Kauczuk to elastyczny związek polimerowy stosowany w różnych gałęziach przemysłu, m.in. do produkcji opon, węży i taśm. W tym rozdziale przedstawiono przykłady obserwacji i pomiarów kauczuku przy użyciu mikroskopu cyfrowego.

Obserwacja i pomiary kauczuku przy użyciu mikroskopu cyfrowego

Różnice między kauczukiem naturalnym a syntetycznym

Kauczuk naturalny

Produkty gumowe wytwarzane poprzez wulkanizację* surowego soku z drzewa kauczukowego (lateksu) są klasyfikowane jako wyroby z kauczuku naturalnego (NR).

* Wulkanizacja:
Do surowego kauczuku dodaje się siarkę i podgrzewa, aby doprowadzić do powstania wiązań międzycząsteczkowych, co poprawia elastyczność i wytrzymałość materiału. Od czasu przypadkowego odkrycia w 1839 roku przez Charlesa Goodyeara w Stanach Zjednoczonych kauczuk stał się materiałem rozpowszechnionym w przemyśle.
Kauczuk syntetyczny
„Kauczuk syntetyczny” to ogólny termin dla gumy, która została zsyntetyzowana chemicznie z ropy naftowej. Istnieje ponad 100 rodzajów kauczuku syntetycznego wytwarzanego z różnych surowców. Opracowany podczas II wojny światowej, kauczuk syntetyczny jest stosunkowo nowym produktem. Ponieważ kauczuk naturalny, produkowany głównie w Azji Południowo-Wschodniej, był trudny do zdobycia w Stanach Zjednoczonych i Niemczech, oba kraje rozpoczęły własną produkcję kauczuku syntetycznego. Od tego czasu jego stosowanie stało się powszechne.

Właściwości kauczuku naturalnego i syntetycznego

Kauczuk naturalny stanowi około 40% światowych zastosowań, a kauczuk syntetyczny pozostałe 60%. Każdy z nich jest odpowiednio wykorzystywany w zależności od zastosowania.

Kauczuk naturalny

Zalety
Wysoka elastyczność i wytrzymałość na rozdarcie kauczuku naturalnego sprawia, że jest on często wybierany do produkcji dużych opon do ciężarówek i autobusów oraz do różnych innych zastosowań przemysłowych.
Wady
Kauczuk naturalny ma niską odporność na warunki atmosferyczne, ciepło i olej, więc jest podatny na światło, ciepło, deszcz i inne warunki.

Kauczuk syntetyczny

Zalety
W porównaniu z kauczukiem naturalnym kauczuk syntetyczny ma mniej zanieczyszczeń i zapewnia większą stabilność działania. Zmiana składu surowców umożliwia produkcję gumy o różnych właściwościach, w tym wysokiej odporności na wysoką temperaturę, substancje chemiczne lub ścieranie.
Wady
Kauczuk syntetyczny cechuje mniejsza elastyczność i wytrzymałość na rozerwanie niż kauczuk naturalny.

Rodzaje, właściwości i zastosowania typowego kauczuku syntetycznego

Kauczuk syntetyczny można ogólnie sklasyfikować jako kauczuk ogólnego przeznaczenia lub kauczuk specjalistyczny. Typowe nazwy, właściwości i zastosowania przedstawiono poniżej.

Kauczuk ogólnego przeznaczenia

Kauczuk izoprenowy (IR)

Przy niemal takich samych właściwościach jak kauczuk naturalny, kauczuk izoprenowy ma korzystną barwę i niski poziom zapachu oraz nie wymaga utrzymywania ciepła nawet w niskich temperaturach. Kauczuk naturalny zapewnia jednak lepszą odporność na warunki atmosferyczne i wysokie temperatury.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do produkcji opon samochodowych i lotniczych, przenośników taśmowych oraz barwionych rakietek do tenisa stołowego.
Kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR)

Kauczuk butadienowo-styrenowy jest najczęściej produkowanym kauczukiem ogólnego przeznaczenia i zapewnia lepszą odporność na ścieranie i starzenie niż kauczuk naturalny. Ze względu na niską odporność na oleje nie nadaje się jednak na O-ringi i uszczelki.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do produkcji opon samochodowych, podeszew butów i płytek podłogowych.
Kauczuk butadienowy (BR)

Kauczuk butadienowy jest drugim najczęściej produkowanym rodzajem kauczuku po kauczuku butadienowo-styrenowym. Charakteryzuje się lepszą elastycznością i odpornością na ścieranie niż kauczuk naturalny. Ze względu na niską odporność na oleje nie nadaje się jednak na O-ringi i uszczelki.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do produkcji opon samochodowych, taśm gumowych i węży. Jest również głównym surowcem do produkcji tworzywa sztucznego ABS (akrylonitryl-butadien-styren).

Kauczuk specjalistyczny

Kauczuk nitrylowy (NBR)

Kauczuk nitrylowy jest wysoce odporny na olej, ścieranie i starzenie, i jest szeroko stosowany do produkcji gumy olejoodpornej.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do wytwarzania O-ringów, szczeliw, uszczelek i uszczelnień.
Kauczuk chloroprenowy (CR)

Kauczuk chloroprenowy charakteryzuje się doskonałą odpornością na wysokie temperatury, warunki atmosferyczne, ozon i płomienie.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany jako materiał powłok pasów samochodowych, węży, przewodów i kabli, jest również używany do produkcji klejów i farb ze względu na wysoką przyczepność.
Kauczuk butylowy (IIR)

Kauczuk butylowy charakteryzuje się wysoką odpornością na wysokie temperatury, drgania i substancje chemiczne, a także doskonałymi właściwościami elektroizolacyjnymi.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do dętek opon ze względu na niską przepuszczalność gazów przez gumę, jako materiał wygłuszający w sprzęcie audio oraz jako materiał powłok przewodów elektrycznych.
Kauczuk etylenowo-propylenowy (EPM/EPDM)

Kauczuk etylenowo-propylenowy zapewnia wysoką odporność na starzenie, warunki atmosferyczne, ozon i pogorszenie jakości w przypadku stosowania na zewnątrz. Jednak jego odporność na olej jest bardzo niska.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do produkcji części samochodowych (węże chłodnicy, pasy itp.), powłoki do przewodów elektrycznych oraz materiałów budowlanych.
Kauczuk akrylowy (ACM)

Oprócz doskonałej odporności na ciepło, warunki atmosferyczne i ozon, kauczuk akrylowy zapewnia również wysoką odporność na olej w wysokich temperaturach. Jego odporność na niskie temperatury i substancje chemiczne jest jednak niska.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do produkcji samochodowych węży olejowych, uszczelek i uszczelnień.
Kauczuk silikonowy (Q)

Pomimo niskiej wytrzymałości mechanicznej i na rozciąganie kauczuk silikonowy zapewnia bardzo wysoką odporność na zimno i ciepło, warunki atmosferyczne i ozon, a także dobre właściwości elektroizolacyjne.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do produkcji opakowań/pojemników na żywność i produktów medycznych ze względu na to, że jest nieszkodliwy dla organizmu i wykazuje wysoką odporność na wysoką temperaturę.
Kauczuk fluorowy (FKM)

Kauczuk fluorowy jest niezwykle odporny na wysoką temperaturę i substancje chemiczne, ale jest bardzo drogi.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany przy produkcji sprzętu spożywczego i farmaceutycznego oraz elementów wyposażenia.
Kauczuk uretanowy (U)

Kauczuk uretanowy zapewnia doskonałą wytrzymałość na rozciąganie i przenoszenie obciążeń, a także wysoką odporność na olej i ścieranie. Ma jednak niską odporność na wysokie temperatury i wodę.

Zastosowania:
Powszechnie stosowany do wytwarzania elementów, które podtrzymują ciężkie przedmioty, w tym do opon, podeszew butów i rolek.

Kategorie kauczuku w zależności od kształtu

Arkusze
Kauczuk może być przetwarzany na arkusze.
Taki kształt jest następnie używany do produkcji uszczelek, opakowań i uszczelnień.
Pianka
Kauczuk może być mieszany ze środkiem spieniającym w celu przetworzenia w porowatą strukturę (piankę).
Istnieją dwa główne rodzaje pianek.
Pianka otwartokomórkowa
Pianka tego rodzaju składa się z połączonych pęcherzyków powietrza (komórek), które przepuszczają wodę i powietrze. Pianka ta jest powszechnie stosowana w produkcji filtrów i materiałów wygłuszających.
Pianka zamkniętokomórkowa
Pianka tego rodzaju składa się z niezależnych pęcherzyków powietrza (komórek), które nie przepuszczają wody i powietrza. Pianka ta jest powszechnie stosowana w produkcji materiałów do pakowania i termoizolacyjnych.

Twardość kauczuku

Do określania twardości kauczuku używana jest skala twardości od 0 do 100, gdzie 0 odpowiada najbardziej miękkim, a 100 najtwardszym produktom.

  • a: Pianki
  • Żelki
  • c: Opona
  • d: Baseball
  • e: Piłka golfowa

Przykłady obserwacji i pomiarów kauczuku przy użyciu mikroskopu cyfrowego

Poniżej przedstawiono najnowsze przykłady obserwacji i pomiarów kauczuku przy użyciu mikroskopu cyfrowego 4K firmy KEYENCE z serii VHX.

Obserwacja powierzchni paska pogodowego
VHX-E20, 50×, oświetlenie pierścieniowe

Obraz w trybie efektu cienia optycznego

Tryb efektu cienia optycznego można wykorzystać do wizualizacji drobnych nierówności na powierzchni czarnego kauczuku.

Pomiar kształtu 3D węża gumowego
ZS-20, 50×, oświetlenie pierścieniowe
Pomiar kształtu 3D gumowych płyt elastycznych
ZS-200, 500×, oświetlenie pierścieniowe
Obserwacja wałków z białego kauczuku
ZS-200, 500×, oświetlenie współosiowe (obraz 2D)

Obraz 3D

Zastosowanie obrazowania 3D umożliwia uwidocznienie nierówności na powierzchni białego kauczuku.

Obserwacja zużycia taśmy gumowej
ZS-20, 20×, oświetlenie pierścieniowe (obraz w trybie efektu cienia optycznego)

Obraz mapowania kolorów w trybie efektu cienia optycznego

Obrazy mapowania kolorów umożliwiają wizualizację warunków zużycia pasa.

Badanie degradacji kauczuku
ZS-20, 20×, oświetlenie pierścieniowe

ZS-20, 30×, obraz z automatycznym pomiarem powierzchni

Funkcja automatycznego pomiaru powierzchni umożliwia ilościowe określenie pogorszenia jakości kauczuku.

Obserwacja cząstek kauczuku
VHX-E500, 500×, oświetlenie pierścieniowe + HDR

Obraz z automatycznego pomiaru powierzchni

Funkcja automatycznego pomiaru powierzchni umożliwia ilościową ocenę cząstek kauczuku.

Obserwacja przekroju pianki kauczukowej

ZS-200, 200×, oświetlenie pierścieniowe + HDR

Funkcja HDR umożliwia szczegółową obserwację przekrojów pianki kauczukowej.