Gummikemi
Gummikemi är komplext och utgör själva basen till att i slutänden kunna vulkanisera gummi. I detta kapitel ges en övergripande beskrivning av gummikemi, de olika blocken som det består av samt dess inverkan på slutresultatet.
En polymer benämns vanligen med förstavelsen "poly" följd av monomerens namn. Av monomeren kloropren erhålls således polymeren polykloropren. Detta beteckningssätt används framför allt när man vill beskriva polymermolekylens kemiska uppbyggnad. De i praktiken använda gummimaterialen innehåller, förutom polymerer, även varierande mängder tillsatsämnen. För dessa sammansatta material föredrar man att använda en benämning som består av monomerens namn plus efterstavelsen "gummi". Med polymeren polykloropren erhålls exempelvis ett gummimaterial som benäms kloroprengummi.
Nedan kan ni fördjupa er i råvaror, tvärbindning och vlkanisering som utgör byggstenarna i gummikemi.
En polymer benämns vanligen med förstavelsen "poly" följd av monomerens namn. Av monomeren kloropren erhålls således polymeren polykloropren. Detta beteckningssätt används framför allt när man vill beskriva polymermolekylens kemiska uppbyggnad. De i praktiken använda gummimaterialen innehåller, förutom polymerer, även varierande mängder tillsatsämnen. För dessa sammansatta material föredrar man att använda en benämning som består av monomerens namn plus efterstavelsen "gummi". Med polymeren polykloropren erhålls exempelvis ett gummimaterial som benäms kloroprengummi.
Nedan kan ni fördjupa er i råvaror, tvärbindning och vlkanisering som utgör byggstenarna i gummikemi.
Råvaror
Råvaror
Monomerer och därmed också polymerer är vanligen organiska föreningar, dvs baserade på kol. Råvarorna till monomererna måste således utgöras av ämnen som innehåller kol i någon form. De viktigaste är petroleum och kol.
Vid raffinaderier destilleras råoljan, varvid man bland annat får en produkt som kallas nafta. Denna nafta är utgångsprodukten för en stor del av den kemiska industrin.
Polymerisation
Vid polymerisation sammanfogas små molekyler (monomerer) till stora molekyler (polymerer). Polymerisationsreaktionerna kan indelas efter olika grunder. Vanligast är indelning efter reaktionsmekanism. Därvid kan två huvudgrupper, kedjepolymerisation och stegvis polymerisation urskiljas.
Kedjepolymerisation
Vid kedjepolymerisation sker reaktionen vanligen genom addition av monomermolekyler till växande kedjor, utan att biprodukter bildas (poly-addition).
Sampolymerisation
Ovan har endast behandlats polymerer som bildats av en enda monomer, så kallad homopolymerer. Emellertid är det inte ovanligt att polymerer vid kedjepolymerisation bildas av två eller flera monomerer, s k sampolymerer. Detta gäller särskilt gummipolymerer. Sålunda är den vanligaste gummitypen SBR, en sampolymer av styren och butadien. I vissa fall kan mer än två monomerer sampolymeriseras, till exempel gummipolymeren EPDM, som är en sampolymer av eten, propen och en dien.
Stegvis polymerisation
Stegvis polymerisation innebär vanligen att två olika funktionella grupper reagerar med varandra under avspaltning av ett lågmolekylärt ämne såsom vatten. Vid stegvis polymerisation kan jämsides med polymerisationen en tvärbindning ske, så att ett tredimensionellt nätverk bildas.
Molekylstruktur
Polymermolekyler är sällan helt linjära, utan är ofta mer eller mindre förgrenade. Kedjorna kan vara av mycket olika längd. Förgreningsgraden kan ha stor betydelse för polymerens egenskaper, då den bland annat påverkar krafterna mellan molekylerna.
Molekylvikt
Molekylvikten hos en polymer är vanligtvis mycket hög, då den ju är sammansatt av ett mycket stort antal merer. Den så kallade polymerisationsgraden anger hur många merer som är hopkopplade. Om vi tar (poly)isopren (monomerens molekylvikt = 68) som exempel, så har en polymer med polymerisationsgraden 10 000 en molekylvikt på 68 x 10 000 = 68 000. De flesta polymerer, användbara som plaster, gummin och fibrer har molekylvikter mellan 10 000 och 1 000 000.
Monomerer och därmed också polymerer är vanligen organiska föreningar, dvs baserade på kol. Råvarorna till monomererna måste således utgöras av ämnen som innehåller kol i någon form. De viktigaste är petroleum och kol.
Vid raffinaderier destilleras råoljan, varvid man bland annat får en produkt som kallas nafta. Denna nafta är utgångsprodukten för en stor del av den kemiska industrin.
Polymerisation
Vid polymerisation sammanfogas små molekyler (monomerer) till stora molekyler (polymerer). Polymerisationsreaktionerna kan indelas efter olika grunder. Vanligast är indelning efter reaktionsmekanism. Därvid kan två huvudgrupper, kedjepolymerisation och stegvis polymerisation urskiljas.
Kedjepolymerisation
Vid kedjepolymerisation sker reaktionen vanligen genom addition av monomermolekyler till växande kedjor, utan att biprodukter bildas (poly-addition).
Sampolymerisation
Ovan har endast behandlats polymerer som bildats av en enda monomer, så kallad homopolymerer. Emellertid är det inte ovanligt att polymerer vid kedjepolymerisation bildas av två eller flera monomerer, s k sampolymerer. Detta gäller särskilt gummipolymerer. Sålunda är den vanligaste gummitypen SBR, en sampolymer av styren och butadien. I vissa fall kan mer än två monomerer sampolymeriseras, till exempel gummipolymeren EPDM, som är en sampolymer av eten, propen och en dien.
Stegvis polymerisation
Stegvis polymerisation innebär vanligen att två olika funktionella grupper reagerar med varandra under avspaltning av ett lågmolekylärt ämne såsom vatten. Vid stegvis polymerisation kan jämsides med polymerisationen en tvärbindning ske, så att ett tredimensionellt nätverk bildas.
Molekylstruktur
Polymermolekyler är sällan helt linjära, utan är ofta mer eller mindre förgrenade. Kedjorna kan vara av mycket olika längd. Förgreningsgraden kan ha stor betydelse för polymerens egenskaper, då den bland annat påverkar krafterna mellan molekylerna.
Molekylvikt
Molekylvikten hos en polymer är vanligtvis mycket hög, då den ju är sammansatt av ett mycket stort antal merer. Den så kallade polymerisationsgraden anger hur många merer som är hopkopplade. Om vi tar (poly)isopren (monomerens molekylvikt = 68) som exempel, så har en polymer med polymerisationsgraden 10 000 en molekylvikt på 68 x 10 000 = 68 000. De flesta polymerer, användbara som plaster, gummin och fibrer har molekylvikter mellan 10 000 och 1 000 000.
Tvärbindning
Tvärbindning innebär att polymermolekylernas kedjor knyts samman i flera punkter till ett tredimensionellt nätverk. Syftet med tvärbindning är primärt att hindra molekylkedjorna vid deformation att glida över varandra, dvs att öka polymermaterialens elasticitet och minska deras plasticitet eller viskösa deformation. Tvärbindning används huvudsakligen för gummi och härdplaster, men förekommer i begränsad omfattning även för modifiering av termoplaster och fibermaterial.
Effekterna av tvärbindningarna kan i korthet sammanfattas på följande sätt:
1. Som redan nämnts, hindrar tvärbindningarna molekylkedjorna att vid belastning glida över varandra, dvs materialets elastiska deformation ökar och dess plastiska eller viskösa deformation minskar. Detta gäller även vid långtidsbelastning, varför således tvärbindning reducerar tendenser till krypning och relaxation.
2. Med stigande antal tvärbindningar, det vill säga vid ökande bindningstäthet minskar molekylernas rörlighet efter hand. Detta medför att hårdhet och styvhet ökar.
3. Med stigande antal tvärbindningar minskar polymerens löslighet i lösningsmedel. Över en viss tvärbindningstäthet blir polymeren olöslig. Den sväller emellertid fortfarande, men svällningen minskar med stigande tvärbindningstäthet.
4. Genomsläpplighet för vätskor och gaser minskar med stigande tvärbindningstäthet.
5. Mekanisk dämpning minskar med stigande tvärbindningstäthet.
6. Utmattningsegenskaperna försämras med stigande tvärbindningstäthet.
7. Samtidigt som hårdhet och styvhet ökar med stigande tvärbindningstäthet, minskar materialets töjbarhet eller brottöjning.
Kemisk tvärbindning av linjära polymerer
I ett stort antal fall, särskilt när det gäller gummipolymerer, föredrar man att bygga upp molekylstrukturen i två steg. I det första steget, vilket vanligen genomförs i den kemiska industrin, tillverkas en i huvudsak linjär polymer. Denna är plastiskt formbar vid måttlig uppvärmning. Efter formningen, som vanligen genomförs i gummiindustrin, fixeras detaljens form genom införande av kemiska tvärbindningar. Tekniskt tillgår detta så, att polymeren före formningen blandas med de kemikalier som skall åstadkomma tvärbindning samt övriga tillsatsämnen, varefter massan formas plastiskt. Den formade detaljen utsätts sedan för förhöjd temperatur, vanligen inom intervallet 100-200 °C, varvid tvärbindningsreaktioner sker.
Processen sker vanligen vanligen under tryck för att undvika blåsbildning i produkten. Ett generellt problem i detta sammanhang är att massan vid bearbetningen ej får utsättas för så höga temperaturer att tvärbindningsreaktionen sätter igång.
Även vid mycket ringa grad av tvärbindning förlorar materialet sin förmåga att kunna formas plastiskt.
Lika litet som tvärbindningsmöjligheterna på molekylkedjorna utnyttjas till hundra procent, lika litet kan man utnyttja vulkmedlets reaktionsmöjligheter till hundra procent. Vissa vulkmedel kan ge ett utbyte av tvärbindningar, som närmar sig hundra procent av det teoretiska. Detta gäller till exempel peroxider, medan till exempel svavel ibland ej ger mer än 20% av det teoretiska utbytet.
Vulkning av gummi
Tidigare berördes hur ökningen av antalet tvärbindningar påverkar egenskapsbilden hos den tvärbundna polymeren. Så angavs till exempel att modul och hårdhet ökar, svällning och löslighet minskar, krypning och relaxation minskar, samt att utmattningshållfastheten minskar. Dessutom kan man visa att slitstyrkan ökar vid måttlig ökning av tvärbindningstätheten. Draghållfastheten stiger först, men passerar sedan genom ett maximum och sjunker på nytt.
Man studerar normalt vulkningsförloppet genom att vulka materialet vid en viss temperatur ett antal olika tider och rita upp egenskaperna som funktion av vulktiden. Här får man då fram effekten av ökningen av antalet tvärbindningar under vulkreaktionen.
Vid peroxidvulkning av gummi är den erhållna tvärbindningstätheten inom ett rätt stort intervall direkt proportionell mot den använda peroxidmängden. Även vid svavelvulkning av gummi kan tvärbindningstätheten påverkas genom variation av svavelhalten. Vanligen föreligger dock inte direkt proportionalitet mellan dessa båda faktorer. Normalt arbetar man med svavelhalter upp till ca 3 %. Med ytterligare stigande svavelhalt försämras först hållfasthetsegenskaperna för att vid mycket höga svavelnivåer åter öka på nytt. Samtidigt har tvärbindningstätheten blivit så stor att molekylsegmentens rörelseförmåga gått förlorad. Materialet förlorar då sin gummikaraktär. Istället har ett hårt, härdplastliknande material erhållits, så kallad hårdgummi eller ebonit.
Effekterna av tvärbindningarna kan i korthet sammanfattas på följande sätt:
1. Som redan nämnts, hindrar tvärbindningarna molekylkedjorna att vid belastning glida över varandra, dvs materialets elastiska deformation ökar och dess plastiska eller viskösa deformation minskar. Detta gäller även vid långtidsbelastning, varför således tvärbindning reducerar tendenser till krypning och relaxation.
2. Med stigande antal tvärbindningar, det vill säga vid ökande bindningstäthet minskar molekylernas rörlighet efter hand. Detta medför att hårdhet och styvhet ökar.
3. Med stigande antal tvärbindningar minskar polymerens löslighet i lösningsmedel. Över en viss tvärbindningstäthet blir polymeren olöslig. Den sväller emellertid fortfarande, men svällningen minskar med stigande tvärbindningstäthet.
4. Genomsläpplighet för vätskor och gaser minskar med stigande tvärbindningstäthet.
5. Mekanisk dämpning minskar med stigande tvärbindningstäthet.
6. Utmattningsegenskaperna försämras med stigande tvärbindningstäthet.
7. Samtidigt som hårdhet och styvhet ökar med stigande tvärbindningstäthet, minskar materialets töjbarhet eller brottöjning.
Kemisk tvärbindning av linjära polymerer
I ett stort antal fall, särskilt när det gäller gummipolymerer, föredrar man att bygga upp molekylstrukturen i två steg. I det första steget, vilket vanligen genomförs i den kemiska industrin, tillverkas en i huvudsak linjär polymer. Denna är plastiskt formbar vid måttlig uppvärmning. Efter formningen, som vanligen genomförs i gummiindustrin, fixeras detaljens form genom införande av kemiska tvärbindningar. Tekniskt tillgår detta så, att polymeren före formningen blandas med de kemikalier som skall åstadkomma tvärbindning samt övriga tillsatsämnen, varefter massan formas plastiskt. Den formade detaljen utsätts sedan för förhöjd temperatur, vanligen inom intervallet 100-200 °C, varvid tvärbindningsreaktioner sker.
Processen sker vanligen vanligen under tryck för att undvika blåsbildning i produkten. Ett generellt problem i detta sammanhang är att massan vid bearbetningen ej får utsättas för så höga temperaturer att tvärbindningsreaktionen sätter igång.
Även vid mycket ringa grad av tvärbindning förlorar materialet sin förmåga att kunna formas plastiskt.
Lika litet som tvärbindningsmöjligheterna på molekylkedjorna utnyttjas till hundra procent, lika litet kan man utnyttja vulkmedlets reaktionsmöjligheter till hundra procent. Vissa vulkmedel kan ge ett utbyte av tvärbindningar, som närmar sig hundra procent av det teoretiska. Detta gäller till exempel peroxider, medan till exempel svavel ibland ej ger mer än 20% av det teoretiska utbytet.
Vulkning av gummi
Tidigare berördes hur ökningen av antalet tvärbindningar påverkar egenskapsbilden hos den tvärbundna polymeren. Så angavs till exempel att modul och hårdhet ökar, svällning och löslighet minskar, krypning och relaxation minskar, samt att utmattningshållfastheten minskar. Dessutom kan man visa att slitstyrkan ökar vid måttlig ökning av tvärbindningstätheten. Draghållfastheten stiger först, men passerar sedan genom ett maximum och sjunker på nytt.
Man studerar normalt vulkningsförloppet genom att vulka materialet vid en viss temperatur ett antal olika tider och rita upp egenskaperna som funktion av vulktiden. Här får man då fram effekten av ökningen av antalet tvärbindningar under vulkreaktionen.
Vid peroxidvulkning av gummi är den erhållna tvärbindningstätheten inom ett rätt stort intervall direkt proportionell mot den använda peroxidmängden. Även vid svavelvulkning av gummi kan tvärbindningstätheten påverkas genom variation av svavelhalten. Vanligen föreligger dock inte direkt proportionalitet mellan dessa båda faktorer. Normalt arbetar man med svavelhalter upp till ca 3 %. Med ytterligare stigande svavelhalt försämras först hållfasthetsegenskaperna för att vid mycket höga svavelnivåer åter öka på nytt. Samtidigt har tvärbindningstätheten blivit så stor att molekylsegmentens rörelseförmåga gått förlorad. Materialet förlorar då sin gummikaraktär. Istället har ett hårt, härdplastliknande material erhållits, så kallad hårdgummi eller ebonit.