در بلاگ پست کائوچو یا لاستیک طبیعی چیست؟(1) از تاریخچه کشف کائوچو و منبع تولیدش گفتیم، در مقاله پیش‌رو چگونگی تولید این ماده و ساختار شیمیایی آن را را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
کائوچو چگونه تولید میشود؟
کائوچوی طبیعی در شیره درخت هوا وجود دارد و از پلیمر شدن هیدروکربنی به نام متیل و ایزوپرن تولید میشود. ساختار کائوچو از یک پیوند دو گانه تشکیل شده است، در اثر حرارت با گوگرد یا سولفور، این پیوندها باز شده و اتم گوگرد را جذب می‌کنند و در نهایت کائوچو به لاستیک تبدیل میشود.
ابتدا برای به دست آوردن صمغ یا شیرابه درختان کائوچو، پوست درخت را به صورت شیار شیار بر می‌‌دارند. این مایع صمغی یا شیرابه از این شیارها ترشح می‌کند و در شیار جاری شده و به درون ظرف‌های کوچکی جمع میشود که در انتهای شیار به درخت متصل شده‌اند. از آن جهت ظروف را کوچک انتخاب می‌کنند که از گندیدگی یا آلودگی شیرابه جلوگیری شود. پس از جمع‌آوری، این شیرابه‌ها باید صاف شده و با افزودن آمونیاک محافظت شوند.
یک سوم لاتکس در این مرحله لاستیک است که در یک سوسپانسیون کلوئیدی نگه داشته میشود و یک سوم دیگر آن آب است. برای جداسازی لاستیک، لاتکس را با اسیدها و نمک‌های مختلف مانند اسید فرمیک مخلوط می‌کنند تا لاستیک منعقد شود و به شکل یک توده سفید خمیر مانند از مایع جدا شود. سپس آن را می‌شویند و به شکل بلوک فشرده و یا ورقه در می‌آورند و دود می‌دهند.
بعد از طریق ماشین‌کاری تغییرات دیگری در کائوچو ایجاد میشود و با مواد شیمیایی مخلوط میشود تا کارایی بیشتری داشته باشد و خواص آن بهبود یابد. در آخر از طریق اکستروژن به فرم‌های دلخواه در می‌آید. کائوچوی خام، ماده‌‌ای سست و چسبناک است و خاصیت کشسانی زیادی ندارد. ولکانیزه کردن کائوچو دوام و مقاومت آن را بالاتر می‌برد.
ولكانیزاسیون شامل گرم كردن لاستیک با مقداری گوگرد در یك زودپز، در دمای حدود ۳۲۰ درجه فارنهایت است، اگرچه می‌توان آن را با بخار پخت، مایكروویو كرد یا از بستر سیال یا نمك‌های فلز مذاب عبور داد تا جوشانده شود.
ولکانیزاسیون زنجیره‌های مولکولی پلی ایزوپرن را بهم پیوند می‌دهد تا مقاومت فیزیکی و شیمیایی ایجاد کنند و چسبندگی لاستیک خام از بین برود. بعد از ولکانیزه کردن، مواد پرکننده همچون دوده کربن به کائوچو افزوده میشود تا خاصیت کشسانی‌اش افزایش پیدا کند.
امروزه در روشی جدیدتر، تیغه‌‌های دوار یا اعمال برش بین دو غلتکی که با سرعت متفاوت می‌چرخند را استفاده می‌کنند تا شیرابه را منعقد کرده و به دانه تبدیل کنند. سپس این دانه‌ها به مدت چند ساعت در خشک‌کن های مکانیکی خشک می‌شوند. در روش قدیمی‌تر با استفاده از هوای آزاد یا دود، عمل خشک کردن چندین روز طول می‌کشید.
کائوچو به همراه گوگرد، دوده (ماده پرکننده)، روغن (ماده نرم‌کننده)، مواد تاخیر دهنده و... در دستگاهی به نام بنبوری (نام مبدع دستگاه) با هم مخلوط می‌شوند. امتزاج کامل مواد، حدود ۶ یا ۷ دقیقه طول می‌کشد.پس از خارج شدن از مخلوط کن، به صورت ورقه در می‌آیند و در مراحل بعدی با توجه به نوع محصول مورد نیاز، عملیات لازم بر روی آن انجام میشود اما حرارت زیاد نمی‌شود چرا که در غیر این‌صورت مخلوط ولکانیزه میشود و ادامه کار بر روی آن غیرممکن میشود.
در مرحله نهائی با شکل گرفتن لاستیک (تایر، فرش، توپ و غیره) به آن حرارت داده میشود (ولکانیزاسیون) و مولکول‌های گوگرد با ملکولهای زنجیری کائوچو اتصال برقرار می‌کنند و لاستیک شکل کشسانی بخود می‌گیرد. یکی از نکات مهم، این است که فرایند ولکانیزاسیون برگشت ناپذیر است و تاکنون امکان بازیافت گوگرد و کائوچو از لاستیک‌های مستعمل فراهم نشده است.
استفاده از لاستیک طبیعی به عنوان یک ماده مهندسی به سال ۱۸۳۹ میلادی باز می‌گردد. در این سال چارلز گودیر کشف کرد که با افزودن حدود ۳۰٪ گوگرد و سپس گرم کردن آن تا یک دمای مناسب، می‌توان لاستیک را ولکانیزه کرد (اتصال-عرضی داد). ایجاد اتصال-عرضی (cross-linking) حرکت زنجیره‌های مولکولی را محدود کرده و باعث سفت شدن ماده میشود. تحقیقات بیشتر نشان داد که با افزودن مواد مختلف (مانند کربن سیاه)، که به عنوان مواد سفت‌کننده، تقویت‌کننده و آنتی‌اکسیدان عمل می‌کند، می‌توان خصوصیات لاستیک را بهبود بخشید. امروزه شتاب‌دهنده‌هایی پیدا شده‌اند که روند ولکانش را تسریع می‌کنند که باعث کاهش میزان گوگرد میشود، به گونه‌ای که اکنون بیشتر ترکیبات لاستیکی حاوی کمتر از ۳٪ گوگرد هستند. همچنین از نرم‌کننده‌ها می‌توان برای تسهیل فراوری و از پرکننده‌ها می‌توان برای پُر کردن توده مواد استفاده کرد.
ساختار و مشخصات شیمیایی کائوچو
انواع:
پلی ایزوپرن (Polyisoprene)
اگر لاستیک طبیعی به‌طور مصنوعی تهیه شود به آن پلی ایزوپرن نیز می‌گویند. روش تولید آن، پلیمر شدن امولسیونی و پلیمریزاسیون به کمک کاتالیزور زیگلر ناتا است.
خواص و ویژگی‌های لاستیک ایزوپرن بسیار مشابه لاستیک طبیعی است از این رو در بسیاری موارد می‌تواند جایگزین لاستیک طبیعی شود و همچنین به آن لاستیک طبیعی مصنوعی نیز گفته میشود. از این‌رو در بررسی خواص و ویژگی‌ها و فرمولاسیون، دو را با هم و در یک گروه قرار داده و بررسی می‌کنند.
پلی سیس ۱و۴ـ ایزوپرن (Cis-1,4-Polyisoprene)
پلی ترانس ۱و۴ـ ایزوپرن (Trans-1,4-Polyisoprene)
آمری پل (Ameripol)
ناتسین (Natsyn)
کاریفلکس (Cariflex)
ابنیت (Ebonitee)
مونومر: ایزوپرن (Isoprene)
حلال: سقّز (Turpentine) و نفتا Naphtha)-بنزین سنگین(
دانسیته: 928-0.913 (g/cm3)
دمای ذوب: (Tm) برابر ۳۵ تا ۳۶ درجه سانتی‌گراد
دمای انتقال شیشه‌ای: (Tg) برابر ۷۲- درجه سانتی‌گراد
سختی (Shore A) :برابر ۵ تا ۹۰
قطبی/غیر قطبی: غیر قطبی
روش شناسایی آسان یا ویژگی‌های اشتعال
در شعله می‌سوزد و بعد از حذف شعله همچنان به سوختن ادامه می‌دهد
شعله نارنجی متمایل به زرد دارد و کمی سر و صدا می‌کند
دود سیاه همراه با ذرات کربن دارد
در شعله چکه نمی‌کند
بوی لاستیک سوخته می‌دهد
نوع ساختار
سیس ۱و۴ ـ ایزوپرن (Cis-1,4-Polyisoprene):
این الاستومر از شیره درخت Hevea بدست می‌آید. دارای ساختاری شبیه به پلی‌ایزوپرن است.
ترانس ۱و۴ ـ ایزوپرن (Trans-1,4-Polyisoprene):
این الاستومر با ساختار ترانس از شیره درخت گوتاپرچا بدست می‌آید. چون کشور مالزی بزرگ‌ترین تولیدکننده لاستیک طبیعی در جهان است همه کشورها خود را با استاندارد مالزی تطبیق داده‌اند.
وزن مولکولی
۱۰۰,۰۰۰ تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ و دارای ۵% ماده خشک حاوی پروتئین‌ها، اسیدهای چرب، رزین‌ها و مواد معدنی مانند نمک است.
