Skum latex

Bild av bubblorna i en skumplast.

Ej att förväxla med skumgummi .

Skumlatex eller latexskumgummi är en lätt form av latex som innehåller bubblor som kallas celler, skapade av flytande latex . Skummet skapas vanligtvis genom Dunlop- eller Talalay-processen där en flytande latex skummas och sedan härdas i en form för att extrahera skummet.

Strukturella förbättringar appliceras på ett skum genom att göra olika val av polymerer som används för skummet eller genom att använda fyllmedel i skummet. Historiskt sett används naturgummilatex för skummet, men en liknande kommersiell utmanare är styren-butadienlatex, som är speciellt utformad för användning i latexskum. Mineralfyllmedel kan också användas för att förbättra egenskaper som stabilitet, lastbärande eller flambeständighet, men dessa fyllmedel kommer ofta till priset av minskad draghållfasthet och brottförlängning, vilket i allmänhet är önskvärda egenskaper i produkten.

Latexskum har egenskaper som energiabsorption, värmeledningsförmåga och kompression som gör dem lämpliga för många kommersiella applikationer som klädsel, ljudisolering, värmeisolering (särskilt inom konstruktion) och transport av varor.

Skumlatex används också i masker och ansiktsproteser för att förändra en persons yttre utseende. Trollkarlen från Oz var en av de första filmerna som i stor utsträckning använde skumlatexproteser på 1930-talet. Sedan dess har det varit en häftklammer i film-, tv- och scenproduktioner, förutom att den används inom ett antal andra områden.

Engångsplaster och polymerskum slängs ofta på deponier, och det finns en växande oro för hur mycket utrymme detta avfall tar. I ett försök att göra skummet mer miljövänligt forskas det på fyllmedel som kan uppnå samma förbättringar som mineral samtidigt som produktens biologiska nedbrytbarhet ökar. Exempel på sådana fyllmedel inkluderar äggskalspulver och risskalspulver.

Strukturera

Latexskum är en form av latex som är lätt och expanderad. Cellulära luftbubblor skapas inuti flytande latex, och de kan formas till olika former och storlekar. Förlängningen av skummet definieras av mängden luft inuti dessa celler. Lägre densitet och mer förlängda skum tenderar att ha celler som är mer polyedriska , medan mindre förlängda skum tenderar att ha mer sfäriska celler.

Även om skummets densitet ( $\rho _{f}$ ) kan mätas, är en viktigare egenskap relativ densitet hos skummet till densiteten hos den ursprungliga latexbasen ( $\rho _{s}$ ). Detta uttrycks som $\phi ={\dfrac {\rho _{f}}{\rho _{s}}}$ . Polymerskum kommer också att ha ett visst förhållande mellan slutna celler och öppna celler (luftbubblor som har sprängts upp), vilket kan mätas genom skummets vattenpermeabilitet.

Skapande

För att skapa skumlatex blandas en flytande latexbas med olika tillsatser och vispas till ett skum , hälls sedan eller injiceras i en form och bakas i en ugn för att härda. Huvudkomponenterna i skumlatex är latexbasen, ett skummedel (för att hjälpa det att vispa till ett skum), ett gelningsmedel (för att omvandla det flytande skummet till en gel) och ett härdare (för att förvandla den gelade skumlatexen till fast när det gräddas). Ett antal ytterligare tillsatser kan också tillsättas beroende på den erforderliga användningen av skummet.

Dunlop Process

Dunlop-processen kan utföras i batchform och i kontinuerlig form. Följande är en beskrivning av batchprocessen.

1. Olika ingredienser för latexskummet förbereds, inklusive valet av flytande latex, blandningsmedel och stabilisatorer, förbereds för användning.
2. Deammonierad flytande latex blandas med stabilisator och andra ingredienser, antingen som dispersioner eller emulsioner beroende på löslighet i vatten.
3. Blandningen rörs försiktigt om och får blandas. Fyllmedel kan läggas till vid denna tidpunkt. Föreningen kan lämnas att mogna i 24 timmar.
4. En Hobart-blandare piskar blandningen för att få den att skumma, införlivar olika stora bubblor i den och låter den expandera till önskad storlek.
5. Visphastigheten reduceras och bubblorna antar en mer regelbunden storlek. En skumstabilisator kan läggas till nu.
6. Ett gelningsmedel kan tillsättas härnäst, och sedan hälls blandningen i en form där den får gela och härda med tiden.

Enhetlighet är en mycket eftertraktad egenskap kommersiellt, och att utföra Dunlop-processen på ett kontinuerligt sätt snarare än i partier bidrar till att öka enhetligheten hos de producerade skum. Andra fördelar med den kontinuerliga processen är den minskade arbetskostnaden och sänkta restprodukter från formen. Den kontinuerliga processen innefattar användningen av en maskin med olika kammare för att skapa och skumma blandningen, tillsätta fyllmedel och gjuta och härda.

Talalay process

1. Olika ingredienser för latexskummet förbereds, inklusive valet av flytande latex, blandningsmedel och stabilisatorer, förbereds för användning.
2. Deammonierad flytande latex blandas med stabilisator och andra ingredienser, antingen som dispersioner eller emulsioner beroende på löslighet i vatten.
3. Blandningen rörs försiktigt om och får blandas. Fyllmedel kan läggas till vid denna tidpunkt. Föreningen kan lämnas att mogna i 24 timmar.
4. Genom nedbrytning av väteperoxid av jäst, skapas bubblor som orsakar skumbildning av föreningen inuti den specialiserade formen.
5. Ett vakuum appliceras på formen för att främja expansion.
6. Blandningen fryses sedan snabbt för att skapa luftbubblor.
7. Slutligen får föreningen härda och avlägsnas från formen.

Att ett gelningsmedel inte används framför koldioxid gör processen mer miljövänlig, men Talalay-processen används fortfarande inte i stor utsträckning för specialiserade latexskum industriellt.

Egenskaper

Expansion och täthet

I allmänhet har latexskum lägre densitet än den ursprungliga polymeren de är gjorda av. Denna densitet kan mätas regelbundet genom att ta en volym- och massamätning av materialet. För en volymmätning av oregelbundet format skum, kan skumbitarna beläggas med vax och föras in i en känd volym vatten för att mäta volymförändringen i behållaren. Syftet med vaxet är att förhindra vattengenomträngning i skummet, vilket kan leda till en lägre upplevd volym (och högre upplevd densitet som ett resultat) om det inte tas med i beräkningen. Densiteten hos ett skum minskar när skummets expansion ökar. Expansionen i sin tur relaterar till mängden luft inuti cellerna i skummet. Ju mer luft inne i cellerna, desto större expansion.

Skiss över en vanlig spännings-töjningskurva för ett latexskum. Region 1 visar Hookian ökning av stress. Region 2 visar krossplatån. Region 3 visar förtätning.

Kompression

Latexskum uppvisar en spännings-töjningskurva med tre regioner när de komprimeras. Detta hänför sig till den motståndskraft som uttrycks av skummet när en belastning eller kraft appliceras på det. Formen på olika områden av kurvan kommer att återspegla en viss viktig kvalitet hos skummet som relaterar till kompressions- eller relaxationsspänning och töjningsbeteende hos materialet.

Först kommer skummet att visa en linjär Hookian- ökning i stress. Detta beror på att gasen som finns i skumceller komprimeras och cellväggarna bibehåller sin struktur. I den andra regionen krossas cellväggarna, och ingen ytterligare stress upplevs, och så stressplatåerna. I det tredje området ökar skummet i densitet när krossat cellväggmaterial komprimeras in i sig självt. Detta leder till en kraftig ökning av spänningen i området för förtätning.

Motstånd mot dynamisk trötthet

När det gäller materialets livslängd testas motståndet mot dynamisk utmattning genom att rekursivt komprimera ett skum och låta det slappna av. Skummets motståndskraft mot dynamisk utmattning kan sedan mätas antingen genom att visuellt observera cellernas struktur för att notera hur stor andel av cellväggarna som har gått sönder eller spruckit, eller genom att mäta förändringen i fysikaliska egenskaper som materialets tjocklek.

Värmeledningsförmåga

Den låga värmeledningsförmågan hos latexskum påverkas av fyra faktorer: värmeledning av polymeren, värmeledning av gasen i luftbubblorna, konvektion av gas inuti cellerna (mindre viktigt för små till medelstora celler) och strålning genom skum.

Det finns flera sätt på vilka konduktiviteten kan påverkas av dessa faktorer:

1. lägre temperatur för att sänka värmestrålning;
2. minska cellstorleken för att minska konvektion och strålning (på grund av fler reflektioner inom cellväggarna);
3. minska skumdensiteten för att minska ledning genom den fasta polymeren;
4. ersätt luft för en mindre ledande gas inuti cellerna.

Energiabsorption

Energiabsorption är en särskilt viktig egenskap hos latexskum.

Mest energiabsorption sker i de första och andra områdena av töjnings-stresskurvan. I mindre elastomera polymerer är cellväggarna mer spröda och kan därför lättare krossas. I detta fall sker det mesta av absorptionen i den andra delen av kurvan orsakad av deformation och krossning av cellväggar. Detta innebär att varje cell bara kan bidra en gång till sådan absorption (det vill säga att cellerna krossas och därför förbrukas).

För en mer elastomer polymer är cellväggarna mer flexibla och kan ta mer inverkan. Cellväggen i detta fall kan böjas och cellen blir klämd, men cellen kommer så småningom att återgå till sin ursprungliga form. Det mesta energiupptaget sker därför i den första delen av spännings-töjningsgrafen. Skummet kan också hantera fler fall av stötar eftersom cellerna inte blir utarmade lika lätt. Detta är en betydande miljöförbättring.

Klassificering och tillsatser

Val av polymer

Traditionella polymerval

Polyisoprenpolymer, huvudkomponenten i naturgummilatex som vanligtvis extraheras från Hevea brasiliensis.

Historiskt sett användes naturgummilatex och skum tillverkades med Dunlops processer. Styren-butadien- gummilatex blev en framträdande plats när koncentrat med hög fasta ämnen, som utformades specifikt för skumning, började säljas på marknaden. Egenskaperna hos denna polymer var ganska lika naturgummilatex, så konkurrensen mellan de två valen här är mestadels ekonomisk.

Polymerval för variation i egenskaper

Andra typer av polymerer valdes för deras egenskaper och hur de påverkar egenskaperna hos skummet i sin tur. Till exempel polykloroprenskumgummi svårare att bränna och ger ett mindre brandfarligt alternativ till traditionellt latexskum. Akrylnitril-butadienelatex skumgummi är resistent mot svullnad i kolväteoljor.

Fyllmedel

Strukturella fyllmedel

Dessa är fyllmedel som är avsedda att öka stabiliteten och bärförmågan hos skumlatexen samtidigt som de ökar expansionen och därför sänker materialkusten. Tillsats av fyllmedel påverkar emellertid också latexskummets önskvärda egenskaper, såsom genom att minska förlängningen vid brott och motståndet mot upprepade förekomster av stress och avslappning.

Mineralfyllmedel som kaolinitleror och kalciumkarbonater kan tillsättas under vispningsfasen (i satsprocessen) eller blandningsfasen (i den kontinuerliga processen) till latexskummet. Våtmalda glimmer kan på liknande sätt läggas till latexen under skumning, och de tenderar att ha en lägre inverkan på draghållfasthet och töjning vid brott. Glimmer tenderar dock att orsaka mer krympning av produkten vid avformningsfasen.

Flamskyddsmedel

Eftersom latexskum utgör en brandrisk finns det försök att införliva fyllmedel i skummet för att minska deras brandfarlighet. Sådana fyllmedel inkluderar klorerade paraffinkolväten, antimontrioxid , zinkborat och hydratiserad aluminiumoxid .

Naturligt anskaffade fyllmedel

Risskal, en organisk avfallsprodukt från jordbruket från odling av ris. Risskalspulver kan användas som skumlatexfyllmedel. (Referens 6)

Dessa är material som förbättrar latexskummets strukturella egenskaper samtidigt som det gör det mer miljövänligt genom ökad biologisk nedbrytbarhet . Ett särskilt intresse är att använda organiska restprodukter för att skapa dessa fyllmedel.

Äggskalspulver är ett exempel på ett sådant fyllmedel som kan tillsättas i latexskummet för att manipulera produktens egenskaper och öka dess miljövänlighet. På samma sätt som mineralfyllmedel ökar äggskalspulver kompressionsspänningen, kompressionssättningen, hårdheten och densiteten hos skummet samtidigt som det minskar draghållfastheten och töjningen vid brott. Detta fyllmedel minskar också den termiska stabiliteten hos det producerade materialet, men tillsats av harts , ett annat möjligt organiskt fyllmedel, visade sig öka draghållfastheten hos äggskalspulverfyllt naturgummipolymerskum.

Ett annat föreslaget fyllmedel med liknande egenskaper var risskalspulver, vilket ökar skummets lastbärande egenskaper samtidigt som det minskar draghållfastheten och töjningen vid brott. Detta visade sig också öka den biologiska nedbrytbarheten av skummet för förbättrad kontroll över avfall efter konsumenterna av dessa produkter.

Ansökningar

Skumjordnötter, ett polymerskum för engångsbruk som används för förpackning för att minska påverkan på skickade varor.

Transport

På grund av sina energiabsorberande egenskaper är latexskum användbara för transportapplikationer, till exempel i förpackningar för att minska påverkan på den levererade produkten eller i fordonsklädsel . Även om förpackningsskum kan vara för engångsbruk med låg motståndskraft mot dynamisk utmattning, tenderar klädseln att dra fördel av att vara tätare och mer motståndskraftig mot utmattning eftersom den absorberar lägre stötar men behöver göra det fler gånger.

möbel

Latexskum kan användas i föremål som sängkläder, klädsel och kuddar för dämpningsändamål på grund av deras uttryckta spännings-töjningskurva när de utsätts för en belastning.

Akustiskt skum används i ljudisolering.

Ljudisolering

På grund av att de innehåller luftbubblor har latexskum vissa ljudisolerande egenskaper. Speciellt visar sig både naturgummi och styren-butadienlatexskum vara bra på ljudisolering, men styren-butadienskum tenderar att vara bättre för detta ändamål.

Separering av olja och vatten

Oljeföroreningar i vattendrag är ett stort miljöproblem. Att separera olja och vatten är till hjälp både för att rengöra vattnet och återvinna oljan. Latexskum är hydrofoba och absorberande, förutom att de är spänstiga och återvinningsbara, och kan därför användas för att absorbera oljan i vatten-oljeblandningar för att separera dem.

Sport, konst och rekreation

Skumlatex används i masker och ansiktsproteser för att förändra en persons yttre utseende. Trollkarlen från Oz var en av de första filmerna som i stor utsträckning använde skumlatexproteser på 1930-talet.

Teaterlatexskum är ett specialiserat latexskum som är mjukare än kommersiellt latexskum. Den kan användas i olika konst och hantverk inklusive dockteater och kostymer på grund av dess förmåga att plocka upp små detaljer i målning såväl som dess styrka. Miss Piggy, Statler och Waldorf i Jim Hensons The Muppet Show samt karaktärer i Hensons nästa produktion, The Dark Crystal , var några av de första dockorna som skapades av latexskum som användes i stor skala.

Artister som Lordi och GWAR bär kostymer som innehåller detta material.

Latexskum är också utbrett vid tillverkning av moderna fotbollsmålvaktshandskar. Materialet har visat sig vara det mest effektiva sättet att låta spelare greppa fotbollen under våta och torra spelförhållanden, samt ge dämpande egenskaper som hjälper till att fånga. En mängd olika behandlingar appliceras på latexskum för att producera olika typer av skum med varierande egenskaper för att underlätta prestanda. Vissa är till exempel designade för att erbjuda ett högt grepp; medan andra är designade för att erbjuda maximal hållbarhet.