Kumi
Kumi on kimmoinen aine, jota saadaan vulkanoimalla kautsukasvien maitiaisnestettä tai valmistamalla synteettisesti. Kumi on joustavaa, venyvää ja muodoltaan palautuvaa. Kumin suurta kimmoisuutta ei täysin pystytä kuvaamaan yleisellä elastisuusteorialla. Kumimainen materiaali saadaan aikaan polymeeriraaka-aineista luomalla polymeerimolekyylien väliin ristisidoksia. Koneenrakennuksessa kumimateriaaleja käytetään kohteissa, joissa joudutaan vaimentamaan iskumaisia kuormia tai tarvitaan joustavia liitoksia.
Kumit jakaantuvat luonnonkumeihin ja synteettisiin kumeihin. Luontoperäinen raakakumi, kautsu valmistetaan kumipuun maitiaisnesteestä, jota sanotaan lateksiksi. Osa kumilaaduista luetaan myös elastomeereiksi.
Sana ”kumi” ja ruotsin vastaava ”gummi” ovat peräisin latinasta, jossa sana "cummi" tai "gummi" tarkoitti puun mahlaa. Latinaan sana on tullut todennäköisesti muinaisegyptistä kreikan kautta. Englannin kumia tarkoittava sana ”rubber” on peräisin kumin ensimmäisestä käyttökohteesta pyyhekumista (verbi ”rub” tarkoittaa hankaamista).
Luonnonkumi valmistetaan trooppisten puulajien maitiaisnesteestä, erityisesti brasilialaisesta kumipuusta ("Hevea brasiliensis"). Kolotuista puista juoksuttamalla kerätty lateksi saostetaan (koaguloidaan) esimerkiksi muurahaishapolla, jolloin saadaan raakakumia, kautsua. Tämä on juustoa muistuttavaa ainetta.
Raakakumi on vaaleaa ja läpikuultavaa, lämpimänä pehmeää ja plastista, kylmänä haurasta ja murtuvaa. Sen tuoreet pinnat tarttuvat puristettaessa lujasti toisiinsa kiinni. Kemiallisesti raakakumi on isopreenin polymeeri cis-1,4-polyisopreeni. Kun raakakumiin lisätään rikkiä ja se kuumennetaan eli vulkanoidaan, syntyy kumia, joka on joustavaa ja se säilyttää ominaisuutensa huolimatta lämpötilan vaihtelusta.
Etelä- ja väli-Amerikan intiaanien tiedetään käyttäneen kumipalloja peleissä jo ennen eurooppalaisten saapumista. Ensimmäisiä kumin käyttökohteita oli pyyhekumi, jonka keksi englantilainen Joseph Priestley 1770. Toinen historiallinen maininta kumista Euroopassa samalta vuodelta 1770 kertoo, että Edward Nairne myi raakakumikuutioita kaupassaan Lontoossa. Pyyhekumeiksi tarkoitettuja paloja myytiin hämmästyttävän korkeaan kolmen sillingin kappalehintaan.
Charles Goodyear keksi vuonna 1841 kumin vulkanoinnin, joka paransi sen ominaisuuksia huomattavasti. Rengasvalmistaja Goodyear käyttää hänen nimeään.
Ennen vulkanoitua kumia ainut keino tiivistää liikkuvien koneenosien välinen rako, esimerkiksi höyrykoneen männän ja sylinterin välissä, oli käyttää öljyyn kastettua nahkaa. Tämä toimi vielä pienissä paineissa, mutta tietyn paineen yläpuolella suunnittelijoiden oli valittava lisääntyvän kitkan, joka aiheutui tiiviimmin puristetusta nahasta, sekä suurempien ja tehoa vievien höyryvuotojen välillä.
Vulkanoitu kumi oli ratkaisu tähän ongelmaan. Kumista koneenrakentajat saivat materiaalin, joka voitiin valmistaa haluttuun muotoon ja mittoihin sekä joka salli kohtuullisia ja suuriakin muodonmuutoksia kuormitettuna palautuen taas nopeasti alkuperäisiin mittoihin, kun kuorma oli poistunut. Nämä ominaisuudet yhdistettynä hyvään kestävyyteen ja pintaan, joka ei ole tahmea, ovat tehokkaan tiivistemateriaalin vaatimuksia.
Kumin kysyntä aiheutti 1800-luvulla Brasiliassa taloudellisen nousukauden, mikä teki muun muassa Manauksen kaupungin tunnetuksi. Kumia kerättiin siellä luonnossa kasvavista puista. Etelä-Amerikan rajallinen tuotanto ei vastannut kumin kasvavaan kysyntään ja 1900-luvun alkupuolella silloisesta Belgian Kongosta tuli myös merkittävä kumin tuottaja. Vuonna 1876 englantilaiset toivat kumipuun siemeniä Englantiin, saivat ne itämään. He käynnistivät kumipuun viljelyn Aasiassa, jossa nykyään tuotetaan noin 90 prosenttia luonnonkumista. Suurimmat kumipuuviljelmät sijaitsevat Malesiassa ja Indonesiassa. Nämä kaksi maata tuottavat noin 67 prosenttia koko maailman raakakumista.
Synteettiset kumit kehitettiin Saksassa 1900-luvun alkupuolella. Ensimmäisen kumin synteettisen valmistusmenetelmän patentoi Fritz Hofman vuonna 1909. Vuonna 1926 tuli käyttöön butadieenista valmistettu Buna. Tunnettuja synteettisia kumilaatuja ovat styreenibutadieeni- ja neopreenikumit. Synteettisten kumien yleisin raaka-aine on maaöljy. On olemassa myös silikonipohjaisia kumeja, jotka kestävät kuumutta muita kumeja paremmin. Fluorimuoveistakin on modifikoitu kumimaisia laatuja, joita käytetään tiivisteinä hyvän kemiallisen kestävyytensä ansiosta.
Synteettisten kumien teollinen tuotanto laajeni toisen maailmansodan aikana sekä Saksassa että Yhdysvalloissa, koska näiden maiden yhteydet luonnonkumin tuottajamaihin olivat poikki. Kumia tarvittiin sodankäynnissä autojen renkaisiin. Polymeerikemian kehitys on vaatinut uusia käsitteitä, kuten termoplastiset elastomeerit, jotka sijoittuvat perinteisten kumien ja termoplastisten muovien väliin. Nykyään eniten käytetty synteettinen kumi on styreenibutadieenikumi.
Kumin joustavuutta molekyylitasolla selitetään sillä, että siinä pitkiä polymeeriketjuja on silloitettu harvakseltaan siten, että polymeerien silmukat pääsevät suoristumaan kuten jouset. Kestomuoveissa polymeeriketjuja ei ole silloitettu. Ketjut pääsevät näissä kuumennettaessa ja kappaletta muovattaessa liukumaan toistensa suhteen, mutta eivät enää palaudu. Kertamuoveissa ja kovakumissa silloitusta on niin paljon, että elastista joustavuutta on hyvin vähän.
Kuminauhan päästessä jännityksestä, sen polymeeriketjut palautuvat alkuperäiseen suuremman epäjärjestyksen tilaan. Termodynamiikan termein entropia kasvaa. Jännityksen poistuessa lämpöenergia muuttuu pääosin liike-energiaksi. Tapahtuma on endoterminen. Jännityksestä vapautuva kumi jäähtyy adiabaattisesti. Tämän kumin ominaisuuden voi jokainen itse testata pitämällä jännitettyä kuminauhaa huulien välissä ja vapauttamalla sen sitten.
Merkittävyydeltään teollisuuden raaka-aineena kumi on verrattavissa muoveihin ja perusmetalleihin teräs, alumiini ja kupari. Kumin maailmanmarkkinat ovat suuruudeltaan noin 30 miljardia euroa.
Toisen maailmansodan jälkeen synteettiset kumit valtasivat nopeasti markkinoita varsinkin kohteissa, joissa tarvittiin erikoisempia ominaisuuksia, kuten sähköneristekykyä tai kemiallista kestävyyttä. Vuonna 1965 synteettisillä kumeilla oli noin 60 prosentin markkinaosuus ja sen jälkeen markkinaosuudet ovat heiluneet öljyn hinnan mukaan ollen vuonna 2005 suurin piirtein samat kuin 1965. Vuodesta 1965 kumien kokonaistuotanto on nelinkertaistunut ja oli vuonna 2005 lähes 21 miljoonaa tonnia.
Kaikesta tuotetusta kumista noin 60 prosenttia käytetään autonrenkaisin ja ajoneuvoteollisuus käyttää kaikkiaan yli 70 prosenttia. Luonnonkumista käytetään renkaisiin 77 prosenttia. Renkaissa hyödynnetään kumin joustavuuden lisäksi sen ajoneuvojen liikkeenhallitsemisessa tarvittavia hyviä kumin kitkaominaisuuksia eli pitoa.
Luonnonkumi on väriltään vaalean ruskeaa ja hieman läpikuultavaa. Kumin ominaisuuksia säädellään vulkanoitumisasteella sekä lisäaineilla. Kovaksi vulkanoitua kumia sanotaan eboniitiksi eli kovakumiksi. Kumin tärkein lisäaine on rengasnoki (hiili),joka parantaa kumisekoituksenmekaanista lujuutta ja antaa kumille mustan värin sekä parantaa kumin ultraviolettisäteilyn kestoa. Renkaissa käytetyissä kumiseoksissa saattaa olla 20-40% rengasnokea.Kumiesineet valmistetaan valamalla seostettu kumimassa muotteihin, jotka sitten siirretään uuniin vulkanoitumaan. Tämä toimenpide on siis käytännössä paisto, miksi tätä valmistusvaihetta myös sanotaan. Autonrenkaat valmistetaan useista eri sekoituksista, jotka valmistetaan erilaisiksi komponenteiksi, jotka sitten kootaan rengasaihioksi. Renkaan rakenteeseen sisältyy myös kumisekoituksella päällystettyä tekstiilikudosta (koordia) ja teräskudosta sekä teräslankaa. Koottu rengasaihio siirretään muottiin, jossa se vulkanoidaan (paistetaan) paineenalaisena ja jossa rengas saa pintakuvionsa. Kumiesineiden paistoajat ovat suhteellisen pitkiä verrattuna muoviesineiden jäähtymisaikaan ruiskuvalukoneen muotissa, joten kumiesineitä ei pystytä valmistamaan yhtä nopeasti kuin muoviesineitä.
Kumi menettää kimmoisuutensa alhaisissa lämpötiloissa. Kumille on tyypillistä haurastumisen nopeutuminen jännityksen alaisena. Kumit haurastuvat myös vanhetessaan ja vanheneminen on suhteellisen nopeaa verrattuna esimerkiksi metalleihin.
Kumia ei pystytä sulattamaan ja uudelleenkäyttämään niin, että se täysin säilyttäisi ominaisuutensa. Pieniä määriä renkaita kierrätetään esimerkiksi louhinnan apuna räjähdyssuojamatoissa ja laiturien törmäyssuojina. Koska suurin osa kumista käytetään kulkuvälineiden renkaisiin, niin näiden keräyksestä on olemassa määräyksiä perustuen EU-direktiivien tuottajavastuuseen. Talteenotetut renkaat hävitetään polttamalla tai hautaamalla maaperään. Kumi ja sen lisäaine hiili saadaan poltettua puhtaasti, mutta joistakin lisäaineista voi tulla haitallisia päästöjä. Kumin polton hiilitaseeseen vaikuttaa uusiutuvien raaka-aineiden eli luonnonkumin määrä.
Parhaillaan on koekäytössä ensimmäinen devulkanointia käyttävä kumimateriaalin kierrätyslaitos.