Fluorgummi (FKM, FEPM, FFKM)

Fluorgummi är en samlingsbeteckning för gummipolymerer med hög fluor-halt vilka alla har mycket god värme-, olje- och kemikaliebeständighet. De förekommer i form av ett antal sampolymerer och samtliga framställs genom emulsionpolymerisation vid hög temperatur och under högt tryck.

Fluorinnehållet styr materialets beständighet och fluorhalten varierar från cirka 65 till över 70 procent. Med ökad fluorhalt ökar beständigheten i både värme och vätskor medan flexibiliteten vid låga temperaturer minskar.

Fluorgummi har en hög densitet kring 1,85 Mg/m3 som varierar med fluorhalten. Detta kan jämföras med de flesta andra gummitypers densitet som ligger omkring 1 till 1,25 Mg/m3. Kilopriset på fluorgummi är högt, femton till trettio gånger priset för normalgummityper. Eftersom det för flertalet produkter är volympriset som avgör kostnaden, så blir skillnaden i produktkostnad mellan fluorgummi och andra polymerer betydande.
Under de senaste tjugofem åren har produktionen fördubblats och uppgår 2012 till cirka 10-12 kt/år.

Typer av Fluorgummi
Fluorgummityperna indelas i följande grupper som var och en innehåller olika typer av fluorföreningar:
FKM förekommer, beroende på vilka monomerer som använts vid polymeri-sationen, i ett antal varianter. FKM är den mest använda av fluorgummitypen och den som i huvudsak behandlas nedan.
FEPM har utmärkt motstånd mot kraftigt basiska medier. Det har mycket dåliga lågtemperaturegenskaper och förlorar stor del av sin flexibilitet redan vid noll grader. FEPM har hög svällningen i aromatiska kolväten.
FFKM har ett högt fluorinnehåll och den genomgående bästa beständigheten av alla fluorgummityper. FFKM har vid sidan av den utomordentligt goda beständigheten, dåliga mekaniska egenskaper, är svårt att bearbeta och har mycket högt pris. Det höga priset och bearbetningssvårigheter har lett till att polymerproducenter också i stor omfattning tillverkar produkter av FFKM.

Recept
Fyllmedel förstärker inte FKM, utan används för att styra hårdhet och för att förbättra processegenskaper, men också för att dryga ut materialet. Kimrökstyper som bidrar till bra sättning och ljusa fyllmedel används. Vid infärgning av materialet används oorganiska färgämnen, såsom metalloxider eftersom de organiska färgämnena bryts ned vid höga användningstemperaturer.

Hårdheten på FKM-material ligger vanligtvis mellan 65 och 90 IRHD.
Mjukmedel används inte eftersom det avdunstar vid användning i höga temperaturer och extraheras vid användning i oljor. FKM är helt mättat och antioxidanter behövs därför inte.

Egenskaper
FKM blandas helst på valsverk men även i kammarblandare varvid tvåstegsblandning är mest vanlig. Oberoende av metod är kraven på renhet stora.
Den vanligaste processmetoden för FKM är formsprutning, men även strängsprutning och kalandrering förekommer, liksom beläggning av väv genom strykning eller i kalander. För att få bästa sättnings- och beständighetsegenskaper eftervulkas produkterna ofta i värmeugn.
Alla fluorgummimaterial är mycket stabila och har exceptionell motståndskraft mot oxidation, väder, brand och svällning i de flesta vätskor.
I värme kan flertalet typer användas under lång tid vid 200 °C och kortare tider vid betydligt högre temperaturer.
Till fluorgummits nackdelar hör dess måttliga mekaniska egenskaper, dåliga lågtemperaturegenskaper hos de vanliga typerna och dess höga pris.

Fluorgummits fördelarna kan sammanfattas:

  • Utmärkt värme- och kemikaliebeständighet samt utmärkt beständighet mot mineraloljor och bränslen.
  • Låg diffusion av bränsle.
  • Beständighet mot syntetiska estrar och utmärkt varmvatten- och ångbeständighet.

Användning
FKM används till applikationer som utsätts för påverkan av en mängd vätskor såsom oljor, bränslen, klorhaltiga föreningar, aromater och starka syror vid temperaturer upp till och över 200 °C.

Exempel på produkter tillverkade av fluorgummi:

  • O-ringar
  • Packningar
  • Tätningar
  • Pumpbeklädnader
  • Membran
  • Ventiler
  • Bränsleslangar
  • Innertätningar för bränsletankar

Styrengummi (SBR)

3-SBRStyrengummi (SBR) är en sampolymer mellan styren och butadien. SBR som initialt utvecklades för att ersätta naturgummi har kommit att bli den i volym räknat största typen av syntetiskt gummi. Total förbrukning av styrengummi uppgick år 2012 till 5 400 kt, vilket kan jämföras med en förbrukning av 11 400 kt för naturgummi samma år.

SBR har i stort sett samma beständighetsegenskaper som naturgummi, men kräver förstärkande fyllmedel för att uppnå goda mekaniska egenskaper. SBR har lite sämre köldbeständighet och högre dämpning än vad naturgummi har och är något svårare att bearbeta, men har däremot bättre åldringsbeständighet och värmetålighet. SBR är liksom naturgummi känsligt för ozon och olja.
SBR kan levereras emulsionspolymeriserat eller lösningspolymeriserat men även partiellt tvärbundet, oljeutdrygat och som masterbatch med kimrök.
Normalt innehåller standardtyperna 23,5 procent styren. Om man minskar styrenhalten blir bearbetbarheten sämre, köldbeständigheten ökar och hållfastheten sjunker. Ökad styrenhalt medför att såväl elasticitet som lågtemperaturegenskaper försämras.

Typer av styrengummi
Styrengummi förekommer i följande typer:

  • Emulsionspolymeriserad SBR (E-SBR)
  • Lösningspolymeriserad SBR (S-SBR)
  • Oljeutdrygat SBR (OE-SBR)
  • SBR-masterbatch med kimrök
  • Partiellt tvärbundet SBR

Emulsionspolymeriserad SBR (E-SBR)
Den här metoden för polymerisation har hittills varit den mest vanliga och
också den billigaste metoden för att framställa SBR.

Polymerisationen utfördes från början vid 45–50 °C under cirka 30 timmar. SBR som framställts vid denna polymerisationstemperatur kom att kallas varmgummi (varmpolymeriserat gummi). Varmpolymeriserad SBR benämns HTP-SBR.

Det är en polymerisationsprocess som minskat kraftigt i betydelse, men som fortfarande används tack vare att varmpolymeriserat gummi ger god släthet vid strängsprutning och kalandrering. Varmgummi innehåller en avsevärd mängd gel, en lösning som tvärbundits under polymerisationen och som är till nackdel för bearbetningsegenskaperna.
På 1940-talet utvecklades så kallat kallgummi (kallpolymeriserat gummi).

Polymerisationen utförs vid 5 °C och i dag är cirka 97 procent av E-SBR just kallgummi. Kallpolymeriserad SBR benämns LTP-SBR.

När man började polymerisera vid låga temperaturer förbättrades polyme-rens kvalitet och kallgummi visade sig i regel ha bättre egenskaper än standardkvaliteten varmgummi.
Varmgummi kan emellertid blandas med en större mängd fyllmedel än vad kallgummi kan. Kallgummi ger emellertid lägre dämpning och därmed lägre värmegenerering vid dynamisk påkänning.

Lösningspolymeriserad SBR (S-SBR)
Utvecklingen av lösningspolymeriserad SBR innebar att man kunde börja styra polymermolekylernas uppbyggnad och därmed skräddarsy egenskaper för olika tillämpningar.
Detta är en typ som idag fått alltmer användning på bekostnad av E-SBR.

Oljeutdrygat SBR (OE-SBR)
Tidigt fann man att SBR kan drygas ut med höga halter fyllmedel och mjuk-
medel utan att de mekaniska egenskaperna försämras. Genom att vid polymerisationen dryga ut polymeren med olja kan man, förutom att fylla materialet högt, även förkorta blandningscykeln och samtidigt förbättra bearbetningsegenskaperna. Oljeutdrygning medför på så sätt både kostnads- och produktionsmässiga fördelar.
Normalt är oljehalten 37,5 phr eller 50 phr även om andra varianter förekommer.

Masterbatch med kimrök
Masterbatch är en väl dispergerad blandning som innehåller polymer och ett eller flera tillsatsämnen i bestämda proportioner och ofta i hög halt. Master-
batch är vanligt i blandning med ytterligare polymer vid tillverkning av slutblandning.

Partiellt tvärbunden SBR
Genom att vid polymerisation av SBR tillföra en liten mängd av ytterligare ett ämne, nära besläktat med styren, erhålls en partiellt tvärbunden polymer. Denna ger, på grund av närvaron av en tvärbunden polymer redan före vulkningen, sämre mekaniska egenskaper än omodifierade typer men ger större släthet och mindre krympning vid strängsprutning och kalandrering.

Partiellt tvärbunden SBR används därför ofta tillsammans med standard-typer av SBR i blandningar för nämnda processer.

Klassificering
SBR finns i ett hundratal varianter som är klassificerade i ett system som först utarbetats av The American Society for Testing and Materials (ASTM), ett system som följs av de flesta tillverkare av SBR. Varje typ har en fyrsiffrig beteckning där de två första siffrorna anger typen och de två sista utgör ett löpnummer inom varje grupp och anger viskositet, koagulant och halt av styren.

Styrengummityper enligt International Institute of Synthetic Rubber Producers (IISRP):

1000-serien      HTP-SBR
1100-serien      Masterbatch av LTP-SBR och kimrök
1200-serien      S-SBR
1500-serien      LTP-SBR
1600-serien      Masterbatch av LTP-SBR och kimrök med 14 phr olja eller mindre
1700-serien      OE-LTP-SBR
1800-serien      Masterbatch av LTP-SBR och kimrök med mer än 14 phr olja
1900-serien      Övriga masterbatch

Antalet kommersiellt tillgängliga SBR-typer är mycket stort beroende på de många variablerna. Det finns ett hundratal varianter av SBR i vilka någon eller några variationsmöjligheter på olika sätt kombinerats.
Exempel på några variabler är, polymerisationsmetod, polymerisationstemperatur, styrenhalt och fyllmedelstyp.

Recept
SBR blandas nästan på samma sätt som naturgummi. Eftersom SBR vulkar långsammare än vad naturgummi gör, tillsätts vanligtvis en något högre halt eller mer aktiva acceleratorer. SBR blandas ofta med andra gummityper, till exempel med NR, IR och BR.

SBR kan inte användas i ofyllda blandningar på grund av dess låga draghållfasthet, som förklaras av att det inte kristalliserar vid töjning vilket är något som sker hos naturgummi.
SBR används normalt med förstärkande fyllmedel, främst kimrök. Trots detta når ändå inte draghållfastheten hos SBR-blandningar upp till den hos naturgummiblandningar, slitstyrkan däremot kan vara överlägsen.

När det gäller rivhållfasthet är SBR underlägset naturgummi, speciellt vid förhöjd temperatur. Detta medför att försiktighet måste iakttas vid vulkning, exempelvis när formvulkade produkter plundras. Vid användning av ljusa mineralfyllmedel, till exempel kaolin erhålls lägre draghållfasthet än vad som uppnås med motsvarande användning i NR. SBR vulkas normalt med svavelvulksystem. Peroxidvulkning är möjlig men förekommer inte ofta.

En tillverkningsteknisk nackdel med SBR är att polymeren inte har det byggklibb som påträffas hos NR. Olika klibbmedel, till exempel kumaronharts kan användas för att förbättra denna egenskap. Ett annat sätt att förbättra klibbet avsevärt är att blanda SBR med NR i olika proportioner.
Antioxidanter krävs normalt för åldringsskydd precis som antiozonanter och vax krävs för ökad utomhusbeständighet.

Egenskaper
SBR bearbetas i standardmaskiner på samma sätt som naturgummi med ett
par avvikelser. Vid blandning på valsverk skall valstemperaturen vara låg och masticeringen underlättas genom tillsats av mjukmedel. SBR kräver mer mjukmedel än NR och spalten på valsverket skall vara liten vilket kräver mindre blandningsvikter. SBR har i vissa fall fördelar framför NR vid strängsprutning på grund av dess lägre grad av nerv.

SBR visar jämfört med NR god slitstyrka, god värmebeständighet och låg vattenabsorption. Däremot är SBR underlägset NR vad gäller utmattning vid flexning, rivhållfasthet (särskilt i värme) och lågtemperaturflexibilitet.

Dämpning och därmed värmegenerering är betydligt större hos SBR än hos NR, vilket är en nackdel för flera produkter. Vid andra tillfällen är dämpning däremot önskvärt, till exempel till vissa typer av stötdämpande produkter. Dämpningen kan till viss del reduceras vid receptsammansättningen, bland annat genom val av kimrökstyp.

Användning
SBR tillhör normalgummityperna och ersätter NR inom stora produktområ-
den, beroende på pris och tillgång.

Exempel på produkter tillverkade av SBR:

  • Däck
  • Slitgummiprodukter
  • Transportband
  • Slang
  • Packningsduk
  • Gummibeklädnad för kemiskt och mekaniskt skydd
  • Avloppspackningar
  • Golvmaterial
  • Skor och stövlar

Butadiengummi (BR)

Butadiengummi (BR) är en homopolymer av butadien och utgör ett viktigt komplement till NR (naturgummi) och SBR (styrengummi), men även till andra gummityper i syfte att förbättra slitstyrka, elasticitet och köldbeständighet. BR har en lång och intressant historia och redan 1910 lyckades en rysk kemist polymerisera butadien med hjälp av natrium, vilket ledde till att en framställning på försök kom igång 1930. Projektet drevs av ryska staten vars avsikt var att skaffa ett gummi som kunde ersätta naturgummi. Världens första fabrik för framställning av butadiengummi startades 1936 och några år senare producerades 50 kt per år. Nämnda process reproducerades hos IG Farben i Tyskland, varvid varumärket Buna skapades från butadien (Bu) och natrium (Na).

I slutet av 1930-talet utvecklades i USA en process för framställning av butadiengummi. Emellertid valde den amerikanska regeringen att i stället satsa på SBR som ersättning för NR.
Emedan nya typer av BR utmärks av god hållfasthet, hög elasticitet och mycket god köldbeständighet har de kommit att bli en viktig komponent i framförallt fordonsdäck. BR är svårare att bearbeta än övriga normalgummityper. Det smular lätt sönder vid blandningsarbetet och används därför främst i blandning med NR och SBR. Ozon- och väderbeständigheten hos BR är inte god och gummit löses helt i bensin och olja.

Den totala förbrukningen av BR uppgick 2012 till omkring 2 800 kt och därmed utgör BR den andra största syntetgummitypen efter SBR.

Typer av butadiengummi
Butadiengummi förekommer i ett antal typer som skiljer sig åt genom skilda molekylstrukturer, men skillnaderna i mekaniska egenskaper är ganska måttliga. Dessutom levereras det som oljeutdrygat gummi med 25 alternativt 37,5 phr mjukmedel. Några få typer av masterbatch med kimrök förekommer, väsentligen anpassade för däcktillverkning.

Recept
Som nämnts är blandningar baserade på enbart BR svåra att bearbeta och förekommer sällan. I stället används BR främst för att förbättra elasticitet, hållfasthet och köldbeständighet i blandningar baserade på NR eller SBR eller blandningar bestående av dessa två. Även i NBR (nitrilgummi) kan BR blandas in för att förbättra nämnda egenskaper. Det leder emellertid till att beständigheten mot olja och bensin försämras.

I slitbanor till vinterdäck för personbilar kan en typisk kombination i ett recept vara 80 phr NR och 20 phr BR medan i andra sammanhang, exempelvis i transportband för användning i arktiska temperaturområden, BR-andelen kan uppgå till hela 50 phr. I blandningar som innehåller BR krävs, liksom för SBR förstärkande fyllmedel för att uppnå god hållfasthet och slitstyrka. Halterna av fyllmedel och mjukmedel kan ökas i blandningar utan att slitstyrkan försämras nämnvärt. I övrigt gäller samma principer för att sätta samman recept för BR som för NR och SBR.

Egenskaper
Samma processmetoder som för NR och SBR fungerar väl även för blandningar som innehåller BR.

Följande förbättringar kan uppnås hos övriga normalgummityper när de blandas med BR:

  • Ökad elasticitet
  • Högre studselasticitet
  • Lägre dämpning
  • Lägre värmegenerering vid dynamiskt arbete
  • Förbättrad köldbeständighet

Dragbrottgränsen är lägre än för NR och SBR. Trots inblandning av BR i SBR- och NR-blandningar kan egenskaperna för hållfasthet hos dessa bibehållas. Nackdelarna med BR är som för övriga normalgummityper att gummit har dålig väder- och ozonbeständighet och dålig beständighet mot bensin och olja.

Användning
Över 90 procent av allt BR ingår i gummiblandningar som används till olika komponenter vid däcktillverkning. Exempel på de egenskapsfördelar som uppnås genom användning av BR framgår av uppräkningen nedan.

Sidväggsgummi:

  • Sprickbildningsmotstånd vid flexning
  • Lägre värmegenerering

Slitbanor:

  • Ökat nötningsmotstånd
  • Låg värmegenerering
  • Lågt rullmotstånd
  • Lågtemperatur flexibilitet (vinterdäck)
  • Ökad utmattningsbeständighet

Däckfot:

  • Låg värmegenerering

Vid tillverkning av gummiprodukter främst avsedda för industriell verksamhet används inblandning av butadiengummi i SBR- och NR-blandningar i syfte att i första hand uppnå förbättrad slitstyrka och flexibilitet vid låga temperaturer. BR används i produkter såsom transportband och slitgummi för hantering av kraftigt nötande gods. Ett exempel är infodring av kvarnar för att krossa malm.

BR används även för att förbättra lågtemperaturegenskaperna i exempelvis slang. Även i slang för oljehantering kan inblandning av BR förekomma. Det förutsätter dock att den ökade svällningen i aktuell olja kan accepteras. Inom skoindustrin används inblandning av BR i material för sulor och klackar för att erhålla förbättrat avnötningsmotstånd och förbättrad flexibilitet vid låga temperaturer.

Läs fördjupning om butadiengummi i Materialkunskap…

Isoprengummi (IR)

Mer om boken Materialkunskap
Till användningsområden för IR

Isoprengummi (IR) är en syntetiskt tillverkad cis-polyisopren som ibland benämns syntetiskt naturgummi. Isoprengummi har mycket närliggande och snarlika egenskaper med naturgummi, men de är inte identiska. Isoprengummi och naturgummi bearbetas på samma sätt och har i stort sett samma användningsområden. Isoprengummi har dock en något lägre hållfasthet och slitstyrka i jämförelse med naturgummi.

Noteras kan att IR har betydligt större renhet än NR, vilket har betydelse vid exempelvis tillverkning av mycket tunna gummidetaljer eller medicinska produkter. Behovet av en ren polymer torde också vara det största skälet att välja isoprengummi framför naturgummi.

Under vissa perioder har omfattande framställning av isoprengummi skett, till exempel i Ryssland, för att därigenom minska sitt beroende av importerat naturgummi. Idag (2014) uppgår världsförbrukningen av isoprengummi till cirka 200 kt vilket kan jämföras med förbrukningen av naturgummi som uppgår till cirka 11 000 kt.

En jämförelse mellan isoprengummi och naturgummi
Trots att skillnaderna i uppbyggnaden mellan isoprengummi och naturgummi verkar vara ganska små ger det skillnader i materialens egenskaper. Isoprengummi saknar de icke-gummisubstanser som återfinns i naturgummi och dessutom avviker polyisoprenets uppbyggnad från naturgummits. Dessa skillnader bidrar till vissa olikheter i såväl bearbetningsegenskaper som i egenskaperna hos vulkat gummi. Li-IR kristalliserar knappast alls och Ti-IR kristalliserar i mindre omfattning än vad NR gör.
Nedanstående diagram visar hur skillnaderna påverkar råstyrkan hos blandningar till däckslitbana baserad på respektive polymer. Provningen är utförd med en draghastighet av 100 mm/minut vid 25 °C.

Råstyrkan på blandningar baserade på NR och IR:

Råstyrkan hos IR och NR

 

Användningsområden
Isoprengummi har framförallt utvecklats för att ersätta naturgummi och de har båda också i princip samma användningsområden. Trots att priset är något högre kan isoprengummi ändå vara att föredra i vissa fall på grund av dess högre renhet, jämnare kvalitet och ljusare färg.
Typiska produkter är detaljer för medicinskt bruk för att undkomma den allergirisk som finns med naturgummi på grund av förekomsten av proteiner och andra icke-gummisubstanser. Isoprengummi används även vid tillverkning av tekniska produkter där snäva toleranser efterfrågas.

>>TA MIG TILL EN FÖRDJUPNING OM ISOPRENGUMMI

Polymerer

Naturgummi, tappat från trädet Hevea Brasiliensis utgör över 40 procent av all gummikonsumtion. Resten, de syntetiska gummityperna är framställda av komponenter från sönderdelning av råolja. Ordet polymer används främst för syntetiskt gummi och kan härledas ur grekiskan. Ordet är sammansatt av leden poly (många) och mer (liten enhet). En ensam mer kallas monomer och polymeren består av många monomerer i långa kedjor.

Polymerer framställs i en process kallad polymerisation där en eller flera typer av monomerer sammanfogas. Om polymeren består av endast en monomertyp kallas den för homopolymer och innehåller den flera monomertyper kallas den sampolymer.

monomer

Rutan till vänster visar hur n (st) monomerer bildar en polymermolekyl sammansatt av n (st) länkar (merer).
En mängd material är uppbyggda genom polymerisation. Gummi tillsammans med termoelaster och plast är två närbesläktade materialgrupper bland polymererna. De två förstnämnda benämns elaster. Plaster indelas i termoplaster och härdplaster medan elaster, material som kan töjas till minst sin dubbla ursprungliga längd utan att brista, delas in i gummi och termoelaster.

Likheter och olikheter mellan dessa material är:

  • Termoplast formas vid hög temperatur och fixeras vid kylning men kan omformas vid uppvärmning.
  • Härdplast fixeras med en kemisk reaktion, härdning. Kan inte omformas.
  • Gummi fixeras genom kemisk tvärbindning, vulkning. Kan inte omformas.
  • Termoelast, bestående av en plast och en gummipolymer, formas och omformas som en termoplast.
Världskonsumtionen av plaster och elaster (2015)

Världskonsumtionen av plaster och elaster (2015)

 

 

 

Fördelning av olika gummitypers användningdiagram-1

För alla gummityper finns internationellt standardiserade förkortningar och i sammanställningen nedan visas namn och förkortning för vissa av de gummityper som behandlas i böckerna “Materialkunskap” och “En introduktion”. Märk väl att inom flera av grupperna i sammanställningen finns undergrupper, det vill säga varianter av polymeren.

För att underlätta förståelsen för respektive gummityps väsentligaste egenskaper och därmed användning, så delas gummityperna in i normalgummityper (general purpose rubber), specialgummityper (special purpose rubber), högtemperaturgummityper och övriga gummityper.Förkortningar gummityper