ゴムは何から作られていますか: 天然ラテックス、合成ポリマーおよび配合物

典型的なタイヤトレッドコンパウンドでは、ゴムポリマーは総重量の約 47% しか占めません。残りはカーボンブラック、プロセスオイル、酸化亜鉛、硫黄、促進剤、劣化防止剤としてミキサーに届きます。人間が実際に切断し、成形し、販売する材料は単一の物質ではないため、この単一の割合が、ゴムが何から作られているかという質問に答える最も早い方法です。これはポリマーに、慎重に計量された化学のパッケージを加えたものです。

簡単な答え: ポリマー骨格と配合パッケージ

ゴムは、充填剤、オイル、硬化剤、保護化学物質を組み合わせた長鎖ポリマーから作られています。ポリマー自体は、Hevea brasiliensis の木から採取された cis-1,4-ポリイソプレン、または石油や天然ガスから回収されたモノマーから反応器内で構築された合成鎖のいずれかです。レシピ内のその他すべては、チェーンを加工可能、耐久性があり、稼働中に予測可能にするために存在します。

天然ゴムの背後にある炭素数 5 のモノマーであるイソプレンは、小さな分子です。重合により、数千の単位が頭から尾まで連鎖して分子量がモルあたり数十万グラムに達することがあります。チェーンが互いに固定されていれば、その長さによって材料は元の長さの数倍に伸び、回復することができます。

原料ポリマーはそれ自体では生産ラインではほとんど役に立ちません。未加硫の天然ゴムは暖かい気候では粘着性があり、寒い気候では脆くなり、60℃を超えると急速に強度が低下します。配合パッケージはこれらの弱点を修正します。これが、これまでに読んだほぼすべての仕様書がポリマーではなく化合物について説明している理由です。

天然ゴム：木から出てくるもの

天然ゴムは、およそ 30 ～ 40 パーセントのポリイソプレン、55 ～ 65 パーセントの水、および少量だが重要なタンパク質、脂質、糖、無機塩からなる乳状の懸濁液であるフィールド ラテックスから作られます。非ゴム部分は重量では微量ですが、硬化反応、臭気、老化、アレルギーのリスクを引き起こします。

樹齢約5～7年になると収穫が始まります。タッパーで樹皮を細いらせん状に削り、ラテックスをカップに流し込み、液体をアンモニアで保存して出荷します。工場では、ラテックスはギ酸で凝固され、その後、未燻製シート、リブ付きスモークシート、または技術的に指定されたグレードで販売されるクラムラバーの 3 つの商用形態のいずれかに加工されます。

2 つのポリマー ルートの詳細な比較については、 天然ラテックスと合成ポリマー サプライヤーから受け取る原材料の仕様書と併せて読む価値があります。

合成ゴム: 製油所から出てくるもの

合成ゴムは、石油や天然ガスから回収されたモノマーから作られ、制御された温度、圧力、触媒条件下で反応器内で重合させられます。モノマー比は狭い範囲内で調整できるため、得られるポリマーはプランテーションゴムよりもバッチ間の一貫性がはるかに高くなります。

ISO 1629 命名システムは、これらの材料をそのバックボーンの構造に基づいてグループ化します。 NR、SBR、BR、NBR、CR などの R の付いたグレードは、不飽和炭素鎖を持ち、硫黄で容易に硬化します。 EPDM やシリコーンなど、末尾に M が付いているグレードは飽和鎖を持ち、通常は代わりに過酸化物、樹脂、または同様の硬化システムが必要です。

他に何が入るか: 配合レシピ

汎用コンパウンドには通常、ゴム 100 部あたり、40 ～ 60 phr のカーボン ブラック、5 ～ 30 phr のプロセス オイル、3 ～ 5 phr の酸化亜鉛、1 ～ 2 phr のステアリン酸、1.5 ～ 2.5 phr の硫黄、0.8 ～ 2 phr の促進剤および 1 ～ 3 phr の劣化防止剤が含まれます。これらの数値は従来の硫黄硬化コンパウンドの使用範囲であり、耐熱性、耐油性、または低圧縮永久歪が仕様に入ると大幅に変化します。

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この文のすべての数値は、ゴム 100 個あたりの部数を表す phr 単位で測定されます。参照重量は常にポリマー 100 部であり、完成した化合物の重量ではないため、比率を再計算することなくレシピをスケールアップまたはスケールダウンできます。

成分ファミリーは 5 つの機能グループに分類されます。

• 主にカーボン ブラックと沈降シリカからなる充填剤により、強度、硬度、耐摩耗性が向上します。
• 可塑剤とプロセスオイルは混合物を柔らかくし、流れを改善し、混合温度を下げます。
• 酸化亜鉛やステアリン酸などの活性化剤は、促進剤を活性型に変換します。
• 硬化剤、硫黄または過酸化物は、ゴムに弾性を与える架橋を形成します。
• アミン、フェノール、ワックスなどの抗分解剤は、酸素、オゾン、熱による老化を遅らせます。

ポリマーから製品まで: 4 つの加工ステップ

これらの材料を使用可能な部品に変えるには 4 つのステップがあり、各ステップで組成が変わります。 50 キログラムのバッチで数グラムの計量誤差があると、IRHD スケールで硬度が数ポイント変化するのに十分です。

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構成がデータシートにどのように表示されるか

ゴムのデータシートには、ポリマーの正体、モノマー比、汚染限界、加工挙動が報告されており、目に見えない化学的性質を比較可能な数値に変換します。アプリケーションと照らし合わせてこれらの数値を読み取ることが、材料がラインに達する前に不一致を見つける最速の方法です。

• NBR のアクリロニトリル含有量は、耐油性が低い場合の約 18 パーセントから、燃料との激しい接触に対応する場合の最大 42 パーセントまでとなります。
• SBR の結合スチレンは、標準エマルション グレードでは通常約 23.5% であり、スチレンの含有量が増えるとウェット グリップと発熱が増加します。
• エチレンとプロピレンの比率と ENB 含有量によって、EPDM の硬化方法とオゾン耐性が決まります。
• 摂氏 100 度でのムーニー粘度 ML(1 4) は、混合コンパウンドの場合、通常 40 ～ 80 になります。
• 灰分、揮発性物質、および汚れの含有量は、天然ゴムのグレード選択の上限を設定します。

仕様が最も重要な場合、ポリマー単体ではなく、完成品と比較して配合データをチェックする必要があります。同じ理由が全体に当てはまります 工業用ゴム製品 、シートやマットからホースカバーやベルトコンパウンドまで。

再生ゴム：第二の人生を経た後の組成

再生ゴムは、主に使用済みタイヤなどの粉砕スクラップから作られ、解硫され、加工可能なシートに精製されます。この材料には依然としてゴム炭化水素が含まれていますが、元のコンパウンドに含まれていたカーボン ブラック、オイル、灰、硬化残留物も含まれています。

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このプロセスは研削から始まり、次に鋼の磁気分離と繊維の除去が行われます。続いて、熱機械的、化学的、またはマイクロ波による解硫が行われ、最終的には滑らかなシートが生成されます。一般的な再生品には約 40 ～ 50 パーセントのゴム炭化水素が含まれており、残りはカーボン ブラックと鉱物充填剤で構成されています。

再生利用を追加すると、原材料のコストが下がり、スクラップが埋め立て地から転用されるため、マット、輪止め、その他の重要でない商品にスクラップが定期的に使用されます。価格よりも一貫した圧縮永久歪が重要な動的シールや高温用途には適していません。

よくある質問

ゴムは石油からできているのでしょうか？

部分的に。合成ゴムは、石油や天然ガスから得られるブタジエン、スチレン、イソプレンなどのモノマーから作られます。天然ゴムはパラゴムノキの木の乳液から作られるため、そうではありません。ほとんどの工業用ゴム製品はどちらか一方を使用しており、多くは単一の配合物で両方を使用しています。

天然ゴムと合成ゴムの分子レベルの違いは何ですか?

天然ゴムはほぼ純粋なシス-1,4-ポリイソプレンであり、歪みがかかると結晶化して非常に高い強度を与える規則正しい鎖です。合成グレードは 2 つ以上のモノマーから構成されるため、鎖はその長さに沿って異なる側基を持ちます。これらの側基は、NBR の耐油性、または EPDM の耐候性を生み出すのです。

ゴムのレシピにおける phr とは何を意味しますか?

Phr はゴム 100 あたりの部数を表します。すべての成分は重量でゴムポリマー 100 部に対して表されているため、50 phr のカーボンブラックを含むコンパウンドにはポリマーの半分のブラックが含まれます。これは比率システムであり、完成したミックスのパーセンテージではありません。

硫黄を使わずにゴムを作ることはできますか?

はい。 EPDM、シリコーン、および多くの特殊グレードは、硫黄の代わりに過酸化物、フェノール樹脂、または金属酸化物で硬化されます。硫黄は安価であり、NR、SBR、NBR などの不飽和鎖によく作用するため、依然として最も一般的な治療剤です。