Kumi

Kumi on kimmoinen aine, jota saadaan vulkanoimalla kautsukasvien maitiaisnestettä tai valmistamalla synteettisesti. Suurin osa kumista käytetään autonrenkaisiin.
Kumin perusominaisuudet ovat sen pieni jäykkyys, kokoonpuristumattomuus, hyvä kulumisenkesto, suuri kitka sekä hyvä korroosionkesto. Kumi on siis joustavaa, vaimentavaa, tiivistävää, suojaavaa ja liittävää.
Etymologia.
Suomen sana "kumi" tulee ruotsin ("gummi"/"gumi") kautta latinasta, jossa "cummi" tai "gummi" tarkoitti puun mahlaa. Latinaan sana on tullut todennäköisesti muinaisegyptistä kreikan kautta.
Luonnonkumi.
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.
Historia.
Luonnonkumin historia.
Kasvit ovat fossiiliaineiston perusteella tuottaneet suojakseen kumimaista ainetta vähintään 60 miljoonan vuoden ajan. Meksikossa olmeekit hyödynsivät kumia tiettävästi jo 1800-luvulla eaa. Eurooppalaiset tutustuivat kumiin ilmeisesti vuonna 1519, kun konkistadori Hernán Cortés näki asteekkien kuningas Montezuman järjestämän pallopelin. Cortés toi kumin Espanjaan vuonna 1528.
Ranskalainen Charles Marie de La Condamine toi vuonna 1736 Eurooppaan Amazoniasta saamaansa lateksia sekä kuvasi sen keräämisen puista ja sen erilaisia käyttötapoja. Vielä tuolloin ainetta ei osattu kuljettaa nestemäisenä meren yli ilman että se kiinteytyisi ja menisi pilalle, joten sitä voitiin tuoda vain valmiina kuminpalasina. Vuonna 1770 englantilaiset havaitsivat, että kumilla pystyttiin pyyhkimään lyijykynänjäljet paremmin kuin leivällä. Sen jälkeen opittiin päällystämään kankaiset ilmapallot kumi-tärpättiliuoksella. Vuonna 1791 Samuel Peal sai patentin vedenpitävälle kumituotteelleen. Kumi oli tuolloin kuitenkin yhä tahmeaa ja pahanhajuista, ja se haurastui kylmässä.
Ranskaan perustettiin maailman ensimmäinen kumitehdas vuonna 1803. Se tuotti kuminauhoja ja vedenpitäviä kankaita. Valssauskoneen keksiminen vuonna 1820 auttoi kumin saamisessa aiempaa pehmeämmäksi niin sanotussa mastinointiprosessissa. Charles Goodyear ja Thomas Hancock keksivät toisistaan riippumatta 1830-luvun lopulla vulkanoinnin eli kumin, rikin ja kuumennuksen yhdistelmän, joka mullisti kumiteollisuuden.
Brasilialla oli luonnonkumin monopoli 1870-luvulle asti, ja se pystyi hinnoittelemaan kumin mielivaltaisesti. Vuonna 1876 englantilainen Henry Wickham salakuljetti kumipuun siemeniä Brasiliasta Englantiin, mistä taimet siirrettiin Ceylonille tuottamaan kumia. Sieltä kumintuotanto laajeni muuallekin Kaakkois-Aasiaan, ja vuonna 1910 kumin hinta romahti. Vuonna 1930 Brasilian osuus maailman kumintuotannosta oli enää kaksi prosenttia.
John Boyd Dunlop keksi vuonna 1888 valmistaa kumista ilmatäytteisen renkaan. Kumin tarve alkoi kasvaa nopeasti, kun kumirengas otettiin käyttöön polkupyörissä ja autoissa.
Synteettisen kumin historia.
Synteettiset kumit kehitettiin Saksassa 1900-luvun alkupuolella. Ensimmäisen kumin synteettisen valmistusmenetelmän patentoi Fritz Hofman vuonna 1909. Puhtaan isopreenin valmistusprosessi oli kuitenkin niin kallis ja vaativa, että synteettistä kumia ei valmistettu vielä moneen vuoteen. Saksa tuotti kumia ensimmäisessä maailmansodassa, mutta siviilikäyttöön sitä ei vielä otettu. Kun vuonna 1926 Saksassa ryhdyttiin polymeroimaan butadieeniä ja styreeniä, saatiin aikaan elastomeeri Buna, jota alettiin käyttää renkaisiin ja teknisiin tuotteisiin. Seuraavina vuosina Saksassa ja Yhdysvalloissa kehitettiin uusia kumeja, kuten kloorikumi eli Neopreeni.
Toisen maailmansodan alussa Saksan kumiteollisuus perustui paljolti synteettiseen kumiin, ja maa pyrki täyteen omavaraisuuteen. Neuvostoliitto oli jo kumin suhteen lähes omavarainen. Yhdysvallat ja Britannia käyttivät pääasiassa luonnonkumia, mutta kun Japani valloitti aasialaiset kuminviljelyalueet, Yhdysvallat joutui kiireesti käynnistämään synteettisen kumin tuotannon. Sota nostikin synteettisen kumin poliittisstrategiseksi tekijäksi ja laajensi sen sovelluksia. Sodassa saatiin myös tietoa synteettisen kumin käyttökelpoisuudesta esimerkiksi kovassa pakkasessa Venäjän rintamalla.
Sodan jälkeen kumin kysyntä kasvoi voimakkaasti teknologian, teollisuuden ja liikenteen nopean kehityksen myötä. Erikoiskumeille alkoi syntyä tarvetta. Synteettisten kumien kehitys kiihtyi, ja kaikki teollisuusmaat aloittivat niiden tuotannon. Synteettisen kumin osuus nousi yli 70 prosentin. Kaakkois-Aasian osuus luonnonkumin tuotannosta jatkoi nousuaan, Afrikan osuus jäi alle 10 prosentin, ja Brasilian osuus jäi yhteen prosenttiin.
Nykyään eniten käytetty synteettinen kumi on styreenibutadieenikumi. Luonnonkumin ja öljystä tehtyjen synteettisten kumien lisäksi kehitettyjen, ominaisuuksiltaan perinteisten kumien ja termoplastisten muovien väliin sijoittuvien termoplastisten elastomeerien käyttö on lisääntynyt nopeasti.
Kumisekoitus.
Kumi on useasta aineesta valmistettu seos. Kumisekoituksen raaka-aineryhmiä ovat elastomeeri, täyteaineet, pehmittimet, suoja-aineet, vulkanointisysteemin aineet sekä muut aineet. Näitä raaka-aineita kumisekoituksessa käytetään tyypillisesti 10–20 erilaista. Eri yhdistelmillä kumiin saadaan erilaisia ominaisuuksia.
Elastomeerit.
Kumituotteen perusominaisuudet määräytyvät siinä käytetystä elastomeerista. Kumiin voidaan käyttää kymmeniä erilaisia elastomeereja. Eniten käytetty elastomeeri on luonnonkumi. Vuonna 2006 sitä tuotettiin maailmassa 9,2 miljoonaa tonnia, josta lähes kaikki Aasiassa. Synteettisiä elastomeereja käytettiin yhteensä 12,6 miljoonaa tonnia. Niitä tuotetaan Aasian lisäksi myös muualla maailmassa.
Polyisopreenin ominaisuudet ovat käytännössä samat kuin luonnonkumilla. Styreenibutadieenikumi on suosittua ja edullista, mutta se kestää kulumista ja pakkasta hiukan heikommin kuin polyisopreeni. Butadieenikumi on erittäin kimmoisaa, ja se kestää hyvin pakkasta. Sitä on kuitenkin vaikea prosessoida, ja sen mekaaniset ominaisuudet sekä öljyn- ja liuottimienkesto ovat heikot. Erikoiskäyttöön tarkoitetuissa elastomeereissa on haluttuja erityisominaisuuksia. Niitä ovat esimerkiksi eteenipropeenidieenikumi, nitriilikumi, kloropreenikumi ja butyylikumi. Näiden lisäksi ovat vielä erikoiskumit, jotka soveltuvat vaikeisiin kemiallisiin olosuhteisiin, ja voivat olla hyvin kalliita.
Muut ainesosat.
Aktiivisilla ja puoliaktiivisilla täyteaineilla parannetaan kumin fysikaalisia ominaisuuksia ja säädetään sen kovuutta. Täytteillä sekoituksesta tehdään edullisempi. Tärkein aktiivinen täyteaine on noki, joka antaa kumituotteille mustan värin. Vaaleista täyteaineista merkittävin on piihappo. Muita ovat luonnosta saatavat mineraalit, jotka esiintyvät yleensä silikaatteina, karbonaatteina tai oksideina.
Pehmittimillä, kuten mineraaliöljyillä, säädetään kumin kovuutta ja sekoituksen työstettävyyttä. Suoja-aineilla, kuten antioksidanteilla, antiotsonanteilla ja suojavahalla, estetään valon, UV-säteilyn, lämmön, otsonin ja hapen kaltaisten tekijöiden haittavaikutukset. Vulkanointiaineista tärkein on rikki, jonka lisäksi vulkanoinnissa käytetään kiihdyttäjiä ja aktivaattoreita. Muita kumisekoituksessa käytettäviä aineita ovat esimerkiksi pillkkoutumista ja sekoittumista parantavat aineet, hartsit, värit, palonestoaineet ja tartunta-aineet.
Valmistus.
Kumituotteiden valmistusmenetelmiä on useita. Menetelmän valinta riippuu tuotteesta ja materiaalista. Aine voidaan työstää muoviesineeksi joko puristamalla se muottiin, puristamalla se nauhamaisena suulakkeen läpi, kalanteroimalla se levyksi telojen alla, kastamalla sisäpuolinen muotti kumilateksiin, tai valamalla materiaali nestemäisessä muodossa. Vulkanoinnissa plastinen ja muovailtava kumisekoitus muutetaan elastiseksi, kimmoisaksi ja muotonsa säilyttäväksi tuotteeksi lämmittämällä se rikin kanssa.
Elastisuus.
Kumia voidaan venyttää jopa kymmenkertaiseksi, minkä jälkeen se palautuu lähes takaisin alkuperäisiin mittoihinsa. Kumimolekyyliketjut ovat hyvin pitkiä hiiliketjuja, jotka voivat koostua kymmenistä tuhansista yksiköistä. Aineen kumimaisia ominaisuuksia lisää molekyylien epäsymmetrisyys. Kun pääketjussa on sivuryhmiä, molekyylit eivät kykene pakkautumaan tiiviisti, ja ketjut pääsevät liikkumaan myös toistensa ohi. Poikkisidosten lisääminen vähentää kumin venyvyyttä.
Kumilenkin 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 kumilenkkiä huulien välissä ja vapauttamalla sen sitten.
Vanheneminen.
Kumituotteen ominaisuudet heikkenevät ajan myötä ympäristötekijöiden vaikutuksesta. Vanhetessaan kumi voi elastomeerista riippuen joko kovettua, haurastua, pehmetä, tahmaantua, menettää elastisuuttaan tai lujuuttaan, halkeilla, harmaantua tai muuttaa väriään.
Käyttökohteet.
Kaikesta tuotetusta kumista noin 60 prosenttia käytetään autonrenkaisiin 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.
Muita kumivalmisteita:
Ympäristökysymykset.
Kumiteollisuus tuottaa pahaa hajua, joka ei kuitenkaan ole terveydelle vaarallista. Kumiteollisuus aiheuttaa myös jonkin verran pienhiukkasia, liuotinpäästöjä, melua ja jätettä.
Suomessa syntyy vuosittain yli 45 000 tonnia kierrätettävää kumia, josta 43 000 tonnia on renkaita. Yli 90 prosenttia renkaista kierrätetään. Yleensä renkaat murskataan ja hyödynnetään maanrakennuksessa. Osa renkaista poltetaan, sillä kumilla on korkea energia-arvo. Kumista jauhettua uusiokumia voidaan myös käyttää kumituotteissa, vaikka se heikentääkin kumin laatua.