Vulkanointi

Vulkanointi on kumin valmistusprosessin osa, jossa raakakumin eli kautsun molekyylit silloitetaan rikin ja lämmön avulla toisiinsa kemiallisin sidoksin. Raakakumi muuttuu vulkanoinnin seurauksena kovemmaksi, kestävämmäksi ja paremmin kemikaaleja sietäväksi. Samalla kumin pinta tulee sileämmäksi ja sen tahmeus vähenee. 

Voimakkaasti silloitetussa polymeerissä on vahvat kovalenttiset sidokset molekyyliketjujen välillä, ja siksi materiaali on ominaisuuksiltaan liukenematonta ja sulamatonta kuten kertamuovit.

Vulkanoinnin nimitys tulee roomalaisesta tulen jumalasta Vulkanuksesta.

Historia
Vulkanoidun kumin historia ulottuu esihistoriallisin aikoihin. Olmeekkien nimi tarkoittaa ”kumikansaa” asteekkien kielessä. Muinaisessa mesoamerikkalaiset olmeekeista asteekkeihin laskivat maitiaisnestettä Castilla elastica -puusta. Paikallisen köynnöksen Ipomoea alba (päivänsinen ja bataatin sukulainen) mehua sekoitettiin sitten raakakumiin, joka saatiin sillä vulkanoitumaan. Tämä tapahtui jo niinkin aikaisin kuin 1600 vuotta ennen ajanlaskun alkua.

1800-luvun puolivälissä raakakumi oli uusi materiaali, jolla ei ollut paljoa teollista käyttöä. Sitä käytettiin ensin pyyhekumeissa ja sitten lääketieteellisten hengityskaasujen letkujen liitoksiin. Kun keksittiin, että raakakumi liukenee dietyylieetteriin, huomattiin käyttää raakakumia vedenkestäviin pinnoitteisiin ensin kengissä ja sitten takeissa. Tämä oli kuitenkin pienimuotoista ja vulkanoimaton materiaali ei kestänyt pitkään.

Goodyearin vaikutus
Useimmat kirjat nimeävät Charles Goodyearin (1800–1860) rikillä tehtävän kumin vulkanoinnin keksijäksi. Goodyear väitti keksineensä vulkanoinnin 1839, mutta hän ei patentoinut keksintöään ennen kuin 15. kesäkuuta 1844, ja hän kirjoitti tarinan keksinnöstään elämäkerrassaan Gum-Elastica vasta 1853. Samanaikaisesti Thomas Hancock (1786–1865), tiedemies ja insinööri, patentoi vulkanointiprosessin Englannissa 21. marraskuuta 1843, kahdeksan viikkoa ennen kuin Goodyear haki patenttia Englannissa.

Myöhempi kehitys
Vulkanisoimisen keksiminen aiheutti vallankumouksen kumin käytön lisääntymisessä ja muutti teollistuneen maailman kasvot. 

Laajempaa kokeellista tutkimusta kumin vulkanoimisesta ja seostamisesta jatkoivat Thomas Hancock ja hänen työtoverinsa Englannissa. Nämä johtivat paremmin toistettavaan ja hallittavampaan vulkanointiprosessiin. 

Vuonna 1905 George Oenslager keksi, että aniliinin johdannainen difenyyliurea kiihdytti vulkanointiprosessia ja vähensi energian kulutusta. Tämä vähemmän tunnettu keksintö oli kumiteollisuudelle lähes yhtä tärkeä kuin vulkanoinnin keksiminen. Tästä alkoi myös kokonainen kemianala, joka erikoistui kemiallisia prosesseja kiihdyttäviin ja hidastaviin aineisiin.

Vulkanoinnin tarkoitus
Raakakumi alkaa tuhoutua muutamassa päivässä muuttuen vähitellen märäksi murumassaksi. Tuhoutumisprosessin syynä on proteiinimolekyylien katkeilu pitkien kumimolekyylien kaksoissidosten joutuessa ilman hapen kemiallisen hyökkäyksen kohteeksi.

Huonosti vulkanoitu kumikin tuhoutuu, mutta hitaammin. Tuhoutumista edistää pitkäaikainen altistuminen auringon ultraviolettisäteilylle.

Vulkanointiprosessi
Yleensä kumien vulkanointi tehdään rikin avulla, mutta käytössä on muitakin vulkanointitekniikoita, esimerkiksi orgaanisiin peroksideihin perustuvia. Vulkanointiprosessissa kumiin sekoitetaan vulkanointikemikaalin lisäksi muitakin aineita, kuten prosessinopeuttamiseen ja jarruttamiseen vaikuttavia aineita.

Kumimolekyylissä on useita paikkoja, joihin rikkiatomit voivat kiinnittyä. Vulkanoinnin aikana kahdeksanosainen rikkirengas katkeaa pienemmiksi palasiksi, jotka ovat varsin reaktiivisia. Silloituspisteisiin tarttuu yksi tai useampi rikkiatomi, josta rikkiketju alkaa kasvaa kunnes se saavuttaa toisen silloituspisteen kumimolekyylistä. Nämä rikkisillat ovat tyypillisesti 2–10 atomia pitkiä eli suhteellisen lyhyitä verrattuna hiilipolymeeriketjujen tuhansiin atomeihin. Rikkisidosten pituudella on suuri merkitys kumin ominaisuuksiin. Lyhyet rikkisillat, 1–2 atomia, antavat kumille hyvän lämmönkeston. Pidemmät rikkisillat, 6–7 atomia, parantavat kumin dynaamisia jousto-ominaisuuksia, mutta huonontavat lämmönkestoa.

Devulkanointi
Kumin kierrättämiseksi on vuosia kehitetty prosessia, jolla kumi saataisiin palautettua muokattavaan muotoon. Kaupallista läpimurtoa ei ole tullut ja toistaiseksi käytetyt auton renkaat joko kerääntyvät kaatopaikoille, poltetaan tai käytetään maanrakennukseen kokonaisina tai eri kokoisina murskeina.

1990-luvun puolivälissä kiinalaisen tutkimuslaitoksen Guangzhou Research Institute for the Utilization of Reusable Resources tutkijat patentoivat menetelmän kumin hajottamiselle ja devulkanoinnille. Heidän AMR-prosessi nimellä tunnettu tekniikkansa väitetään tuottavan polymeeriä, jonka ominaisuudet ovat lähellä luonnonkumia ja prosessin kustannukset olisivat kohtuulliset. Yhdysvalloissa Ohiossa on rakennettu ensimmäinen AMR-koelaitos. Parhaillaan selvitetään näin saadun kierrätyskumin ominaisuuksia.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Kemialliset prosessit
Tekniikan historia