Hogyan erősíti a vulkanizálás a gumit? Kémia és történelem

Hogyan erősíti a vulkanizálás a gumit? Kémia és történelem

Ahhoz, hogy a kérdésre a választ megkapjuk, mindenképpen meg kell vizsgálnunk mind a történelmi mind a kémiai szempontot.

Egy kis történelem

A gumit először európai felfedezők figyelték meg az 1520-as években, Dél-Amerikában, azonban csak az 1600-as években kezdtek el nagyobb figyelmet fordítani rá. 1750-ben behozták Európába is, hogy kísérletezzenek vele. Az őshonos olmecekről ismert volt, hogy a hevea brasiliensis nevű gumifából kifőzött folyadék és szőlőlé kombinációjából készült rugalmas és vízálló anyagot használták körülbelül 3000 évig ruhák korrekciójához. Ezen tárgyakkal és a gumi labdákkal (amiket az európaiak vizsgáltak) készült el a „radír” ami nem volt igazán kezelésnek alávetve, viszont hő hatására meglágyult, illetve hideg hatására megkeményedett. Az első alkalmazása ennek az anyagnak – amikor elkezdték Európába importálni – az volt, hogy eltávolítsák az ólomvégű ceruzákkal rajzolt jelzéseket a térképekről, tengerészeti térképekről. Így kaphatta a „radír” nevet, amely később indiai radírként volt említve. Rájöttek arra is, hogy a gumi vízszigetelő tulajdonsága rendkívül hasznos, ezért az 1820-as években Charles Mackintosh Thomas Hancock-kal együtt finomította az ősi olmec folyamatot a gumi aprításával és benzolban való oldásával. Ezt követően hevítéssel létrehozták a gumileplet, illetve a híres Mackintosh-i vízálló. Ez a szövet azonban továbbra is túl merevnek bizonyult hidegben és megpuhult hő hatására, ezért azon dolgoztak, hogy ezen problémákra megoldást találjanak. Ezzel párhuzamosan az amerikai egyesült államokbeli Charles Goodyear, aki szintén évek óta próbálkozott a gumi felhasználásának tanulmányozásával, mintákat küldött az európai kutatóknak.

A massachusettsi szélsőségesebb időjárás miatt a keményítetlen természetes kaucsuk gyenge hőstabilitása nagy problémát jelentett a ruhagyártók számára, ezért egy helyi vízálló anyaggyártó arra kérte Charles Goodyear-t, hogy találja meg a gumi hőstabilizálásának módját, viszont annak ellenére, hogy Hayward korábbi munkájára építve a napszárító, szolarizálásnak nevezett kénoldattal kezelt gumit használta, a siker elkerülte. A sikertelensége mindaddig tartott, míg egy napon – vélhetően – véletlenül nem ejtett egy kén és fehér ólommal átitatott, gumiból készült szövetlapot egy forró tűzhelyre. Döbbenten figyelte, ahogyan a gumi olvadás helyett egy állandó rugalmas, szilárd halmazállapotra keményedett, és a szélsőséges hőhatások sokkal kevésbé érintették, mint korábban. További kísérletei megerősítették, hogy az egyesített gumi és kén nyomás alatt gőzkemencébe helyezve stabil mechanikai tulajdonságú anyaggá keményedik. Sajnos ezek a kísérletek nagyon sokba kerültek, ezért mintákat küldött Hancock-nak és Mackintosh-nak, abban a reményben, hogy pénzt keres a nagyobb európai piacon. Mackintosh elemezte a mintákat, és megállapította, hogy a kén a kulcsa a folyamatnak, majd gyorsan megismételte és továbbfejlesztette Goodyear munkáját, és brit szabadalom alá helyeztette még az előtt, hogy Goodyear reagálhatott volna. Mackintosh a folyamatot vulkanizációnak nevezte el, Vulcanusról, a római Tűz istenéről, és bár Goodyear 1860-ban nincstelenül halt meg, gyermekei az amerikai szabadalomból származó bevételeknek köszönhetően igen meggazdagodtak, és az Egyesült Államok gumitársaságai a Goodyear nevet kapták. Mackintosh és Hancock karöltve fejlesztette tovább a folyamatot, melynek célja az volt, hogy vulkanizált varratokat készítsenek vízálló, hőstabil ruhákhoz. Ezek a termékek később Macks néven váltak ismertté.

Egy kis kémia

Mi tehát az a kémiai folyamat, amelyet a Goodyear véletlenül fedezett fel, és amely a Mackintosh jóvoltából vulkanizáció néven vált ismertté?

Visszatérve az eredeti gumifához: a fáról leütött természetes latex nedv sok izoprénmolekulát tartalmaz, így amikor a latex kiszárad, az izoprénmolekulák szorosabban tömörülnek egymás mellett: az egyik molekula megtámadja a szén-szén kettős kötést, a kettős kötés megszakad és az elektronok megreformálódva új kötést hoznak létre a két izoprén molekula között, ezzel monomerré válva. Ez a folyamat mindaddig folytatódik, amíg sok izoprén molekula össze nem kapcsolódik, és a bennük rejlő szerkezet nem homogén klasztereket, hanem hosszú szálakat vagy monomerek láncait hozza létre. Az ilyen monomerek ismétlődő láncait tartalmazó anyagokat polimereknek nevezzük, amelyek egyike a természetes kaucsuk. Az izoprén ezen monomerláncainak aggregációját poliizoprénnek, formális polimernek nevezzük. A poliizoprén szálak elektrosztatikus kötések kialakításával ragadnak össze, amelyek lehetővé teszik, hogy a szálak egymáshoz képest mozogjanak húzáskor, és ellazulva térjenek vissza eredeti állapotukba.

Hogyan vulkanizálják a gumit, ha poliizoprén állapotában már van egy bizonyos természetes rugalmassága?

Amit Goodyear felfedezett, az az volt, hogy a kén megfelelő hőmérsékleti és nyomási körülmények között milyen hatással van a gumi szerkezetére. A vulkanizálási körülmények között bekövetkező kémiai folyamat közben az alkalmazott hő és nyomás lehetővé teszi, hogy a jelenlévő kénatomok megtámadják az izoprénszálakban lévő szénatomok kettős kötéseit és hozzájuk kötődjenek. Mivel a kénatomok önmagukhoz is kötődhetnek, ezek a „diszulfid” kötések elkezdik összekapcsolni a szomszédos izoprénszálakat, ezzel létrehozva az állandó keresztkötéseket. Ez a keresztkötés olyan hálószerű szerkezetet eredményez, amely stabilabb rugalmasságot biztosít, mint az elővulkanizációs kötések tisztán elektrosztatikus jellege, és miután létrejött, ezt a vulkanizált anyagot nem lehet könnyen szétbontani. Ebből adódik a „hőre keményedő” kifejezés, amely a gumi kémiai változásának állandó jellegét írja le, nem pedig azt, hogy egy hőre lágyuló anyag  képes megolvadni, majd új formát ölteni. A kén mennyisége határozza meg a kezelt termék keménységét, azonban más vegyi anyagok és töltőanyagok hozzáadása tovább javíthatja a kész gumitermék esetleges tulajdonságait. A Goodyear által évekkel ezelőtt kifejlesztett hagyományos kénkezelő rendszer csak a kezdete  volt annak, ami a különféle polimer családok széles választékává vált, beleértve a szintetikus anyagokat is, melyek számos gyógyhatású anyaggal, technológiai segédanyaggal és töltőanyaggal állnak kapcsolatban.

Ezeket végtelen sokféleképpen lehet kombinálni, hogy személyre szabott, egyedi teljesítményt hozzunk létre ebből a lenyűgöző anyagcsoportból, amelyet együttesen guminak nevezünk. Mindez azonban arra a véletlen eseményre vezethető vissza, hogy Goodyear aznap ott kísérletezett laboratóriumában, és próbálta csillapítani kíváncsiságát. Enélkül a véletlen esemény nélkül  soha nem történt volna meg annyi technológiai fejlődés, amelyet ma természetesnek veszünk.

Legközelebb, mikor weboldalunkon böngészi a termékkínálatunkat, jusson eszébe Charles Goodyear neve és az a véletlen kísérlet, melynek köszönhetően ma számtalan vulkanizált gumiból készült tömlővel és kiegészítővel szolgálhatjuk munkáját, legyen szó mezőgazdaságról, olajiparról, vagy élelmiszeriparról.

Kérdése van termékeinkkel kapcsolatban? Vegye fel velünk a kapcsolatot a kapcsolat menüpontban feltüntetett elérhetőségeink egyikén, vagy látogassa meg személyesen miskolci raktárunkat!