Przegląd najważniejszych elastomerów

Pojęcie ''kauczuk'' jest starsze niż ''elastomer''. Miało ono początkowo służyć do opisywania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych o właściwościach zbliżonych do kauczuku naturalnego pozyskiwanego z drzewa Hevea brasiliensis.

W swoich wcześniejszych artykułach związanych z przeglądem polimerów omówiłem dwie grupy surowców - tworzywa termoplastyczne i elastomery termoplastyczne. Niniejszy tekst chciałbym poświęcić klasycznym elastomerom (kauczukom). Żeby doprecyzować stosowaną terminologię, przytoczę na początek dwie definicje - elastomeru i kauczuku.

Według normy PN-ISO 1382:2017-06 ''Guma - terminologia'' elastomerami nazywamy substancje wielkocząsteczkowe, które pod działaniem niewielkiego naprężenia ulegają znacznemu odkształceniu, a po usunięciu naprężenia szybko powracają do początkowych, w przybliżeniu, wymiarów i kształtów. Kauczukami zaś nazywamy elastomery, które mogą być (lub już są) zmodyfikowane do takiego stanu, w którym stają się prawie nierozpuszczalne (lecz mogą pęcznieć) we wrzącym rozpuszczalniku, takim jak: benzen, metyloetyloketon (MEK) i mieszanina azeotropowa etanolu i toluenu. Kauczuki w stanie zmodyfikowanym nie dają się łatwo ponownie formować do uzyskania trwałego kształtu podczas ogrzewania i zastosowania umiarkowanego ciśnienia.

Pojęcie ''kauczuk'' jest starsze niż ''elastomer''. Miało ono początkowo służyć do opisywania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych o właściwościach zbliżonych do kauczuku naturalnego pozyskiwanego z drzewa Hevea brasiliensis. W wyniku sieciowania (wulkanizacji) elastomerów otrzymuje się gumę, która charakteryzuje się wysoką elastycznością w szerokim zakresie temperatury. Wraz z jej wzrostem usieciowane elastomery zazwyczaj nie przechodzą w stan plastyczny, lecz ulegają rozkładowi.

Elastomery znajdują zastosowanie głównie w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji opon i dętek. Ponadto służą do wyrobu uszczelek, dywaników podłogowych, nakładek na pedały, węży, rur, tulei oraz elementów gumowo-metalowych - rolek i wałków. Wytwarza się z nich także obuwie, wyroby przemysłowe (pasy transmisyjne, taśmy przenośnikowe), elementy budowlane (lepiszcza, uszczelnienia, rury), wyroby tekstylne (pokrowce ochronne, maty) i inne produkty konsumenckie (artykuły AGD, sprzęt sportowy).

Oczekuje się, że średnia roczna stopa wzrostu (ang. compound annual growth rate, CAGR) światowego rynku wyrobów gumowych wyniesie w tym roku 9%, a jego wartość wzrośnie z 327 do ok. 360 mld dolarów.

W zależności od przeznaczenia i udziału w światowym rynku, możemy podzielić elastomery na trzy grupy:

a) elastomery ogólnego przeznaczenia, wielkotonażowe, znajdujące zastosowanie do produkcji opon i większości wyrobów gumowych: kauczuk naturalny, poliizopren, polibutadien, kopolimery butadienowo-styrenowe

b) elastomery specjalne, średniotonażowe, do produkcji technicznych artykułów gumowych: polichloropren, kopolimery izobutenu z izoprenem, kopolimery butadienu z nitrylem kwasu akrylowego, kopolimery etylenowo-propylenowe i terpolimery etylenowo-propylenowo-dienowe

c) elastomery specjalne, niskotonażowe: elastomery uretanowe, elastomery akrylowe, silikony, fluoroelastomery, chlorosulfonowany polietylen i inne.

Szczegółowe klasyfikacje elastomerów zawierają m.in. normy ASTM D2000-18, SIS-ISO/TR 17051:2020, w których surowce te zostały podzielone na grupy według właściwości i obszarów zastosowań. Ułatwiają one komunikację pomiędzy dostawcami i producentami oraz dobór odpowiednich materiałów do produkcji.

Przeglądu elastomerów nie sposób rozpocząć inaczej, jak tylko od informacji o kauczuku naturalnym (NR). Był on najwcześniej poznanym elastomerem. Eksperymenty Charlesa Goodyeara i Thomasa Hancocka z NR i siarką doprowadziły do odkrycia procesu wulkanizacji i zapoczątkowały rozwój przemysłu gumowego. Obecnie produkcja kauczuku naturalnego pokrywa ok. 1/3 światowego zapotrzebowania na elastomery i jest on standardem, według którego oceniane są elastomery syntetyczne.

Kauczuk naturalny

Od strony chemicznej, kauczuk naturalny to cis-1,4-poliizopren z niewielką domieszką (6-7%) protein, węglowodanów, żywic, soli mineralnych i kwasów tłuszczowych. Wydziela się go z soku mlecznego, tzw. lateksu, zbieranego z kauczukowców brazylijskich (Hevea brasiliensis) - drzew uprawianych na plantacjach w wilgotnym, tropikalnym klimacie. Największymi producentami kauczuku naturalnego są Tajlandia, Indonezja, Malezja i Indie. Pozyskiwany lateks jest oczyszczany i stabilizowany, a następnie koagulowany, suszony i poddawany formowaniu do postaci handlowej (płyty, krepa). W zależności od obróbki otrzymuje się różne odmiany i gatunki NR.

Jednym z najbardziej znanych systemów klasyfikacji kauczuku naturalnego jest system SMR - Standard Malaysian Rubber, używany od 1965 r. System SMR zapewnia jednorodność, czystość i odpowiedni wygląd dostarczanego surowca oraz standaryzuje wymagania odnośnie do transportu, przetwarzania i magazynowania. Ze względu na regularną strukturę kauczuk naturalny krystalizuje przy rozciąganiu lub przy przechowywaniu w temperaturze poniżej 20°C (szybkość krystalizacji zmienia się w zależności od temperatury i gatunku NR). Dlatego też przed użyciem do produkcji poddaje się go dekrystalizacji i wstępnemu uplastycznieniu, czym różni się od wielu kauczuków syntetycznych.

Kauczuk naturalny można modyfikować zarówno metodami fizycznymi, jak i chemicznymi. Metody fizyczne polegają na wprowadzeniu do NR oleju aromatycznego lub naftenowego (OENR), zmieszaniu NR z poliolefinami (PE, PP), oczyszczeniu NR z protein i składników mineralnych. Modyfikacje chemiczne kauczuku naturalnego polegają na przyłączeniu do głównego łańcucha polimerowego grup funkcyjnych lub wprowadzeniu pobocznych polimerów wzdłuż makrocząsteczki. I tak np. w wyniku działania soli hydroksyloaminy otrzymuje się kauczuk naturalny o stałej lepkości (CV), a poprzez polimeryzację metakrylanu metylu lub styrenu w lateksie - odpowiednie kopolimery. W reakcji z kwasem mrówkowym z lateksu produkowany jest epoksydowany kauczuk naturalny (ENR), o wyższej odporności na działanie olejów węglowodorowych w stosunku do kauczuku naturalnego.

Wulkanizaty kauczuku naturalnego charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, w tym odpornością na ścieranie, odpornością na niskie temperatury oraz dobrą kleistością konfekcyjną. Przeciwwskazaniem do ich stosowania jest niska odporność na czynniki atmosferyczne i ozon (tlen jest uważany za najsilniejszy czynnik degradujący NR); ograniczona odporność na wysokie temperatury (krótkotrwała maksymalna temperatura 100°C); niska odporność na rozpuszczalniki organiczne – oleje i paliwa (pęcznienie); niska odporność na kwasy i wodorotlenki o wysokim stężeniu.

Zastosowania:

• opony (60–70%)
• uszczelnienia, amortyzatory, wykładziny antykorozyjne, przenośniki taśmowe i pasy klinowe
• wyroby gumowo-metalowe - pokrycia rolek, wałków, tuleje
• produkcja klejów
• przemysł obuwniczy
• wyroby lateksowe.