Kumi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee kumimateriaalia, Pyyhekumista ja kondomista on oma artikkeli.
Kumihanskat

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.[1] Englannin kumia tarkoittava sana "rubber" on peräisin kumin ensimmäisestä käyttökohteesta pyyhekumista (verbi "rub" tarkoittaa hankaamista).

Kumit jakaantuvat luonnonkumeihin ja synteettisiin kumeihin. Luontoperäinen raakakumi, kautsu valmistetaan kumipuun maitiaisnesteestä, jota sanotaan lateksiksi. Osa kumilaaduista luetaan myös elastomeereiksi.

Luonnonkumi ja kumin historiasta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lateksin juoksutusta kumipuusta

Luonnonkumi valmistetaan trooppisten puulajien maitiaisnesteestä, erityisesti brasilialaisesta kumipuusta (Hevea brasiliensis). Kolotuista puista juoksuttamalla kerätty lateksi saostetaan (koaguloidaan) esimerkiksi muurahaishapolla, jolloin saadaan raakakumia, kautsua. Tämä on juustoa muistuttavaa ainetta.

Raakakumi on vaaleaa ja läpikuultavaa, lämpimänä pehmeää ja plastista, kylmänä haurasta ja murtuvaa. Sen tuoreet pinnat tarttuvat puristettaessa lujasti toisiinsa kiinni.[2] Kemiallisesti raakakumi on isopreenin polymeeri cis-1,4-polyisopreeni.[3] 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. Toinen historiallinen maininta kumista Euroopassa samalta vuodelta 1770 kertoo, että Edward Nairne myi raakakumikuutioita kaupassaan Lontoossa. Pyyhekumeiksi tarkoitettuja paloja myytiin hämmästyttävän korkeaan 3 sillingin kappalehintaan.

Charles Goodyear keksi vuonna 1841 kumin vulkanoinnin, joka paransi sen ominaisuuksia huomattavasti.[4] Rengasvalmistaja Goodyear käyttää hänen nimeään.

Ennen vulkanoitua kumia ainut keino tiivistää liikkuvien koneenosien välinen rako, esimerkiksi höyrykoneen männän ja sylinterin välissä, oli käyttää öljyyn kastettua nahkaa. Tämä toimi vielä pienissä paineissa, mutta tietyn paineen yläpuolella suunnittelijoiden oli valittava lisääntyvän kitkan, joka aiheutui tiiviimmin puristetusta nahasta, sekä suurempien ja tehoa vievien höyryvuotojen välillä.

Vulkanoitu kumi oli ratkaisu tähän ongelmaan. Kumista koneenrakentajat saivat materiaalin, joka voitiin valmistaa haluttuun muotoon ja mittoihin sekä joka salli kohtuullisia ja suuriakin muodonmuutoksia kuormitettuna palautuen taas nopeasti alkuperäisiin mittoihin, kun kuorma oli poistunut. Nämä ominaisuudet yhdistettynä hyvään kestävyyteen ja pintaan, joka ei ole tahmea, ovat tehokkaan tiivistemateriaalin vaatimuksia.

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 maata tuottavat noin 67 % koko maailman raakakumista.

Synteettinen kumi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Synteettiset kumit kehitettiin Saksassa 1900-luvun alkupuolella. Ensimmäisen kumin synteettisen valmistusmenetelmän patentoi Fritz Hofman vuonna 1909.[5] Vuonna 1926 tuli käyttöön butadieenista valmistettu Buna.[2] 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 teollinen tuotanto laajeni 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. Nykyään eniten käytetty synteettinen kumi on styreenibutadieenikumi.[6]

Miksi kumi joustaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kumin joustavuutta molekyylitasolla selitetään sillä, että siinä pitkiä polymeeriketjuja on silloitettu 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 silloitusta 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.

Kumimarkkinat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Merkittävyydeltään teollisuuden raaka-aineena 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 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.

Kumin käytöstä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 (suomeksi myös kovakumiksi). 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 siirretään uuniin vulkanoitumaan. Tämä toimenpide on siis käytännössä paisto, miksi tätä valmistusvaihetta myös sanotaan. Autonrenkaat kootaan raakakumimaton suikaleista. Renkaan rakenteeseen sisältyy myös kangaskudosta ja metallivanteita. Koottu rengasaihio siirretään muottiin, jossa se paistetaan paineenalaisena ja jossa rengas saa pintakuvionsa. Kumiesineiden paistoajat ovat suhteellisen pitkiä verrattuna muoviesineiden jäähtymisaikaan ruiskuvalukoneen muotissa, joten kumiesineitä ei pystytä valmistamaan yhtä nopeasti kuin muoviesineitä.

Kumi menettää kimmoisuutensa alhaisissa lämpötiloissa. Kumille on tyypillistä haurastumisen nopeutuminen jännityksen alaisena. Kumit haurastuvat myös vanhetessaan ja vanheneminen on suhteellisen nopeaa verrattuna esimerkiksi metalleihin.

Kumin kierrätyksestä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kumia ei pystytä sulattamaan ja uudelleenkäyttämään niin, että se täysin säilyttäisi ominaisuutensa. 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 renkaat 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.

Parhaillaan on koekäytössä ensimmäinen devulkanointia käyttävä kumimateriaalin kierrätyslaitos.

Kumivalmisteita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kumi.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Kaisa Häkkinen: Nykysuomen etymologinen sanakirja, s. 505, hakusana Kumi. WSOY, 2007. ISBN 978-951-27108-7.
  2. a b Otavan iso Fokus, 4. osa (Kr-Mn), s. 2054, art. Kumi. Otava, 1973. ISBN 951-1-00388-7.
  3. Pentti Mälkönen: Orgaaninen kemia, s. 232-233. Otava, 1979. ISBN 951-1-05378-7.
  4. John Hudson: Suurin tiede - kemian historiaa, s. 379. Suom. Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5.
  5. Kumin historiaa Kumiteollisuus r.y.. Viitattu 31.7.2010.
  6. Kumitietoutta Kumiteollisuus r.y.. Viitattu 31.7.2010.