ゴムは何でできていますか?天然ラテックス、合成ポリマー、添加剤

2 枚のゴムシートは同じパレット上に置かれ、同じ厚さ、同じ黒色の表面に見えますが、一方は屋外で 5 つの夏を乗り切ることができますが、もう一方は 1 シーズン以内にひび割れます。違いは決してラベルにある「ゴム」という言葉ではありません。それはゴムが実際に作られているものです。

つまり、すべてのゴムは長いポリマー鎖として始まります。天然ゴムはゴムの木から採取したポリイソプレンを液体ラテックスとして使用します。合成ゴムは、ブタジエンやスチレンなどの石油ベースのモノマーから作られたチェーンを使用します。どちらも単独では機能しません。両方とも硬化剤、充填剤、オイル、保護剤とブレンドされ、熱で加硫されてチェーンを 1 つの弾性ネットワークに固定します。

簡単な答え: ポリマー鎖と化合物のフォーミュラ

エンジニアはゴムをエラストマーと呼んでいます。これは、荷重がかかると伸び、放されると元に戻るポリマーです。ポリマーは、何千もの繰り返し単位が端から端まで結合して鎖状になった巨大な分子です。天然ゴムの構成要素はイソプレン (C5H8) です。しかし、生ポリマーだけでは夏はべたつき、冬は硬く、負荷に弱いのです。そのため、本物のゴムは常にコンパウンドであり、ポリマーが重量の約半分から 3 分の 2 しか占めないレシピになっています。残りの成分は 5 つのファミリーに分類されます。

1. ベースポリマー - 天然ポリイソプレンまたは合成エラストマー。製品の核となる特性を決定します。
2. 硬化システム - 硫黄または過酸化物。加硫中に架橋を形成します。
3. フィラー - カーボン ブラック、シリカ、粘土、またはチョーク。強度を高め、コストを抑えます。
4. プロセスオイルと可塑剤は、ストックを柔らかくして混合やカレンダー加工をスムーズにします。
5. 保護剤 - 熱、オゾン、風化による攻撃を遅らせる酸化防止剤、オゾン防止剤、ワックス。

天然ゴム: 樹木ラテックスからのポリイソプレン

天然ゴムはゴムの木である Hevea brasiliensis から採取されます。作業員が樹皮に細い螺旋状の切り込みを入れると、木からラテックスがにじみ出る。乳状の液体で、内容物の約30～35パーセントが水に懸濁したゴム炭化水素で、カップの中で凝固しないようにアンモニアで安定化されていることが多い。内部のポリマーは cis-1,4-ポリイソプレンであり、その整然とした弾むような形状が天然ゴムの並外れた弾性を説明しています。伸ばされると鎖が整列して結晶化します。そのため、充填されていない天然ゴムでも 25 MPa 近くの引張強度に達することができます。

加工するには、ラテックスをギ酸で凝固させ、丸めて乾燥させてリブ付きスモークシートにするか、輸送用にブロックグレードに圧縮します。 1本の木から乾燥ゴムが年間わずか数キログラムしか取れないため、天然ゴムは農産物であり、その価格は収穫量や輸送ルートによって変動します。

シール性と衝撃吸収用の天然ゴムシート ラテックスがどのようにシートに加工されるかを説明した後、この天然ゴムシートは、-50℃から70℃までの温度範囲で使用される、高い弾性、耐引き裂き性、およびシール、滑り止め、ライニングなどの安定した性能を備えた例です。 製品を見る→

その化学的弱点は、ゴムにバネを与えるのと同じ二重結合にあります。オゾン、紫外線、炭化水素油がその部位を容易に攻撃するため、未処理の天然ゴムは屋外で亀裂が入り、燃料の中で膨張します。これらが、配合業者が保護剤を追加したり、合成代替品に切り替えたりする主な理由です。

合成ゴム: 石油から作られたポリマー

合成ゴムは、原油や天然ガスから得られるモノマーを重合して作られます。油、熱、オゾン、摩耗、炎などの特定の脅威に合わせて各レシピを調整できるため、現在では世界のゴム消費量の約 3 分の 2 を占めています。ラベル上のモノマーは性能を予測します。

ニトリル (NBR) は、モノマーがどのように特性に直接変換されるかを示しています。アクリロニトリル含有量を約 18 パーセントから 45 パーセントに増やすと、低温での柔軟性と引き換えに耐油性が確実に向上します。その詳細を無視した購入者は、封入するために購入した液体の中でシールが膨張することになります。

耐油性を調整できるNBRゴムシート アクリロニトリル含有量と油膨潤についての説明に続いて、このニトリルゴムシートは材料の選択を示しています。低温での柔軟性やオゾン耐久性よりも流体抵抗が重要となる、油にさらされるシーリング用途に適しています。 製品を見る→

EPDM は反対の取引を行います。その飽和した骨格はオゾン、太陽光、水をはねのけます。そのため、屋外のガスケットや屋根材をしっかりと掴みます。しかし、同じ化学的性質により、炭化水素油に対する耐性はほとんどありません。

屋外シール用EPDMゴムシート EPDM の飽和バックボーンがオゾン、太陽光、水に耐性があるという記述の直後に、このシートは屋外のガスケット、屋根材、断熱材に適合し、耐油性は限られていますが、-40℃ ～ 150℃ の範囲で使用できます。 製品を見る→

ゴムコンパウンドに他に何が含まれるか

配合量は phr、つまりゴム重量 100 部あたりの部数で表されます。典型的な黒色化合物はおおよそ次のようになります。

• 硫黄、1～3 phr: 架橋剤。少なすぎると弱いゴムが残り、多すぎると硬いエボナイトになってしまいます。
• 促進剤、2 phr 未満: 硫黄を低温で速く硬化させる化学物質。
• 酸化亜鉛、3 ～ 5 phr、およびステアリン酸、1 ～ 2 phr: 促進剤を機能させる活性化剤。
• カーボン ブラック、20 ～ 50 phr: ほとんどの工業用ゴムが黒い理由であり、引張強度と摩耗寿命を 2 倍にする充填剤です。
• 粘土またはチョーク: 重要ではない部分の硬度と価格を調整する低コストの充填剤。
• プロセスオイル、5 ～ 20 phr: 粉砕やカレンダー加工用に混合物を柔らかくします。
• 酸化防止剤、オゾン防止剤、ワックスを 1 ～ 5 phr 配合: 老化とオゾンクラッキングを遅らせます。

任意のラインを動かすと、製品もそれに合わせて動きます。ワックスを追加すると、シートがオゾンを防ぎます。カーボンブラックをシリカに交換すると、価格とともに引き裂き強度が上がります。硫黄が増加すると、ショア A スケールで硬度が上昇します。同じ厚さ仕様の 2 枚のシートがまったく同じように動作しないのはこのためです。

加硫: チェーンを固定するステップ

未加硫のゴムは独立した鎖が絡み合って互いに滑り、暑い日には粘着性があり、弱く、形が崩れます。 1839 年、チャールズ グッドイヤーは、ゴムを硫黄で加熱すると永久的にゴムが変化することを発見しました。硫黄原子は反応性二重結合で隣接する鎖に橋を架け、何千もの緩んだストランドを単一のネットワークに溶接します。

図の赤いリンクは硫黄橋であり、すべての加硫プレスの内部で同じ反応が行われます。この数字は民間伝承ではなく実際的なものです。プレス硬化は通常、部品の厚さに応じて 140 ～ 180°C で数分から最大 1 時間実行され、架橋密度によって最終的な硬度が決まります。シリコーンおよび一部の EPDM グレードは硫黄を省略し、代わりに過酸化物またはマイクロ波熱風ラインで硬化します。そのため、硫黄硬化ゴムが劣化する温度でもシリコーン シートが柔軟性を維持します。

原料ポリマーがシート、マット、ベルトになるまで

レシピは機械を通してのみ製品となり、出力が牛マットであってもベルトコンベアであっても手順は同じです。

1. 混合 - 内部ミキサー (バンバリー)、ニーダー、またはオープン 2 ロール ミルでポリマーを剪断し、充填剤、オイル、および化学薬品を分散します。混合温度とエネルギーによって、化合物の均一性が決まります。
2. 成形 - カレンダー加工によりコンパウンドが連続シートに変わり、押出機がプロファイルを形成し、熱と圧力の下で金型部品をプレスします。
3. 加硫 - プレス、オートクレーブ、ロトキュア ドラム、またはマイクロ波ラインにより、最終的な弾性特性が固定されます。

各ステージは相互に供給し合います。分散が不十分なフィラーはカレンダーでは決して回復せず、不均一なロールギャップが硬化後に厚さの変化として再び現れます。そのため、加工業者は混合、成形、硬化を 1 つの連続したチェーンとして扱い、ゴムミキサー、カレンダー、プレス機の選択に関するガイドでは、その選択ロジックを段階的に説明しています。

では、ゴムは何でできているのでしょうか？ポリマー（樹木ラテックスからの天然イソプレン鎖または石油からの合成鎖）に、硬化剤、充填剤、オイル、保護剤を配合した配合物を加硫によって 1 つの弾性ネットワークに溶接します。ポリマーが直面する暴露に合わせてポリマーを選択します。油には NBR、太陽光や天候には EPDM、摩耗とコストには天然ゴムまたは SBR、極端な温度にはシリコーンを使用します。

シート、マット、またはベルトを調達している場合は、ポリマーの種類、ショア A 硬度、引張強さ、伸びなどの複合データシートを要求してください。「ゴム」という言葉ではなく、これらの数値が、用途内で部品がどのように劣化するかを予測するためです。ゴム加工装置とゴム完成品の両方のメーカーとして、当社はそのチェーンのあらゆる段階で作業を行っています。化合物が当社のゴム製品ソリューションの実際の用途にどのようにマッピングされるかをご覧ください。