KAUCZUK – PIERWSZY ELASTOMER MASOWO WYKORZYSTYWANY W PRZEMYŚLE

Trudno wyobrazić sobie dzisiaj świat bez gumy. Produkty z tego surowca są tak powszechnie występujące w naszym życiu, że praktycznie przestaliśmy zwracać na nie uwagę. Wyobraźmy sobie, że guma nagle znika z powierzchni globu. Jakie byłyby tego konsekwencje? Przecież występuję ona powszechnie w maszynach, urządzeniach i przedmiotach – nie tylko tych z naszego otoczenia, ale również w tych, na których opiera się funkcjonowanie społeczeństwa i gospodarki. Medycyna, transport, automatyka, energetyka, gospodarka wodno-kanalizacyjna. Wszystkie te gałęzie przemysłu nie mogłyby istnieć bez tego pozornie mało istotnego surowca. Nie zdajemy sobie sprawy, jak wiele w życiu, które znamy zależy od elementów wykonanych z gumy. Przyjrzyjmy się zatem historii tego niezwykłego materiału.

Pierwszy elastomer

Wszystkie polimerowe tworzywa naturalne i sztuczne, nazywamy elastomerami. Cechuje je zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych bez naruszania ciągłości ich struktury. Rozciągane lub ściskane elastomery wracają do swoich poprzednich wy­miarów, co jest ich wyjątkową właściwością, która pozwala na ogrom potencjalnych zastosowań. Niektóre rodzaje gum cechują niebywałe wręcz parametry. Przykładem jest kauczuk silikonowy, który nie zrywa się nawet po rozciągnięciu go o tysiąc procent pierwotnych wymiarów. To właśnie owa zdolność do zmian wymiarów w szerokim zakresie sprawia, że gumy są tak praktyczne i masowo wykorzystywane w przemyśle.

Do elastomerów zaliczamy kauczuk naturalny oraz jego pochodne, a także kauczuk syntetyczny i elastomery ter­moplastyczne, czyli tworzywa mające właściwości zbliżone do kauczuków, ale ulegające topnieniu po ogrzaniu.

Ogólnym pojęciem najczęściej stosowanym w odniesieniu do elastycznych materiałów jest guma. Guma to w rzeczywistości gotowy produkt uzyskiwany z elastomerów. Jego głównym składnikiem jest kauczuk (naturalny lub syntetyczny albo ich odpowiednia mieszanka). Gumy dodatkowo posiadają inne składniki, takie jak: zmiękczacze, przeciwutleniacze, napełniacze, barwniki, substancje sieciujące, środki zmniejszające palność, aktywatory wulkanizacji, czy też środki zwiększające przyczepność do innych materiałów.

Kauczuk naturalny był pierwszym znanym ludzkości elastomerem, czyli surowcem o elastycznych właściwościach, który można było wykorzystać do wytwarzania produktów. Kauczuk naturalny pozyskuje się z roślin kauczukodajnych – głównie kauczukowca brazylijskiego (hevea brasiliensis). Uszkodzone tkanki rośliny wydzielają mleczko, które działa jak swoisty plaster – zasklepia uszkodzoną korę i chroni drzewo przed szkodnikami oraz pasożytami. Substancja ta, zwana lateksem naturalnym, to koloidalny roztwór naturalnego kauczuku (ok 36%), wody (ok. 60%) oraz białek żywic, soli mineralnych i cukrów.

Uwolniony lateks ulega koagulacji przez co staje się miękki i elastyczny. Kauczuk naturalny do celów handlowych pozyskuje się poprzez poddawanie lateksu procesowi odwirowywania lub odparowywania wody. Gotowy surowiec posiada jednolitą konsystencję i żółtą barwę. Jakość kauczuku można określić na podstawie jego koloru. Im lateks ciemniejszy, tym gorszej jest jakości.

Trudne początki

Zawrotna kariera elastomerów, która zrewolucjonizowała przemysł rozpoczęła się w XIX wieku. Jednak ich historia sięga znacznie odleglejszych czasów. Wszystko zaczęło się, gdy starożytni Indianie zauważyli białe mleczko wypływające z uszkodzonej kory drzew oraz jego ciekawe właściwości. Właśnie z owego mleczka, zwanego naturalnym lateksem, mieszkańcy dorzecza Amazonki pozyskiwali naturalny kauczuk, który wiele lat później miał zmienić świat.

Starożytni Indianie z terenów Ameryki Środkowej i Południowej odkryli i docenili wyjątkowe właściwości kauczuku, które wykorzystywali w codziennym życiu. Badania dowodzą, że Indianie wykonywali z kauczuku między innymi naczynia, kleje wykorzystywane w budownictwie, paski oraz okrągłe piłki, które dzięki swej elastyczności doskonale nadawały się do gier i zabaw. Świat zachodni zetknął się z nowym materiałem dopiero w latach 1492-1496 za sprawą drugiej wyprawy Kolumba.

Europejczycy nie poznali się jednak na kauczuku i potraktowali go raczej jako ciekawostkę, niż coś, co ma praktyczne zastosowanie. Wynikało to z tego, że surowy kauczuk był miękki i rozpadał się przy uderzeniu. Przybysze zza oceanu nie uznali go za materiał, który da się w jakiś praktyczny sposób wykorzystać. Dopiero dwieście lat później lateksem wydzielanym przez rośliny zainteresowali się europejscy botanicy, którzy stworzyli pierwsze naukowe opracowania na temat kauczukowca brazylijskiego. Pierwsze praktyczne wykorzystanie kauczuku na starym kontynencie nastąpiło w 1770 r, kiedy to Joseph Priestley stworzył z niego gumkę do ścierania. Naukowiec dokonał odkrycia nieoczekiwanie, kiedy to przypadkowo zobaczył, że kauczuk ściera ślady grafitu. Wtedy po raz pierwszy wprowadzono kauczuk do obrotu handlowego jako element materiałów piśmienniczych. Jako ciekawostkę można przytoczyć angielską nazwę kauczuku, czyli rubber, która pochodzi od słowa rub oznaczającego pocieranie.

Przyznać trzeba, że gumka do ścierania – produkt skądinąd praktyczny i powszechnie używany – to skromny początek materiału, który przecież wstrząsnął fundamentami przemysłu światowego. Takie jednak były początki kauczuku dla Europejczyków, którzy przez kolejne pół wieku nie odkryli dla niego lepszego zastosowania. Dopiero w 1823 r. Charles Macintosh opatentował płaszcz laminowany kauczukiem, który był pierwszym nieprzemakalnym elementem odzieży. Nowy produkt zyskał dużą popularność, jednak miał poważne wady. Gumowy płaszcz w zimne dni sztywniał, a przy upałach topił się i wydzielał nieprzyjemny, wręcz ohydny zapach. Owe wady kauczuku były powodem tego, że materiał nie mógł rozwinąć swojego przemysłowego potencjału.

Wszystko zmieniło się w 1839 r. Wtedy to Charles Goodyear odkrył proces wulkanizacji, w którym to podgrzewał lateks z dodatkiem siarki. Efektem był wytrzymały i elastyczny materiał, wolny od wad jakimi cechował się płaszcz Macintosha. Samo odkrycie procesu wulkanizacji, której nazwa pochodzi od imienia Wulkana, rzymskiego boga ognia, kowali i wulkanów, również było przypadkowe. Sam sposób w jaki Goodyear wpadł na swoje największe w życiu odkrycie nie jest do końca jasny, bowiem różne źródła podają różne informacje. Jedno z nich twierdzi, że Charles Goodyear przypadkowo upuścił na rozgrzany piec porcję gumy wymieszanej siarką. Sam wynalazca ponoć odcinał się od tego doniesienia i twierdził, że mieszankę gumy z siarką schował do rozpalonego pieca w obawie przed żoną, która miała już dość jego eksperymentów. Jakkolwiek wyglądała prawda w tym właśnie momencie otworzyły się przed kauczukiem drzwi do wielkiego przemysłu. Odkrycie Goodyeara zaowocowało później wynalezieniem opony. Uważa się, że właśnie wulkanizacja i opona to dwa wynalazki, które sprawiły, że kauczuk został powszechnie doceniony i wprowadzony do przemysłu na szeroką skalę doprowadzając to powstania rozwiązań, które zmieniły życie codzienne ludzi na całym świecie.

Wybuch popularności kauczuku sprawił, że gwałtownie wzrosło zapotrzebowanie na surowiec, który do tej pory pozyskiwany był jedynie z Brazylii, i to z dziko rosnących drzew. Dane mówią same za siebie – w latach 40. XIX wieku roczne zużycie kauczuku wynosiło 400 ton, a dziesięć lat później już 4000 ton. Władze Brazylii widząc szansę na ogromne zyski szybko podniosły cenę kauczuku. Do wręcz legendarnych rozmiarów urastają historie tzw. kauczukowych baronów, czyli właścicieli ziemskich, którzy dzięki swojemu interesowi żyli w ogromnym bogactwie i przepychu, a położone blisko kauczukowców małe wioski przekształcały się w duże miasta. Brazylijczycy dążyli do zachowania monopolu. Byli przecież jedynym dostawcą surowca na punkcie którego oszalał cały świat. Ponoć wprowadzili nawet zakaz wywozu nasion hewea brasiliensis z kraju pod groźbą kary śmierci, choć nie wiadomo czy to prawda, czy tylko legenda. Baronowie byli przekonani, że cudowne drzewa kauczukowe są wstanie rosnąć jedynie na ich ziemi. Dawało im to poczucie spokoju i zamiast udoskonalać proces produkcji, inwestować i rozwijać rynki woleli pławić się w bogactwie.

Pozyskiwany surowiec z dziko rosnących drzew przestał zaspokajać ciągle rosnący popyt, dlatego też 1876 r zaczęły powstawać w Brazylii nowe plantacje wyspecjalizowane w pozyskiwaniu mleczka lateksowego. Owo pozyskiwanie polegało na nacinaniu kory drzew codziennie o poranku. Nacięcie w kształcie litery V sprawiało, że mleczko spływało do umieszczonych poniżej naczyń, które pod koniec dnia były zbierane, a ich zawartość zlewana do naczyń zbiorczych. Zapędy monopolowe Brazylii nie powiodły się, bowiem już w 1876 r. niejaki Henry Wikham przemycił do Anglii 70 tyś nasion kauczukowca brazylijskiego – podobno w skórze aligatora. Za czyn ten przemytnik został wynagrodzony pieniędzmi i tytułem szlacheckim. Anglicy próbowali wyhodować drzewa kauczukowca, jednak było to trudniejsze niż przypuszczali. Z całej puli pozyskanych nasion wykiełkowało jedynie 10%. Klimat europejski zdecydowanie nie służył kauczukowcom. Cenne sadzonki wysłano zatem do brytyjskich kolonii w Azji, w których panował odpowiedniejszy klimat. W 1905 r przybył do Londynu pierwszy transport kauczuku z własnych plantacji. Od tej chwili to Wielka Brytania przejęła kontrolę nad rynkiem kauczukowym, a surowiec pochodzący z Azji zaczął dominować na światowych rynkach. W 1914 r. udział azjatyckich plantacji w globalnej produkcji kauczuku wynosił 60%, a w 1938 r już 97%. Rozpoczął się brytyjski monopol na cenny surowiec. Zakończyły go dopiero wojna i wynalezienie syntetycznego kauczuku.

Wojna o kauczuk

Stale wzrastające zapotrzebowanie na wyroby gumowe oraz monopol Wielkiej Brytanii na dostawy kauczuku naturalnego zaowocowały pracą nad syntetycznym odpowiednikiem tego surowca. W 1909 r. niemiecki zespół z laboratorium firmy Bayer, pracujący pod wodzą Fritza Hofmanna dokonał polimeryzacji izoprenu tworząc pierwszy syntetyczny odpowiednik kauczuku. Był to jednak produkt bardzo niedoskonały.

Podczas I wojny światowej zapotrzebowanie na wyroby z kauczuku w sferze militarnej gwałtownie wzrosło. Niemcy z tego powodu podjęli decyzję o rozpoczęciu masowej produkcji jego syntetycznego odpowiednika na szeroką skalę. Efekty ich prac były jednak tak mizerne, że po zakończeniu wojny szybko wrócono do stosowania naturalnego kauczuku.

O ile pierwsza wojna światowa nie zachwiała pozycją kauczuku naturalnego, o tyle II wojna światowa dramatycznie zmieniła układ sił na światowym rynku. W wyniku militarnych działań Japonia zajęła azjatyckie plantacje co sprawiło, że Japończycy przejęli kontrolę nad 95 procentami światowych zapasów kauczuku. W USA wybuchła panika. Był to ten moment, w którym mieszkańcy Ameryki uświadomili sobie, jak ogromną rolę – wydawałoby się niepozorna guma – odgrywa w światowej gospodarce. Do wybudowania każdego pojedynczego czołgu potrzebne było pół tony kauczuku. Również okręty wymagały dziesiątek tysięcy gumowych elementów. Kauczuk był potrzebny w każdej fabryce, w każdej bazie wojskowej i w każdym domu. A teraz praktycznie całość była w rękach Japonii. Kauczuk mógł zmienić losy wojny, a to kolejny dowód na to, jak istotny we współczesnym świecie jest ten surowiec. Po ataku na Pearl Harbor władze Stanów Zjednoczonych wprowadziły w całym kraju plan oszczędnościowy. We wszystkich miastach zarządzono akcję skupowania gumowych zabawek, ozdób oraz innych produktów, które przetwarzano na części zamienne dla wojska. Na drogach zaczął obowiązywać zakaz jazdy z prędkością większą niż 35 mil/h (56 km/h), aby zminimalizować zużycie opon. Mimo tych działań zapasy kauczuku kurczyły się w zastraszającym tempie, a losy wojny wisiały na włosku.

Nadzieję światu zachodniemu dali Rosjanie, którzy zaczęli uzyskiwać mleczko kauczukowe z mniszka lekarskiego, czyli pospolitego mlecza. Amerykanie w efekcie zaczęli masowo obsadzać pola we wszystkich swoich stanach. Dodatkowo naukowcy nieustannie pracowali nad udoskonaleniem syntetycznego kauczuku, który wtedy był jeszcze wynalazkiem świeżym i niedopracowanym. Gdyby się nie udało, Ameryka przegrałaby wojnę z Japonią. Na szczęście naukowcy udoskonalili syntetyczny kauczuk i byli w stanie sprostać zapotrzebowaniu armii. W efekcie USA wsparło Aliantów i przyczyniło się do zwycięstwa nad państwami Osi z nazistowskimi Niemcami i Japonią na czele.

Kauczuk syntetyczny

Współcześnie około 50 000 produktów różnego typu wytwarza się w oparciu o kauczuk naturalny. Większość tego surowca zużywa branża oponiarska (70%) i obuwnicza (6%). Z naturalnego kauczuku wytwarzane są takie różnorodne produkty jak ubiory impregnowane, gumowe wężyki, pasy transmisyjne, uszczelki, sprzęt sportowy czy artykuły gospodarstwa domowego. Mimo, że ten naturalny surowiec z powodzeniem stosuje się po dziś dzień, to wytworzenie jego syntetycznego zamiennika było tylko kwestią czasu.

Produkcja kauczuku, podobnie jak innych naturalnych surowców, ograniczona jest czynnikami naturalnymi. Susze, huragany, czy ataki szkodników wpływają na wielkość zbiorów oraz ceny. Również sytuacja geopolityczna odciskała swoje pięto na branży. Wszystko to sprawiło, że podjęto próby stworzenia kauczuku syntetycz­nego. Udało się w 1929 r. gdy dzięki polimeryzacji emulsyjnej uzyskano sztuczny lateks.

Kauczuk syntetyczny wytwarza się na bazie surowców petrochemicznych, zatem najczęściej produkowany jest przez koncerny branży naftowej i oponiarskiej. Jako ciekawostkę warto zaznaczyć, że trzecia na świecie fabryka kauczuku syntetycznego (po Niemczech i Związku Radzieckim) powstała w Polsce. Stało się to w 1938 r w Dębicy, gdzie uruchomiono Zakłady Chemiczne „Dębica” SA. Fabryka produkowała na szeroką skalę materiał o nazwie KER, czyli pierwszy polski syntetyczny kauczuk, który po raz pierwszy otrzymano w 1935 r.

Kauczuk syntetyczny zwykle otrzymuje się poprzez polimeryzację monomerów dienowych (izoprenu, butadienu, chloroprenu), przez kopolimeryzację ich z innymi monomerami (styrenem, akrylonitrylem, izobutenem). Kauczuki syntetyczne dzieli się najczęściej na dwie grupy:

1. Ogólnego przeznaczenia – ich zadaniem jest zastąpienie kauczuku naturalnego w procesie produkcji,
2. Specjalne – posiadające odpowiednie właściwości, np.: odporne na działanie olejów, paliw i rozpuszczalników, stabilne termicznie, niepalne lub trudnopalne czy o dużej adhezji.

Do pierwszej grupy kauczuków syntetycznych ogólnego przeznaczenia zaliczamy:

• kauczuk butadienowo-styrenowy,
• kauczuki butadienowe,
• kauczuki etylenowo-propylenowe,
• kauczuk izoprenowy (posiadający prawie identyczne właściwości co kauczuk naturalny).

Do drugiej grupy należą np.:

• kauczuk chloroprenowy,
• kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy,
• kauczuki fluorowe,
• kauczuk uretanowy.

Sekret Indian

Jak to się stało, że Indianie już cztery tysiące lat przed wynalezieniem procesu wulkanizacji potrafili wytwarzać solidne przedmioty z gumy? Europejczycy przez czterysta lat od zetknięcia się z tym surowcem nie byli w stanie odkryć potencjału kauczuku. Wygląda na to, że starożytni Indianie znali sekret manipulowania mechanicznymi właściwościami gumy. Niestety całą ich wiedza zginęła wraz z upadkiem ich cywilizacji.

Indiański sekret manipulacji gumą odkryto dopiero w 1999 r. za sprawą badań prof. Dorothy Hosler, Sandry Burkett i Michaela Tarkaniana z Massachusetts Institute of Technology. Naukowcy odkryli, że sekretem było łączenie lateksu z sokami innych roślin. Żmudne wertowanie opisów pierwszych podróżników i konkwistadorów, badania artefaktów i analiza podeń oraz lokalnych legend w efekcie doprowadziły do odtworzenia starożytnych receptur.

Indianie doskonale opanowali sztukę manipulacji kauczukiem do tego stopnia, że potrafili uzyskiwać gumę o właściwościach dostosowanych do własnych, konkretnych potrzeb. Naukowcy z Massachusetts odkryli, że mieszkańcy Ameryki Południowej dodawali do mleczka lateksowego sok z wilca białego (Ipomoea alba). Manipulacja proporcjami skutkowała zmianą właściwości gumy. Dla przykładu, wytworzenie piłki do gry wymagało gumy o wysokiej sprężystości, którą gwarantowało wymieszanie lateksu z sokiem z wilca w proporcji 1 do 1. Proporcje 1 do 3 pozwalały wytworzyć gumę o dużej odporności na ścieranie, która służyła Indianom np. do wytwarzania zelówek. Inne proporcje lateksu i soku z wilca stosowane były przy wyrabianiu spoiw czy wyrobu elastycznych pasków.

Guma

Materiały i przedmioty z naszego otoczenia, które dobrze znamy i na co dzień wykorzystujemy najczęściej nazywamy po prostu gumą. Wiemy już, że guma to gotowy produkt, którego składnikiem są elastomery oraz substancje dodatkowe.

Większość wyrobów gumowych wytwarza się w następujący sposób:

1. Przygotowanie surowca bazowego, czyli kauczuku (naturalnego, syntetycznego lub ich kombinacji),
2. Sporządzenie tzw. „mieszanki gumowej”, czyli dodanie do uplastycznionego kauczuku dodatkowych składników (np. sadzy jako napełniacza, fenolu jako przeciwutleniacza, siarki jako substancji sieciującej, barwników, pigmentów itp.),
3. Przygotowywanie półwyrobów, czyli wyciąganie płyt, wytłaczanie kształtek, gumowanie tkanin,
4. Cięcie półwyrobów na części, które będą wchodziły w skład gotowych wyrobów,
5. Scalanie gotowych w wyrobów z części składowych (tzw, konfekcjonowanie),
6. Wulkanizacja, czyli najczęściej ogrzewanie wyrobów w temperaturze 140-200°C pod odpowiednim ciśnieniem i przez określony czas,
7. Wykańczanie, czyli odcinanie wylewów, malowanie wyrobów itd.

Dobór odpowiednich składników mieszanki gumowej decyduje o final­nych właściwościach gotowych wyrobów gumowych. Łączenie odpowied­nich surowców i dodatków sprawia, że możemy otrzymywać gumy o przykładowych właściwościach:

• odporne na niskie lub wysokie temperatury,
• odporne na działanie olejów, materiałów pędnych, czy rozpuszczalników,
• posiadające cechy wymagane od materiałów dopuszczalnych do stosowania w przemyśle spożywczym czy medycznym.

Guma jest jednym z najważniejszych materiałów stosowanych w przemyśle. Posiada kluczowe znaczenie w przemyśle samochodowym, lotniczym, chemicznym, maszynowym oraz w wielu innych. Kauczuk służył ludziom od starożytności. Najpierw ujarzmiony przez Indian, później zapomniany i niezrozumiany odrodził się po setkach lat by dziś stanowić fundament naszego przemysłu