Kumi
Wikipedia
Kumi on yleisnimitys joukolle materiaaleja, joiden tärkein ominaisuus on joustavuus, venyvyys ja muodon palautuminen. Kumin suurta kimmoisuutta ei täysin pystytä kuvaamaan yleisellä elastisuusteorialla. Kumimainen materiaali saadaan aikaan polymeeriraaka-aineista luomalla polymeerimolekyylien väliin ristisidoksia. Koneenrakennuksessa kumimateriaaleja käytetään kohteissa, joissa joudutaan vaimentamaan iskumaisia kuormia tai tarvitaan joustavia liitoksia.
Sana "kumi" ja ruotsin vastaava "gummi" ovat peräisin latinasta, jossa sana cummi tai gummi tarkoitti puun mahlaa. Latinaan sana on tullut todennäköisesti muinaisegyptistä kreikan kautta.
Kumit jakaantuvat luonnonkumeihin ja synteettisiin kumeihin. Luontoperäinen raakakumi, kautsu valmistetaan kumipuun maitiaisnesteestä, jota sanotaan lateksiksi. Osa kumilaaduista luetaan myös elastomeereiksi.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Luonnonkumi
Luonnonkumi valmistetaan trooppisten puulajien maitiaisnesteestä, erityisesti brasilialaisesta kumipuusta (Hevea brasiliensis). Kolotuista puista juoksuttamalla kerätty lateksi saostetaan esim. etikkahapolla, jolloin saadaan raakakumia, kautsua, joka on juustoa muistuttavaa ainetta.
Kautsu on lämpimänä tahmeaa, ja kylmänä jäykkää. Kemiallisesti raakakumi on isopropeenin polymeeri cis-1,4-polyisopropeeni. Kun raakakumiin lisätään rikkiä ja se kuumennetaan eli (vulkanoidaan), syntyy kumia, joka on joustavaa ja se säilyttää ominaisuutensa huolimatta lämpötilan vaihtelusta.
Etelä- ja väli-Amerikan intiaanien tiedetään käyttäneen kumipalloja peleissä jo ennen eurooppalaisten saapumista. Ensimmäisiä kumin käyttökohteita oli pyyhekumi, jonka keksi englantilainen Joseph Priestley 1770. Vulkanoinnin keksiminen lisäsi kumin käyttöä 1830:lta alkaen. Vulkanoinnin kehittäjänä pidetään Charles Goodyearia. Rengasvalmistaja Goodyear käyttää hänen nimeään.
Kumin kysyntä aiheutti 1800-luvulla Brasiliassa taloudellisen nousukauden, mikä teki muun muassa Manauksen kaupungin tunnetuksi. Kumia kerättiin siellä luonnossa kasvavista puista. Etelä-Amerikan rajallinen tuotanto ei vastannut kumin kasvavaan kysyntään ja 1900-luvun alkupuolella silloisesta Belgian Kongosta tuli myös merkittävä kumin tuottaja. 1876 englantilaiset toivat kumipuun siemeniä englantiin, saivat ne itämään ja heidän toimesta käynnistettiin kumipuun viljely aasiassa, jossa nykyään tuotetaan noin 90% luonnonkumista. Suurimmat kumipuuviljelmät sijaitsevat Malesiassa ja Indonesiassa. Nämä kaksi aluetta tuottavat noin 67% koko maailman raakakumista.
[muokkaa] Synteettinen kumi
Synteettiset kumit kehitettiin Saksassa 30-luvulla ja näistä ensimmäisiä oli Buna. Tunnettuja synteettisia kumilaatuja ovat styreenibutadieeni- ja neopreenikumit. Synteettisten kumien yleisin raaka-aine on maaöljy. On olemassa myös silikonipohjaisia kumeja, jotka kestävät kuumutta muita kumeja paremmin. Fluorimuoveistakin on modifikoitu kumimaisia laatuja, joita käytetään tiivisteinä hyvän kemiallisen kestävyytensä ansiosta.
Synteettisten kumien teollinentuotanto käynnistyi toisen maailmansodan aikana sekä Saksassa että Yhdysvalloissa, koska näiden maiden yhteydet luonnonkumin tuottajamaihin olivat poikki. Kumia tarvittiin sodankäynnissä autojen renkaisiin. Polymeerikemian kehitys on vaatinut uusia käsitteitä, kuten termoplastiset elastomeerit, jotka sijoittuvat perinteisten kumien ja termoplastisten muovien väliin.
[muokkaa] Miksi kumi joustaa
Kumin joustavuutta molekyylitasolla selitetään sillä, että siinä pitkiä polymeeriketjuja on ristisilloitettu harvakseltaan siten, että polymeerien silmukat pääsevät suoristumaan kuten jouset. Kestomuoveissa polymeeriketjuja ei ole silloitettu. Ketjut pääsevät näissä kuumennettaessa ja kappaletta muovattaessa liukumaan toistensa suhteen, mutta eivät enää palaudu. Kertamuoveissa ja kovakumissa ristisilloitusta on niin paljon, että elastista joustavuutta on hyvin vähän.
Kuminauhan 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 kuminauhaa huulien välissä ja vapauttamalla sen sitten.
[muokkaa] Kumimarkkinat
Merkittävyydeltään teollisuuden raakaaineena kumi on verrattavissa muoveihin ja perusmetalleihin teräs, alumiini ja kupari. Kumin maailmanmarkkinat ovat suuruudeltaan noin 30 miljardia euroa.
Toisen maailmansodan jälkeen synteettiset kumit valtasivat nopeasti markkinoita varsinkin kohteissa joissa tarvittiin erikoisempia ominaisuuksia, kuten sähköneristekykyä tai tai kemiallista kestävyyttä. Vuonna 1965 synteettisillä kumeilla oli noin 60% markkinaosuus ja sen jälkeen markkinaosuudet ovat heiluneet öljyn hinnan mukaan ollen vuonna 2005 suurin piirtein samat kuin 1965. Vuodesta 1965 kumien kokonaistuotanto on nelinkertaistunut ja oli vuonna 2005 lähes 21 miljoonaa tonnia.
[muokkaa] Kumin käytöstä
Kaikesta tuotetusta kumista noin 60% käytetään autonrenkaisin ja ajoneuvoteollisuus käyttää kaikkiaan yli 70 %. Luonnonkumista käytetään renkaisiin 77 %. Renkaissa hyödynnetään kumin joustavuuden lisäksi sen ajoneuvojen liikkeenhallitsemisessa tarvittavia hyviä kumin kitkaominaisuuksia eli pitoa.
Luonnonkumi on väriltään vaalean ruskeaa ja hieman läpikuultavaa. Kumin ominaisuuksia säädellään vulkanoitumisasteella sekä lisäaineilla. Kovaksi vulkanoitua kumia sanotaan eboniitiksi. Kumin tärkein lisäaine on hiili, joka antaa kumille mustan värin ja parantaa kumin ultraviolettisäteilyn kestoa. Renkaissa käytetyissä kumiseoksissa saattaa olla kymmeniä prosentteja painosta hiiltä.
Kumiesineet valmistetaan valamalla seostettu kumimassa muotteihin, jotka sitten paistetaan. Autonrenkaat kootaan raakakumimaton suikaleista. Renkaan rakenteeseen sisältyy myös kangaskudosta ja metallivanteita. Koottu rengasaihio siirretään muottiin, jossa se paistetaan paineenalaisena ja jossa rengas saa pintakuvionsa.
Kumi menettää kimmoisuutensa alhaisissa lämpötiloissa. Kumille on tyypillistä haurastumisen nopeutuminen jännityksen alaisena. Kumit haurastuvat myös vanhetessaan ja vanheneminen on suhteellisen nopeaa verrattuna esimerkiksi metalleihin.
[muokkaa] Kumin kierrätyksestä
Kumia ei pystytä sulattamaan ja sitä kautta käyttämään uudelleen. Pieniä määriä renkaita kierrätetään esimerkiksi louhinnan apuna räjähdyssuojamatoissa ja laiturien törmäyssuojina. Koska suurin osa kumista käytetään kulkuvälineiden renkaisiin, niin näiden keräyksestä on olemassa määräyksiä perustuen EU direktiivien tuottajavastuuseen. Talteenotetut rankaat hävitetään polttamalla tai hautaamalla maaperään. Kumi ja sen lisäaine hiili saadaan poltettua puhtaasti, mutta joistakin lisäaineista voi tulla haitallisia päästöjä. Kumin polton hiilitaseeseen vaikuttaa uusiutuvien raaka-aineiden eli luonnonkumin määrä.
[muokkaa] Kumivalmisteita
- ajoneuvojen renkaita
- joustavia koneenosia, kytkimiä ja liitoskappaleita
- puskureita ja törmäysvaimentimia
- letkuja
- tiivisteitä ja tulppia
- kengänpohjia ja jalkineita
- kondomeja
- asuja, sukelluspukuja, märkäpukuja, kurahousuja ja muita sadevaatteita
- leluja, esimerkiksi kylpyankka
