali okolje. Tako dobljen kav?uk se lahko spet me?a in obdeluje, da dobi zahtevane lastnosti. Dru?ba, ki ima trenutno severnoameri?ko licenco za AMR-proces, Rebound Rubber Copr., je postavila tovarno za predelavo gume v mestu Daytona, Ohio. V tovarno spadata tudi raziskovalni laboratorij in laboratorij za nadzor kakovosti. Podjetje ustanovljeno leta 1991, odkupuje odpadne avtomobilske gume in jih predeluje v razne polizdelke in izdelke za kmetijske in industrijske potrebe. Kon?ni produkti iz gumijastih zrnc oziroma prahu so gumijast asfalt, zamenjava za pesek na otro?kih igri??ih itd. Patentirali so tudi gumijast material na valjih za pokrivanje streh. [1]

Statisi?ni podatki [ uredi | uredi kodo ]

Ne glede na to, ali bo proces AMR do?ivel uspeh na tr?i??u, je trg s potrebami po kav?uku (naravnem in umetnem) ogromen. Samo Severna Amerika ga porabi letno pribli?no 4,5 milijonov ton. Avtomobilska industrija porabi pribli?no 79 procentov naravnega in 57 odstotkov umetnega kav?uka. Do danes recikliran kav?uk ?e ni bil uporabljen kot zamenjava umetnemu v omembe vredni koli?ini, po navadi zato ker recikliran kav?uk ?e ne dosega ?elenih lastnosti, ki bi jih industrija ?elela. Odpadne gume so najve?ji vidni odpadni produkt, ki je narejen iz gume. Ocenjuje se, da Severna Amerika proizvede pribli?no 300 milijonov odpadnih gum letno. ZDA , Evropska unija , Vzhodna Evropa , Latinska Amerika , Japonska in Bli?nji vzhod skupaj proizvedejo po neuradnih podatkih milijardo gum na leto. Po ocenah, koliko gum je na svetu, jih je samo v Evropi 3 milijarde, v Ameriki pa kar 6 milijard.

Viri [ uredi | uredi kodo ]

• Veliki splo?ni leksikon, DZS, Ljubljana 1998
• Dr. Edvard Kobal: Kemija za vedo?eljne, DZS, Ljubljana 1994
• W. Schroter, K. in H. Lautenschlager, H. Bibrack, A. Schnabel: Kemija- splo?ni priro?nik

1. ↑ ≫Summer Institute in Materials Science and Material Culture - Module: Rubber Processing in Ancient Mesoamerica≪ . web.mit.edu . Pridobljeno 27. junija 2023 .