VULKANİZASYON

     Vulkanizasyon, doğal veya sentetik kauçuğun fiziksel özelliklerinin iyileştirildiği kimyasal işlem; bitmiş kauçuk daha yüksek çekme mukavemetine ve şişme ve aşınmaya karşı dirence sahiptir ve daha geniş bir sıcaklık aralığında elastiktir. En basit haliyle vulkanizasyon, kauçuğun kükürt ile ısıtılmasıyla gerçekleştirilir.

      İşlem, 1839 yılında, süreçte belirli ek maddelerin önemli işlevine de dikkat çeken ABD'li mucit Charles Goodyear tarafından keşfedildi. Hızlandırıcı adı verilen böyle bir malzeme, vulkanizasyonun daha hızlı veya daha düşük sıcaklıklarda ilerlemesine neden olur. Kauçuk ve kükürt arasındaki reaksiyonlar tam olarak anlaşılmamıştır, ancak üründe kükürt kauçukta basitçe çözülmez veya dağılmaz; çoğunlukla uzun zincirli moleküller arasında çapraz bağlar veya köprüler şeklinde kimyasal olarak birleştirilir.

      KAUÇUK

      Kauçuk, belirli tropikal bitkilerin eksüdatlarından (doğal kauçuk) veya petrol ve doğal gazdan (sentetik kauçuk) elde edilen elastik madde. Elastikliği, dayanıklılığı ve sertliği nedeniyle kauçuk, otomotiv araçlarında, uçaklarda ve bisikletlerde kullanılan lastiklerin temel bileşenidir. Üretilen tüm kauçuğun yarısından fazlası otomobil lastiklerine gider; geri kalanı montajlar, contalar, kayışlar ve hortumlar gibi mekanik parçalara ve ayrıca ayakkabı, giyim, mobilya ve oyuncak gibi tüketici ürünlerine gider.

      Kauçuğun temel kimyasal bileşenleri, büyük zincir benzeri moleküller olan elastomerler veya "elastik polimerler"dir; bunlar büyük uzunluklara gerilebilir ve yine de orijinal şekillerini geri kazanabilirler. İlk yaygın elastomer, doğal kauçuğun yapıldığı poliizoprendir. Canlı bir organizmada oluşan doğal kauçuk, lateks adı verilen sütlü bir sıvıda asılı duran katılardan oluşur ve birçok tropikal ve subtropikal ağaç ve çalının, ancak ağırlıklı olarak Brezilya kökenli uzun, yumuşak bir ağaç olan Hevea brasiliensis'in kabuğunun iç kısımlarında dolaşır. Doğal kauçuk ilk olarak bilimsel olarak Charles-Marie de La Condamine ve François Fresneau tarafından 1735'te Güney Amerika'ya yaptıkları bir keşif gezisinin ardından tanımlanmıştır. İngiliz kimyager Joseph Priestley, 1770'te kalem izlerini silmek için kullanılabileceğini keşfettiğinde ona kauçuk adını vermiştir. Başlıca ticari başarısı, Charles Goodyear'ın 1839'da vulkanizasyon işlemini icat etmesinden sonra geldi.

      Doğal kauçuk günümüzde pazarda önemli bir yer tutmaya devam ediyor; ısı birikimine karşı direnci onu yarış arabaları, kamyonlar, otobüsler ve uçaklarda kullanılan lastikler için değerli kılıyor. Bununla birlikte, ticari olarak üretilen kauçuğun yarısından azını oluşturuyor; geri kalanı, 19. yüzyılda kısmen bilinen ancak 20. yüzyılın ikinci yarısına kadar, II. Dünya Savaşı'ndan sonra ticari olarak uygulanmayan kimyasal işlemler yoluyla sentetik olarak üretilen kauçuktur. En önemli sentetik kauçuklar arasında bütadien kauçuk, stiren-bütadien kauçuk, neopren, polisülfit kauçuklar (tiyokoller), bütil kauçuk ve silikonlar bulunur. Sentetik kauçuklar, doğal kauçuklar gibi, vulkanizasyonla sertleştirilebilir ve diğer malzemelerle takviye edilerek özel amaçlar için iyileştirilebilir ve değiştirilebilir.

      DOĞAL KAUÇUK ÜRETİMİ

      Kauçuk Ağacı

      Ticari olarak, doğal kauçuk neredeyse sadece Güney Amerika'ya özgü bir ağaç olan Hevea brasiliensis'ten elde edilir ve burada 34 metre (120 fit) yüksekliğe kadar yabani olarak büyür. Ancak plantasyonlarda yetiştirildiğinde ağaç sadece yaklaşık 24 metre (80 fit) kadar büyür çünkü büyüme için gerekli olan karbon aynı zamanda kauçuğun da temel bir bileşenidir. Sadece atmosferik karbondioksit bitkiye karbon sağlayabildiğinden, ağaç aktif üretimdeyken elementin iki ihtiyaç arasında paylaştırılması gerekir. Ayrıca, yaprakların ağacın tepesiyle sınırlı olması (musluğu kolaylaştırmak için) nedeniyle karbondioksit alımı yabani bir ağaca göre daha azdır. Diğer ağaçlar, çalılar ve otsu bitkiler kauçuk üretir, ancak hiçbiri verimlilik açısından Hevea brasiliensis ile karşılaştırılamaz olduğundan, endüstri botanikçileri çabalarını sadece bu türe yoğunlaştırmışlardır.

Malezya'nın Kuala Lumpur kenti yakınlarındaki bir kauçuk plantasyonunda ağaçlardan toplanan lateks.

      Hevea yetiştiriciliğinde, arazinin doğal hatları takip edilir ve ağaçlar rüzgardan korunur. Kauçuk ağaçlarının yanına ekilen örtü bitkileri eğimli zeminde yağmur suyunu tutar ve atmosferik nitrojeni sabitleyerek toprağın gübrelenmesine yardımcı olur. Dayanıklı anaçların fidanlıkta yetiştirilmesi ve bunların üzerine aşılama, elle tozlaşma ve genetik olarak tekdüze bir ürün üretmek için vejetatif çoğaltma (klonlama) gibi standart bahçecilik teknikleri de kullanılır.

      Hevea, donun asla görülmediği tropik ve subtropik bölgelerin yalnızca iyi tanımlanmış bir alanında yetişir. Yaklaşık 2.500 mm (100 inç) olan yoğun yıllık yağış, ıslak bir bahar vurgusu ile esastır. Bu gereksinimlerin bir sonucu olarak, yetiştirme alanları sınırlıdır. Güneydoğu Asya, kauçuk kültürü için özellikle iyi bir konumdadır; Güney Asya ve Batı Afrika'nın bazı kısımları da öyle. Hevea'nın doğal yaşam alanı olan Brezilya'daki yetiştiriciliği, 20. yüzyılın başlarında hastalık nedeniyle neredeyse tamamen yok oldu.

Kauçuk ağacından lateks çıkarılıyor.

      Hevea ağacının kabuğu kısmen kesildiğinde (vurulduğunda), yaradan sütlü bir sıvı sızar ve kuruyarak kauçuksu bir film oluşturur. Bu lateksin biyolojik işlevi hala belirsizdir: iç kabuğu koruyarak yara iyileşmesine yardımcı olabilir veya diğer biyokimyasal işlevlere hizmet edebilir. Lateks, yüksek moleküler ağırlıklı doğrusal kauçuksu bir polimer olan cis-poliizopren'in yaklaşık 0,5 mikron çapındaki küçük parçacıkların sulu bir süspansiyonundan oluşur. Süspansiyonun kauçuk içeriği yaklaşık %30'dur.

      Kauçuk ağaçları yaklaşık iki günde bir kez vurularak, her seferinde yaklaşık 50 gram (1,7 ons) katı kauçuk içeren bir fincan dolusu lateks elde edilir. Vurmanın standart yöntemi, gövdenin çevresinin yarısı kadar bir bıçakla ağacı çizmek, kesimi vurucu için uygun en yüksek noktadan başlayarak 30° açıyla soldan sağa doğru eğmektir. Sonraki her kesim, selefinin hemen altından yapılır. Ağaçlar genellikle yoğun vurmadan sonra bir süre dinlendirilir. Üretim, ağaç 5 veya 6 yaşına geldiğinde başlar; bakımla ağacın faydalı ömrü 20 yıldan fazla uzayabilir. Hektar başına 375 (akre başına 150) yoğunlukta yetiştirilen ağaçlarla, hektar başına yılda yaklaşık 2.500 kg kauçuk üretilebilir (yani, yaklaşık olarak dönüm başına yılda bir ton).

      Musluktan çekilen lateksin toplanmasının ardından kauçuk, formik asitle koagülasyon yoluyla emülsiyondan geri kazanılır ve süt loruna benzeyen kırıntılar oluşturulur. Kırıntılar yıkanır, rulolar arasında kurutulur ve 67 x 33 x 18 cm (26 x 13 x 7,5 inç) boyutlarında ve 33,3 kg (73 pound) ağırlığında bloklar halinde sıkıştırılır. Bloklar daha sonra polietilen levhalara sarılır ve nakliye için bir tonluk kasalara paketlenir.

Lateksten pıhtılaştırılmış doğal kauçuk levhaların silindirler arasından geçirilmesi, Krabi, Tayland.

      Diğer üretim, pıhtılaşmış tabakanın ince tabakalara preslendiği, yıkandığı ve ardından dumanlı odun ateşinde kurutulduğu füme tabakadır. Duman, küf oluşumuna karşı koruma sağlayan ve karakteristik kehribar rengi veren doğal mantar öldürücüler içerir. Kurutulmuş tabakalar nakliye için 110 kg'lık (250 pound) balyalara paketlenir.

      Tüm doğal kauçuğun yaklaşık yüzde 10'u lateks olarak gönderilir, yaklaşık yüzde 60'lık bir kauçuk içeriğine konsantre edilir ve cerrahi eldivenler, profilaktikler ve oyuncaklar gibi daldırılmış ürünler yapmak için kullanılır.

      Doğal kauçuk endüstrisinin gelişimi

      Lateksin doğal olarak buharlaşmasına izin verilirse, oluşan kauçuk tabakası kurutulabilir ve şişeler, ayakkabılar ve toplar gibi kullanılabilir nesnelere preslenebilir. Güney Amerika yerlileri erken dönemlerde bu tür nesneler yaptılar: örneğin kauçuk toplar, Kristof Kolomb Güney Amerika ve Karayipler'i keşfetmeden çok önce bir Aztek tören oyununda (ollama adı verilir) kullanılırdı. Kolomb'un 1493-96'da Yeni Dünya'ya yaptığı ikinci seyahatte, günümüz Haiti'sindeki yerlilerin bir ağacın sakızından yapılmış toplarla bir oyun oynadıklarını gördüğü söylenir. 1615'te bir İspanyol, Kızılderililerin çeşitli ağaçlarda açılan kesiklerden süt toplayarak bunu pelerinlerine sürdüklerini ve ayrıca toprak kalıpları kaplayarak ve kurumaya bırakarak kaba ayakkabılar ve şişeler elde ettiklerini anlattı.

      Kauçuk üretimi ve ilkel Yerli Amerikan üretim sistemi hakkında ilk ciddi açıklamalar, 1735'te Güney Amerika'ya gönderilen bir Fransız coğrafi keşif gezisinin üyesi olan Charles-Marie de La Condamine tarafından 18. yüzyılda yapıldı. La Condamine, "caoutchouc"u (yerli bir terim olan "ağlayan odun"un Fransızca yazılışı) Hevea ağacının yoğunlaştırılmış suyu olarak tanımladı ve 1736'da Avrupa'ya kauçuk örnekleri gönderdi. Başlangıçta yeni malzeme yalnızca bilimsel bir meraktı. Birkaç yıl sonra İngiliz bilim adamı Joseph Priestley, kalem izlerini kağıttan silmek için kullanışlı olduğunu belirtti ve böylece popüler terim kauçuk ortaya çıktı. Diğer uygulamalar, özellikle ayakkabı ve giysilerin su geçirmez hale getirilmesi için giderek gelişti.

      Gerçek bir kauçuk endüstrisine doğru önemli ilerleme, 19. yüzyılın başlarında İskoç bir kimyager olan Charles Macintosh ve İngiliz bir mucit olan Thomas Hancock'un ayrı deneylerinden geldi. Macintosh'un katkısı, 1823'te kömür katranı naftasının ucuz ve etkili bir çözücü olarak yeniden keşfedilmesiydi. İki kumaş arasına kauçuk ve nafta çözeltisi yerleştirdi ve böylece kauçukla işlenmiş eski tek dokulu giysilerde yaygın olan yapışkan yüzeylerden kaçındı. Bundan sonra "mackintosh" olarak bilinen bu çift dokulu su geçirmez pelerinlerin üretimi kısa süre sonra başladı.

      Macintosh'un meslektaşı ve ortağı olan Hancock'un çalışması daha da büyük önem taşıyor. Önce kauçuğu terebentin içinde eritmeye çalıştı, ancak elle kaplanmış kumaşları yüzey dokusu ve koku açısından tatmin edici değildi. Daha sonra elastik iplik üretimine yöneldi. İthal edilen topaklardan kauçuk şeritleri kesilerek kaba haliyle giysi ve ayakkabılara uygulandı. 1820'de, atık kırpıntılarını kullanmak için bir çaba sarf eden Hancock bir çiğneme makinesi icat etti. Dişlerle donatılmış içi boş bir ahşap silindirden yapılmış ve elle çalıştırılan sivri uçlu bir silindirin döndürülmesiyle oluşturulan bu minik makine, başlangıçta iki ons kauçuk yükü alarak Hancock'un en büyük umutlarını aştı. Kauçuğu parçalara ayırmak yerine, kauçuk parçalarını daha sonraki üretimde kullanılabilecek tutarlı bir kütleye kaynaklamak için yeterli sürtünme üretti.

      Macintosh ve Hancock'un çabaları ham maddeyi işleme konusundaki ilk sorunu çözdü, ancak doğal kauçuğun tam olarak kullanılmasının önündeki temel bir engel vardı: ısıyla yumuşayıp soğukla sertleşiyordu (özellikle iklimin İngiltere'den daha uç noktalarda olduğu Kuzey Amerika'da can sıkıcıydı). Ayrıca yapışkan, kokulu ve çabuk bozulan bir maddeydi. Bu temel zayıflıklar, 1839'da Charles Goodyear'ın vulkanizasyonu icat etmesiyle ortadan kaldırıldı. Goodyear, kauçuk, beyaz kurşun ve kükürtten oluşan bir bileşik ve bir ısıl işlem (veya kürleme) süreci geliştirerek etkileyici bir dayanıklılık sergileyen bir ürün yarattı -ilk başta yanmaz sakız, daha sonra vulkanize kauçuk olarak adlandırıldı.

      Vulkanizasyon, maddenin makinelerde ve bisiklet lastiklerinde ve daha sonra otomobillerde kullanılmasına izin vererek modern kauçuk endüstrisini mümkün kıldı. Sonraki keşifler Goodyear'ın orijinal tekniklerini geliştirmiş olsa da, vulkanizasyon süreci temelde onun zamanındakiyle aynı kalmıştır.

      Bisikletin ve biraz daha sonra otomobilin ortaya çıkması ve katı ve daha sonra pnömatik kauçuk lastiğin icadıyla, kauçuğa olan talep hızla arttı. 1900'e gelindiğinde, her yıl yaklaşık yarısı Brezilya'dan ve yarısı da kauçuğun esas olarak Landolphia asmalarından elde edildiği Orta Afrika'dan olmak üzere 40.000 tondan fazla kullanılıyordu. Ancak, önemli bir endüstriyel malzeme olarak kauçuğa, Brezilya ormanlarındaki vahşi ve yaygın ağaçlardan veya hektar başına yalnızca bir kilogram üreten ve kauçuğu elde etmek için yok edilen Afrika asmalarından kolayca elde edilebilecek miktardan daha fazla miktarda ihtiyaç duyuluyordu. Başka yerlerde kauçuk ağaçları yetiştirmek amacıyla, 1876'da Yukarı Orinoco havzasından Hevea brasiliensis ağacının tohumları Britanya Hindistan Ofisi'nin teşvikiyle Brezilya'dan İngiltere'ye götürüldü. Fideler Kew Bahçeleri'nde yetiştirildi ve Seylan'a (Sri Lanka) ve Singapur'a gönderildi. Bu ağaçlar, şu anda dünyanın arzının yüzde 90'ından fazlasını üreten Asya'daki kauçuk plantasyon endüstrisinin kökeniydi. Endüstri büyük ölçüde 1888'den 1912'ye kadar Singapur Botanik Bahçeleri'nin müdürü olan Henry N. Ridley'nin çalışmalarının bir sonucu olarak gelişti. Ridley, bugün hala kullanılan bahçecilik ve musluklama yöntemlerini tanıttı. Toplam dünya doğal kauçuk üretimi 1970'lerin başında yılda 3 milyon tona ulaşmış, 1980'lerin başında yılda 4 milyon tonu aşmış ve 2008'de yılda 10 milyon tona ulaşmıştır. Başlıca kauçuk üreten ülkeler Tayland, Endonezya ve Malezya'dır; bunları Asya üreticileri Çin, Hindistan, Filipinler, Vietnam ve Sri Lanka ile Batı Afrika ülkeleri Nijerya, Fildişi Sahili, Kamerun ve Liberya takip etmektedir.

      20. yüzyılın ilk on yılında Avrupa ve Kuzey Amerika'da otomobiller kuruldu ve otomotiv endüstrisi, II. Dünya Savaşı'na kadar lastikleri ve diğer bileşenleri için tamamen doğal kauçuğa bağımlı kaldı. Japonya 1941'de savaşa girdikten sonra, Sri Lanka hariç Asya kaynakları Müttefiklerden kesildi. Buna karşılık, Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyetler Birliği, guayule çalısı ve Rus karahindibası gibi alternatif doğal kauçuk kaynakları yetiştirmeye çalıştı. Bu girişimler pek başarılı olmadı, ancak sentetik kauçuktan çok daha iyi sonuçlar elde edildi. Özellikle Amerika Birleşik Devletleri, neredeyse bir gecede sentetik kauçuk endüstrisini geliştirerek yılda 800.000 tonluk bir üretime ulaştı. Savaşın sonunda, doğal kauçuğun tekrar mevcut olmasıyla, ABD sentetik kauçuk endüstrisi keskin bir düşüşe geçti, ancak 1950'lerin başında daha üstün ve daha düzgün sentetikler mevcut hale geldi. Bu malzemelerin ihracatı, Avrupa'da sentetik kauçuk endüstrisinin gelişimini teşvik etti. 1960'ların başlarında doğal kauçuk üretimi sentetik elastomerlerin üretimiyle geride bırakıldı.

      SENTETİK KAUÇUK ÜRETİMİ

      Polimerizasyon yöntemleri

      Sentetik elastomerler, endüstriyel ölçekte çözelti veya emülsiyon polimerizasyon yöntemleriyle üretilir. Çözeltide üretilen polimerler genellikle daha doğrusal moleküllere sahiptir (yani, ana polimer zincirinden yan zincirlerin daha az dallanması) ve ayrıca daha dar bir moleküler ağırlık dağılımına (yani, daha fazla uzunluğa) sahiptir ve daha kolay akar. Ayrıca, polimerizasyon çözeltide gerçekleştirildiğinde, monomer ünitelerinin polimer molekülündeki yerleşimi daha hassas bir şekilde kontrol edilebilir. Monomer veya monomerler, genellikle heksan veya sikloheksan olan bir hidrokarbon çözücüde çözülür ve bütillityum gibi bir organometalik katalizör kullanılarak polimerize edilir.

      Emülsiyon polimerizasyonunda, monomer (veya monomerler) yüzey aktif madde olarak kullanılan uygun bir sabunla (örneğin sodyum stearat) suda emülsifiye edilir ve polimerizasyonu başlatmak için suda çözünen serbest radikal katalizörü (örneğin potasyum persülfat, peroksitler, bir redoks sistemi) eklenir. Polimerizasyon istenen seviyeye ulaştıktan sonra, reaksiyon bir radikal inhibitörü eklenerek durdurulur. Emülsiyon teknikleriyle üretilen sentetik elastomerin yaklaşık %10'u lateks olarak satılır. Geri kalanı asitleştirilmiş tuzlu suyla pıhtılaştırılır, yıkanır, kurutulur ve 35 kg'lık (77 pound) balyalara preslenir.

      SBR'nin emülsiyon polimerizasyonu "sıcak" (yani 50 °C veya 120 °F'de) gerçekleştirildiğinde, polimer molekülleri daha dallıdır. Polimerizasyon "soğuk" (yani 5 °C veya 40 °F'de) gerçekleştirildiğinde, daha doğrusaldırlar ve genellikle daha yüksek moleküler ağırlıktadırlar; bu özellikler lastiklerin yuvarlanma direncini ve aşınma direncini iyileştirir. Bazı durumlarda, normalde çözülmesi zor olacak kadar yüksek moleküler ağırlıkta ürünler elde etmek için polimerizasyona devam edilir. Bu durumlarda, üstün aşınma direncine sahip "yağla genişletilmiş" elastomerler elde etmek için pıhtılaşmadan önce yaklaşık %30 oranında ağır yağ eklenir.

      Sentetik kauçuğun yükselişi

      Sentetik kauçuğun temelini oluşturan elastomerlerin kökenleri, doğal kauçuğun bileşimini ve yapısını açıklamak ve nihai hedefi malzemeyi yeniden üretmek olan 19. yüzyılın ilk yarısına kadar uzanmaktadır. 1838'de Alman F.C. Himly, maddeden uçucu bir damıtık elde etti ve 1860'ta İngiliz C. Greville Williams, damıtma yoluyla kauçuğu üç parçaya ayırdı: yağ, katran ve "ispirto". Bu son parça daha uçucu kısım ve Williams'ın izopren adını verdiği ana bileşendi. Fransız Georges Bouchardat, hidrojen klorür gazı ve uzun süreli damıtma yardımıyla, 1875'te izopreni kauçuk benzeri bir maddeye dönüştürdü ve 1882'de bir başka İngiliz, W.A. Tilden, terebentinin yıkıcı damıtılmasıyla izopren üretti. Tilden ayrıca izoprene CH2=C(CH3)―CH=CH2 yapısal formülünü atadı.

      Yukarıda özetlenen çabalar doğal kauçuğu kopyalama girişimleriydi. Doğal kauçuğa kimyasal eşdeğerler aramaktan vazgeçildiğinde ve karşılaştırılabilir fiziksel özellikler vurgulandığında sentetik kauçuk ortaya çıktı. Seçim, sentetik bir ürünün temeli olarak izoprene benzer bir bileşik olan bütadien (CH2=CH―CH=CH2) üzerine düştü. Rusya'dan birkaç önemli katkı geldi. 1901'de Ivan Kondakov, dimetil bütadienin potasyumla ısıtıldığında kauçuk benzeri bir madde ürettiğini keşfetti ve 1910'da S.V. Lebedev etil alkolden elde ettiği bütadieni polimerize etti. I. Dünya Savaşı sırasında, Müttefikler tarafından uygulanan ablukanın teşviki altında Almanya, Kondakov'un işlemini kullanarak "metil kauçuk" üretmeye başladı. Bu, günümüz standartlarına göre daha düşük bir ikameydi ve savaştan sonra Alman üreticiler daha ucuz ve daha tatmin edici doğal ürüne geri döndüler. Ancak araştırmalar ve deneyler devam etti ve 1926'da Alman G. Ebert, bütadienden sodyum polimerize edilmiş bir kauçuk üretmeyi başardı. Sonraki on yılda bu malzeme çeşitli "buna" kauçuk türlerine dönüştü (bunlar, bunları yapmak için kullanılan iki malzemenin ilk hecelerinden türetilmiştir: bütadien ve sodyum [sodyum]).

      Sovyetler Birliği'nde, Lebedev'in işlemini kullanarak polibütadien üretimi 1932-33'te ham madde olarak patates ve kireç taşı kullanılarak başladı. 1940'a gelindiğinde Sovyetler Birliği, yılda 50.000 tondan fazla üretim yaparak dünyanın en büyük sentetik kauçuk endüstrisine sahipti. Bu arada Almanya'da, doğal kauçuğun yerini alabilecek ve tatmin edici lastikler üretebilecek ilk sentetik elastomer, 1929'da bir emülsiyon işlemi kullanarak stiren ve bütadien'in kauçuksu bir kopolimerini sentezleyen Walter Bock ve Eduard Tschunkur tarafından I.G. Farben'de geliştirildi. Almanlar bu kauçuğa Buna S adını verdiler; İngilizler buna SBR veya stiren-bütadien kauçuğu adını verdiler. Stiren ve bütadien petrol, tahıl alkolü veya kömürden yapılabildiği için SBR, II. Dünya Savaşı sırasında büyük talep görüyordu. Büyük miktarlarda üretiliyordu; Almanya ve Sovyetler Birliği'nde yılda 100.000 tona kadar. Amerika Birleşik Devletleri'nde yılda yaklaşık 800.000 ton SBR üretiliyordu ve burada savaş zamanı GR-S (devlet kauçuğu-stireni) adını alıyordu. Savaş sırasında Alman kimya mühendisleri, SBR'nin düşük sıcaklıkta veya "soğuk" polimerizasyonunu mükemmelleştirerek daha düzgün bir ürün ürettiler.

      Diğer önemli sentetik elastomerler, II. Dünya Savaşı'ndan önceki on yıllarda keşfedildi, ancak hiçbiri lastik yapmak için uygun değildi. Bunlar arasında, 1926'da Amerika Birleşik Devletleri'nde Joseph Patrick tarafından sentezlenen ve 1930'dan sonra yağa dayanıklı tiyokol kauçukları olarak ticarileştirilen polisülfitler; 1931'de Arnold Collins tarafından keşfedilen ve 1932'de DuPont Şirketi tarafından Duprene (daha sonra neopren) olarak ticarileştirilen, yüksek mukavemetli yağa dayanıklı kauçuk olan polikloropren; 1930'da Erich Konrad ve Tschunkur tarafından sentezlenen ve Almanya'da Buna N olarak bilinen akrilonitril ve bütadien'in yağa dayanıklı bir kopolimeri olan nitril kauçuk (NBR); ve 1937'de Amerikalılar R.M. Thomas ve W.J. Sparks tarafından Standard Oil Company'de (New Jersey) keşfedilen izopren ve izobütilenin bir kopolimeri olan butil kauçuk (IIR) vardı.

      II. Dünya Savaşı'ndan sonra, sentetik kimyadaki artan karmaşıklık birçok yeni polimer ve elastomerin ortaya çıkmasına yol açtı. 1953-54'te iki kimyager, Almanya'dan Karl Ziegler ve İtalya'dan Giulio Natta, polimer zinciri boyunca birimlerin yerleşimini ve düzenlenmesini hassas bir şekilde kontrol edebilen ve böylece düzenli (stereospesifik) yapılar üretebilen bir organometalik katalizör ailesi geliştirdiler. Bu tür katalizörlerin kullanımıyla izopren, zincirdeki her bir birimin selefine cis konfigürasyonunda bağlanacağı şekilde polimerize edildi; bu, doğal kauçuğun yapısıyla neredeyse aynıydı. Bu şekilde neredeyse yüzde 100 cis-poliizopren, yani "sentetik doğal kauçuk" üretildi. 1961'de monomer olarak bütadien içeren aynı tip katalizör, özellikle zorlu servis koşullarına maruz kalan lastiklerde mükemmel aşınma direncine sahip olduğu bulunan bir kauçuk olan cis-1,4-polibütadien üretmek için kullanıldı.

      Savaş sonrası yılları karakterize eden birkaç başka gelişme daha vardı. Örneğin, aynı molekülde bir kimyasal birimin uzun bir dizisinin, başka bir kimyasal birimin uzun bir dizisi tarafından takip edildiği blok kopolimerler, birçok farklı birim ve dizi uzunluğu kullanılarak yapıldı. Stiren-akrilonitril kopolimerleri, polisülfitler ve klorlanmış ve klorosülfonlanmış polietilen dahil olmak üzere yeni yağa ve ısıya dayanıklı elastomerler tanıtıldı. Çoğu polimerde bulunan geniş moleküler uzunluk aralığı üzerinde bir dereceye kadar kontrol sağlandı, bu nedenle birçok durumda oldukça farklı viskoz özelliklere sahip dar veya geniş dağılımlar üretilebilir. Ek olarak, polimerler, ana zincir boyunca birçok küçük dal veya merkezi bir noktadan yayılan birkaç uzun "kol" ile dallı moleküllerle sentezlendi, bu da farklı akış özellikleri ve daha kolay çapraz bağlama sağladı.

      Sentetik kauçuğun dünya tüketimi 1993'te dokuz milyon tona ulaştı. Üretilen tüm sentetik kauçuğun yaklaşık %55'i otomobil lastiklerinde kullanılıyor.

      Katkı maddeleri

      Belirli istenen özellikleri elde etmek için hem doğal hem de sentetik kauçuğa bir dizi bileşen eklenir. Geleneksel olarak, karışım formülasyonları, belirlenmiş elastomerin miktarıyla başlar - örneğin, doğal kauçuk (NR), bütadien kauçuk (BR) veya stiren-bütadien kauçuk (SBR) - ağırlıkça 100 kısım olarak verilir. Daha sonra, diğer bileşenlerin her birinin miktarı, elastomerin ağırlıkça 100 kısmı başına eklenen ağırlıkça kısım olarak ifade edilir. İki veya daha fazla elastomer kullanılırsa, bunlar tarifte 100 kısmın kesirleri olarak gösterilir - örneğin, "NR, 60 kısım; BR, 40 kısım." Elastomer, üretici tarafından önceden eklenmiş yağ içeriyorsa, tarifte bu seyreltme için pay bırakılır. Örneğin, SBR 1702 kullanılıyorsa, karışım formülasyonu “SBR 1702, 137,5 ağırlık parçası” şeklinde başlayabilir, çünkü bu miktardaki SBR 1702, 37,5 ağırlık parçası yağ ve 100 ağırlık parçası SBR elastomeri içerir.

      Kür paketi

      En önemli bileşenler, karışım "kürlendiğinde" birbirine bağlanma reaksiyonlarının gerçekleşmesine neden olan kür paketi olarak bilinen bileşenlerdir. Erken kür riskini en aza indirmek için, genellikle karıştırmanın sonunda eklenirler. Kür paketi genellikle kükürt ve bir veya daha fazla "hızlandırıcı"dan (örneğin, sülfenamidler, tiuramlar veya tiyazoller) oluşur ve bunlar kükürt birbirine bağlanma reaksiyonunun daha hızlı ve daha verimli bir şekilde gerçekleşmesini sağlar. Kükürt ile hızlandırıcı oranı birden az olduğunda, reçete "etkin vulkanizasyon" (EV) sistemi olarak bilinir ve daha kısa uzunlukta kükürt birbirine bağlı ürünler verir. EV ürünleri iyileştirilmiş esnekliğe sahiptir ancak daha düşük mukavemete sahiptir.

      Vulkanizasyon kimyasında önemli rol oynayan diğer iki bileşen "aktivatör" olarak bilinir, genellikle çinko oksit ve stearik asittir. Bu bileşikler, bir araya gelerek ve hızlandırıcılarla reaksiyona girerek çinko kükürtleme bileşiği oluştururlar; bu da dien elastomerine kükürt eklenmesinde ve kükürt bağlantılarının oluşturulmasında temel aracıdır.

      Daha az kullanılan diğer bağlayıcı reaktifler, kükürt donörleri olarak bilinen kükürt bileşikleridir (örneğin, tetrametiltiuram disülfür) ve polimer molekülleri arasında monosülfür bağları ve özellikle dikumil peroksit olmak üzere peroksitler oluştururlar. Peroksitler ısıtıldığında ayrışarak polimer moleküllerindeki gruplardan hidrojeni soyutlayan radikaller oluştururlar. Bu şekilde farklı moleküller üzerinde oluşan karbon radikalleri daha sonra birleşerek karbon-karbon bağları oluştururlar. C―C bağları olan ürünler ısıya ve oksidatif saldırıya karşı daha dayanıklı olsa da, mukavemetleri kükürt bağları olan ürünlerden daha düşüktür. Ayrıca, monosülfür bağları polisülfit bağlarından daha zayıf ürünler verir. Bu paradoksal sonuç (doğası gereği güçlü C―C bağları en zayıf ürünleri verirken, doğası gereği zayıf polisülfit bağları en güçlü ürünleri verir) zayıf bağların ana zincirden önce stres altında kırılacağı ve böylece elastomer molekülünün kendisinin bozulmasının gecikeceği gerçeğine atfedilir.

      Dolgu maddeleri

      Kauçuğu ucuzlatmak ve sertleştirmek için akla gelebilecek hemen her türlü malzeme kauçuğa eklenmiştir. İki partikül dolgu maddesi, elastomerleri de dikkate değer bir derecede güçlendirdikleri için olağanüstüdür. Neredeyse evrensel olarak kullanılan en önemlisi, petrol veya gazın eksik yanması ile hazırlanan ince bölünmüş karbon siyahıdır. Karbon siyahı, çapları yalnızca 10-100 nanometre (10-100 milyarda bir metre) olan ve eşmerkezli grafit karbon katmanlarından oluşan küçük küresel parçacıklardan oluşur. Parçacıkların yüzeyi ayrıca bir miktar oksijen ve hidrojen içerir. Üretim sırasında, parçacık zincirleri birbirine kaynaşarak, hala çok küçük boyutta olan genişletilmiş açık "yapılar" oluşturur.

      Benzer şekil ve boyutta parçacıklara sahip bir diğer güçlendirici dolgu maddesi, silikon tetraklorürün yakılması veya sodyum silikat çözeltisinden asit çökeltmesi ile hazırlanan ince bölünmüş silikadır (silisyum dioksit, SiO2).

      Hem karbon siyahı hem de silika, hacimce yaklaşık %30 konsantrasyonda bir karışım bileşiğine eklendiğinde, kauçuğun elastik modülünü iki ila üç kat artırır. Ayrıca, SBR gibi zayıf malzemelere özellikle aşınmaya karşı direnç olmak üzere dikkate değer bir tokluk kazandırırlar. Daha fazla miktar eklenirse, modül daha da artacaktır, ancak daha sonra mukavemet düşmeye başlayacaktır. Karbon siyahı veya silika ile takviyenin dezavantajları, daha düşük yaylılık (esneklik) ve esnemeden sonra başlangıçtaki yüksek sertlikte azalmadır.

      Bir dolgunun takviye edici olması için, temel parçacıkların küçük olması gerektiği anlaşılıyor -örneğin, 10-50 nanometre çapında- ve elastomerin bunlara iyi yapışması gerekiyor. Bu koşullardan herhangi biri yoksa, takviye gücü azalacaktır. Gerçekten de, parçacık boyutu ne kadar küçükse (ve dolayısıyla yüzey alanı ne kadar büyükse), gözlemlenen takviye etkisi o kadar büyük olur. İnce parçacıkların elastomer bileşiklerine nasıl yüksek mukavemet ve tokluk kazandırabildiği hala anlaşılamamıştır. Güçlendirme ve sertleştirme muhtemelen dolgu parçacıklarından yüksek gerilimli elastomer moleküllerinin ayrılmasıyla ilişkilidir, bu da polimer zincirlerindeki stresi azaltır ve felaketle sonuçlanacak kırılmayı geciktirir.

      Koruyucu kimyasallar

      Belirli katkı maddeleri ısıya, güneş ışığına, oksijene ve ozona karşı direnç sağlar. Aminler, özellikle parafenilen diaminler, güçlü oksidasyon geciktiricileri veya antioksidanlardır. Kauçuk bileşiklerine küçük miktarlarda (yüzde 1-2) eklendiklerinde, kauçuk yaşlandıkça moleküler kopmaya ve yumuşamaya veya artan birbirine bağlanmaya ve sertleşmeye yol açan serbest radikal oksidasyon reaksiyonlarını bozuyor gibi görünmektedir. Başka bir antioksidan sınıfı olan engellenmiş fenoller, aminlerden daha az güçlüdür ancak açık renkli kauçuk bileşiklerini lekeleme eğilimleri daha azdır. Özellikle bakır, manganez ve demir olmak üzere belirli metallerin küçük miktarları, güçlü oksidasyon katalizörleri olarak işlev görür; bu nedenle, varlıkları kaçınılmazsa bu elementlerin etkisini engellemek için sekestrasyon ajanları kullanılır.

      Atmosferik ozon, C=C çift bağları içeren elastomerlerle kolayca reaksiyona girerek yüzeyde bulunan moleküllerin kırılmasına yol açar. Sonuç olarak, kauçuk hafifçe (yaklaşık %10'dan fazla) gerildiğinde ozon çatlakları adı verilen küçük, derin çatlaklar oluşur. Tipik bir dış mekan ozon konsantrasyonuna, yaklaşık 100 milyonda 5 parça, maruz kaldıktan sadece birkaç hafta sonra korumasız kauçukta bir milimetre uzunluğunda çatlaklar oluşur. Ancak, belirli diaminler (örneğin, alkil-aril parafenilen diaminler), muhtemelen ozonla reaksiyona girmek için kauçuktaki C=C bağlarıyla rekabet ederek çatlamayı önler. Bu antiozonantlar yüzeye "çiçek açar" ve orada reaksiyona girerek kauçuğu korur. Bu nedenle, doymamış elastomerlere dayalı kauçuk bileşiklerinin karışım formülasyonuna genellikle birkaç yüzde antiozonant eklenir. Genellikle aynı anda kullanılan alternatif bir koruma yöntemi, karışım formülasyonuna birkaç yüzde mikrokristalin parafin mumu eklemektir. Elastomerle uyumsuz olduğu için mum yüzeye çıkarak koruyucu bir tabaka oluşturur.

      Plastikleştiriciler ve işleme yardımcıları

      Sıvılar, bileşiği yumuşatmak ve plastikleştirmek için elastomer karışımlarına eklenir, bu işlem sırasında veya daha sonra kullanım sırasında gerçekleşir. Örneğin, yüksek cam geçiş sıcaklıklarına (ve buna bağlı olarak yavaş moleküler hareketlere) sahip elastomerler, düşük sıcaklıklı plastikleştiriciler eklenerek iyileştirilebilir, yani dahili yağlayıcı görevi gören uyumlu sıvılar. Plastikleştiricilerin, uzun hizmet süreleri boyunca bileşik içinde tutulabilmesi için düşük buhar basıncına ve yüksek kaynama noktasına sahip olması gerekir. Örnekler arasında alifatik esterler ve ftalatlar bulunur. Fosfat plastikleştiriciler de bir miktar alev direnci sağlar. Karıştırma ve ekstrüzyonu kolaylaştırmak için kauçuk bileşiklerine işleme yardımcıları olarak başka sıvılar eklenir. Tipik olarak, bir petrol yağının %5'i kullanılır.

      İşleme

      Kauçuk işleme dört temel adımdan oluşur: (1) elastomerin kesildiği ve moleküllerin daha kolay akış sağlamak için parçalandığı çiğneme, (2) genellikle çiğnemeden hemen sonra gerçekleştirilen ve katkı maddelerinin dahil edildiği karıştırma, (3) örneğin ekstrüzyon veya kalıplama yoluyla viskoz kütlenin şekillendirilmesi ve (4) polimer moleküllerinin birbirine bağlandığı ve şeklin sabitlendiği kürleme.

      Çiğneme

      Çiğneme ve yumuşatma genellikle gruplar halinde gerçekleştirilir. İşlem, büyük kapalı karıştırma makinelerinde veya kauçuk değirmenlerinde yapılır. Kapalı bir makinenin en iyi örneği, kum saati şeklindeki bir haznede ağır çelikten ters yönde dönen kanatlardan oluşan ve yarım tona kadar kauçuk tutabilen Banbury (tescilli marka) karıştırıcısıdır. Kauçuk değirmenlerinde, 3 metreye (10 fit) kadar uzunlukta, birbirine yakın aralıklarla yerleştirilmiş, zıt yönlerde ve biraz farklı hızlarda yavaşça dönen iki büyük yatay olarak karşılıklı çelik silindir bulunur. Kauçuk, Banbury karıştırıcısının kanatlar ve duvarı arasındaki boşlukta ve silindir değirmenindeki iki silindir arasındaki boşlukta kesilir ve yumuşatılır.

      Karıştırma

      Karıştırma, bazen yumuşatmanın hemen ardından, çiğnemede kullanılanlara benzer makinelerde gerçekleştirilir. Yukarıda açıklandığı gibi, reaktif malzemeler, dolgu maddeleri, yağlar ve çeşitli türlerde koruyucu kimyasallar, birleşik kesme ve karıştırma eylemiyle temel elastomere dahil edilir. Kapalı bir Banbury tipi mikser, birkaç dakika içinde yarım tona kadar karışık bileşik üretebilir. Daha sonra bileşik levha haline getirilir, yapışmayı önlemek için bir ayırma sabunuyla kaplanır ve bir tona kadar kauçuğu tutabilen çelik paletlerde kullanılıncaya kadar saklanır.

      Şekillendirme

      Karışımın istenilen forma şekillendirilmesi çeşitli şekillerde gerçekleşir. Ekstruderler, borular, lastik izleri ve tel kaplamalar gibi uzun sürekli ürünler üretmek için kullanılır. Ayrıca daha sonra boyuna kesilebilen çeşitli profiller üretmek için de kullanılırlar. Çok rulolu takvimler geniş levhalar yapmak için kullanılır. Transfer ve enjeksiyon kalıplarında, kauçuk karışımı, basınç altında kürlendiği gerekli şekle sahip bir kalıp odasına kanallardan zorlanır. Lastikler çeşitli bileşenlerden yapılır: boncuk teli, yan duvar bileşiği, iç astar, kordon katmanları, kayış paketi ve lastik; bunlar kürleme presine aktarılmadan önce bir araya getirilir ve tam bir lastik olarak monte edilir.

      Kürleme

      Kürleme, buhar veya elektrikle birbirine bağlanma reaksiyonunun gerçekleştiği sıcaklıklara ısıtılan basınçlı çelik kalıplarda gerçekleştirilir. Tipik kürleme koşulları 160 °C (320 °F) sıcaklıkta birkaç dakikadır. Isı kauçuğa yavaşça nüfuz ettiğinden, kalın parçaların daha düşük sıcaklıklarda birkaç saate kadar daha uzun kürlenme sürelerine sahip olmaları gerekir. İstenilen şekli korumak ve sıkışmış havayı bileşikte çözünmeye zorlamak için normalde 1 megapascal (inç kare başına 145 pound) veya daha fazla basınç uygulanır. Kauçuk karışımını şekillendirildikten sonra kürlemenin diğer yöntemleri arasında otoklavlarda buharla ısıtma, mikrodalga ışınımı ve erimiş metal tuzlarının ısıtılmış banyosundan veya akışkanlaştırılmış bir yataktan geçirme bulunur. Bu durumlarda kürleme atmosfer basıncına yakın bir basınçta gerçekleştirilir.