Kauczuk
Kauczuk – surowiec który zmienił świat
Kauczuk, a właściwie lateks, czyli mleczko wydzielane przez rośliny kauczukodajne to surowiec naturalny bez którego trudno sobie dziś wyobrazić życie. Choć wykorzystywany był już przez starożytnych Indian, świat zachodni odkrył go dopiero w XIX wieku, a jego historii bliżej do awanturniczej przygody niż naukowego postępu. Dziś lateks i produkowane z niego produkty gumowe znajdują zastosowanie niemal w każdej dziedzinie życia, a produkcja kauczuku naturalnego wzrasta z roku na rok.
Kauczuk naturalny pozyskiwany jest z wydzielanego przez uszkodzone tkanki roślin kauczukodajnych mleczka, zwanego lateksem. Substancja ta powstaje w komórkach mlecznych, posiadających zdolność przekształcania sacharozy w cis-1,4-poliizopren (kauczuk naturalny). Jest to mechanizm obronny rośliny – lepka wydzielina ma ochronić uszkodzone drzewo przed szkodnikami i pasożytami wpływając na smak roślin i chroniąc uszkodzone komórki.
Lateks to koloidalny roztwór kauczuku naturalnego (34 – 37%) i wody (52-60%) oraz białek żywic, cukrów i soli mineralnych. W środowisku naturalnym lateks ulega koagulacji – staje się wówczas miękki i elastyczny. Koagulacja następuje pod wpływem zakwaszania lub zmrożenia, a także dodania rozpuszczalnych w wodzie soli, które zawierają wielowartościowe kationy. Stabilizacja następuje pod wpływem substancji alkalicznych, np. amoniaku, stosuje się ją by zapobiec samorzutnej koagulacji. By zwiększyć zawartość kauczuku odwirowuje się go lub odparowuje część wody; dzięki tym procesom otrzymywany jest handlowy lateks naturalny.
Kauczuk naturalny pozyskiwany z lateksu, pod względem chemicznym składa się z węglowodorów, w 97% jest to cis-poliizopren 1,4, o wzorze:
Kauczukodajny wilczomlecz
Znanych jest ponad 200 gatunków roślin (drzew i krzewów) kauczukodajnych na świecie, do najważniejszych należą kauczukowiec, figowiec sprężysty, maniok, trojeść amerykańska, byliny: kok-sagiz, krym-sagiz. Prowadzone są również badania nad pozyskiwaniem mleczka kauczukowego z popularnego w Europie północnej mniszka lekarskiego. Znaczenie przemysłowe ma jednak należący do rodziny wilczomleczowatych (Euphorbiaceae) kauczukowiec brazylijski (Hevea brasiliensis), najbardziej nadający się do uprawy spośród 9 znanych gatunków wilczomlecza.
Kauczukowiec brazylijski to drzewo osiągające wysokość 15 -25 m, a w stanie naturalnym nawet do 30 m, rosnące w ciepłym, wilgotnym klimacie. Nie jest odporne na wiatr i mróz. Wymaga warunków zbliżonych do potrzeb palmy oleistej – optymalna temperatura to ok. 25oC, wilgotność między 60-80%, a opady w granicach 1800- 2500 mm rocznie. Długi korzeń palowy, mierzący 2,5 – 3 m wymaga dużej warstwy glebowej, cechującej się niską przepuszczalnością wody. Drzewo ma kwiatostan w typie wiechy, o żółtawych kwiatach. Owocuje w końcu pory deszczowej, owoc ma postać trójdzielnej torebki o średnicy 3-5 cm i zawiera trzy owalne nasiona zawierające duże ilości tłuszczu i pokryte brązową, lśniącą łupiną. Miąższ zawiera 30-40% tłuszczu i jest jadalny, natomiast z łupiny wytłaczany jest olej, który ze względu na dużą zawartość glikozydów cyjanogennych (które rozkładając się uwalniają toksyczny cyjanowodór) nie jest jadalny, ale stosowany jest jako składnik farb, lakierów, mydeł. Wytłoki nasion, po zneutralizowaniu toksyn w wysokiej temperaturze (350oC) są stosowane jako cenna karma dla zwierząt. Wykorzystywane jest również drewno z kauczukowca – jako opał (kaloryczność 4 500 – 4 700 kcal/kg), a także w przemyśle papierniczym, meblarskim, do produkcji skrzyń transportowych i palet.
Jednak głównym surowcem pozyskiwanym z hewea jest kauczuk. Pierwotnie eksploatowano drzewa dziko rosnące, dopiero w 1876 roku, wraz z „eksportem” kauczukowca na inne kontynenty zaczęto tworzyć plantacje. Ich rozwój nie był spektakularny, ale wraz ze wzrostem zapotrzebowania rósł ich udział w produkcji lateksu – w 1905 roku nadal 99,7% światowej produkcji kauczuku pochodziło ze zbieractwa, ale już w 1922 roku z plantacji pochodziło 93 % światowej produkcji.
Mleczko kauczukowe pozyskuje się z drzewek ok. 5-6 letnich, gdy osiągają wysokość 1 metra; okres produktywności plantacji to 25-30 lat. Lateks pozyskuje się robiąc w korze v-kształtne nacięcia. Wypływające mleczko zbierane jest do podwieszonych naczyń, a w niektórych rejonach – łupin orzecha kokosowego. Nacięć dokonuje się rano, gdy temperatura i parowanie są najniższe, a ciśnienie turgorowe jest największe. Lateks zbierany jest po około 5-8 godzinach od nacięcia. W okresach suchych i podczas deszczu, lateks nie jest zbierany. Następnie w zależności od przeznaczenia lateks podlega wstępnej przeróbce, jest oczyszczany i stabilizowany lub suszony i formowany w brykiety o wadze 33 kg. Surowiec najwyższej jakości ma jednolitą konsystencję i żółtą barwę, im ciemniejszy kolor, tym gorszej jakości kauczuk. Do lat 20. XX wieku lateks przerabiano bezpośrednio na plantacjach, dopiero wprowadzenie stabilizacji umożliwiło jego transport na dalsze odległości. Bezpośrednio lateks naturalny stosowany jest do produkcji wyrobów gąbczastych, rękawiczek gumowych, prezerwatyw, czepków, zabawek, do powlekania tkanin, itp. Różnice w technologii, czynią wyroby z lateksu osobną gałęzią przemysłu – gumowego. Guma uzyskana z lateksu cechuje się większą wytrzymałością mechaniczną, jest bardziej elastyczna od gumy z kauczuku walcowanego, jest też bardziej odporna na proces starzenia. Udział popytu na lateks naturalny, stanowi 12% zapotrzebowania na kauczuk naturalny.
Szacuje się, że współcześnie 50 000 różnego typu produktów jest wytwarzanych w oparciu o kauczuk naturalny. Ok. 70% naturalnego kauczuku przeznaczone jest na potrzeby przemysłu oponiarskiego i towarów pokrewnych (komponenty przemysłu motoryzacyjnego). 6% przeznaczane jest na potrzeby branży obuwniczej (podeszwy, obcasy, kalosze), a 4% wykorzystywane jest do produkcji kabli i izolacji. Wśród szerokiego spektrum zastosowań kauczuku znajdują się ubiory impregnowane, pasy transmisyjne, wężyki gumowe, uszczelki, artykuły gospodarstwa domowego, smoczki, materace, sprzęt sportowy, nawierzchnie drogowe.
Naśladując naturę
Jak w przypadku każdego surowca naturalnego, produkcja kauczuku ograniczona jest czynnikami naturalnymi (okresy suszy, huragany, szkodniki) i geopolitycznymi. To one przyczyniły się do prób zastąpienia naturalnego materiału najpierw sokiem mlekowym innych roślin, a następnie syntetykami. Lateks syntetyczny jest produkowany od 1929 roku, gdy opatentowana została technologia wytwarzania lateksu na drodze polimeryzacji emulsyjnej. Obecnie produkowane jest ok. 100 rodzajów kauczuku syntetycznego, z czego 80% to kauczuki ogólnego zastosowania, o niskiej kompleksowości i cenie. Kauczuki specjalne stanowią 20% produkcji, a najmniej, bo zaledwie 10-2 % stanowią kauczuki specjalnego przeznaczenia, których wartość stanowi jednak 10% rynku syntetyków.
Kauczuk sztuczny produkowany jest na bazie surowców pochodzenia petrochemicznego, zazwyczaj jest więc wytwarzany przez koncerny związane z przetwórstwem ropy naftowej i duże koncerny oponiarskie, co prowadzi do sytuacji przypominającej oligopol. Wybór między naturalnym surowcem a tworzywem jest warunkowany czynnikami technologicznymi, ale także uzależniony jest od cen energii i ropy. Według niektórych ekspertów (Verheye 2010), w najbliższych latach, wobec rosnących cen ropy, popyt na kauczuk syntetyczny będzie spadać na rzecz surowca naturalnego. Warto zaznaczyć, że w latach 2008-2009 nastąpił spadek produkcji kauczuków. Jednak kryzys w większym stopniu dotknął kauczuki syntetyczne, których liderem w produkcji są kraje rozwinięte. Warunkowane to było przyczynami ekonomicznymi – w tym rejonie spadła gwałtownie produkcja przemysłu motoryzacyjnego, który jest głównym odbiorcą gumy, podczas gdy w Azji popyt na produkty gumowe nie odnotował spadku. Ponadto kauczuk jest surowcem naturalnym, regulacja jego podaży nie jest tak łatwa jak w przypadku surowca syntetycznego, a wobec rosnących cen ropy, z której produkowany jest syntetyk skłania do substytucji produktu sztucznego tańszym, naturalnym. Nie zmienia to faktu, że w skali globalnej zapotrzebowane na kauczuk rośnie, nawet jeśli trend ten ulega spowolnieniu.
W Polsce kauczuk syntetyczny po raz pierwszy otrzymano w 1935 roku. Materiał zwany KER-em uzyskał zespół inżyniera Wacława Szukiewicza. W 1938 roku w Dębicy uruchomiono Zakłady Chemiczne „Dębica” SA, produkujące KER na skalę przemysłową. Była to czwarta na świecie fabryka kauczuku syntetycznego, po USA, Niemczech i ZSRR.
W 2011 roku wyprodukowano w Polsce 187 tysięcy ton kauczuku syntetycznego, od roku 2000 produkcja tego towaru w Polsce wzrosła o 44%. Na świecie wyprodukowano w 2011 roku 15 104 tysięcy ton kauczuku. Roczne zapotrzebowanie na kauczuk syntetyczny wyniosło wówczas 14 937 tysięcy ton.
Kauczukowe złoto
Cena kauczuku jest jednym z ważnych wskaźników rynkowych. W 2010 roku produkcja kauczuku naturalnego wyniosła 11 004 tysięcy ton. Przewiduje się, że zapotrzebowanie na kauczuk będzie rosło na rynkach rozwijających się, takich jak Indie, Chiny, rejon Pacyfiku, czy Afryka, które są głównym odbiorcą kauczuku naturalnego. W przeciągu ostatniej dekady udział krajów rozwijających się w światowej konsumpcji kauczuku naturalnego wzrósł o cztery punkty procentowe – z 39 do 43%.
W 2011 roku konsumpcja kauczuku naturalnego wyniosła 10 944 tysięcy ton, z czego blisko 70% przypadło na Azję i rejon Pacyfiku, a po ok. 11% na Amerykę Północną i kraje UE. Według niektórych prognoz ów stabilny, acz umiarkowany wzrost utrzyma się w ciągu najbliższych lat, wynosząc około 3% rocznie, głównie dzięki krajom rozwijającym się.
Warto zaznaczyć, że właśnie z Azji pochodzą czołowi producenci, stamtąd jest blisko 90% całej produkcji kauczuku naturalnego – liderami są tu Tajlandia i Indonezja. Według Olam International by pokryć to zapotrzebowanie, w ciągu najbliższych lat konieczne będzie zwiększenie powierzchni upraw o 1 mln ha. W 2011 roku powierzchnia upraw wynosiła około 9 821 tysięcy ha. Olam International Zainwestował w plantacje kauczukowca w afrykańskim Gabonie, tymczasem w niektórych krajach Azjatyckich, w tym m.in. Malezji, uprawa kauczuku zaczyna nieco tracić na znaczeniu. W przypadku Malezji, która wciąż jest na 3. miejscu pod względem produkcji nie jest to drastyczny spadek, opłacalność jest jednak coraz niższa. Wynika to ze stale powiększanego areału palmy olejowej, wymagającej podobnych warunków, ale znacznie mniejszych nakładów pracy, oraz z rosnących kosztów pracy przy jednocześnie silnej konkurencji ze strony innych krajów regionu. Wygrywają na tym gospodarki o niższych kosztach zatrudnienia, bowiem nadal w większości plantacje prowadzone są przez małych producentów; przykładowo, według danych Rady ds. Kauczuku, w Malezji plantacje poniżej 40 ha zapewniają ponad 90% krajowej produkcji tego surowca.
Awanturnicza historia kauczuku
Niezwykłe właściwości kauczuku były znane wśród Indian Ameryki Południowej i Środkowej od wieków.
Europejczycy po raz pierwszy zetknęli się z nowym materiałem już podczas drugiej wyprawy Kolumba, która miała miejsce w latach 1492-96. Wówczas podróżnicy zauważyli, że mieszkańcy Hispanioli (Haiti) grają w piłkę, która jest znacznie bardziej elastyczna i lepsza niż piłka europejska. Materiał choć opisany, wraz ze sposobem pozyskiwania, przez pierwszych eksploratorów Nowego Świata, m.in. w wydanym w 1615 roku opisie Juana de Torquemada Monarchia Indiana, przez następne stulecia funkcjonował jako kuriozum nie przydatne w praktyce. Na zainteresowanie „gumowa substancja” musiała poczekać jednak kolejne sto lat, gdy roślina wydzielająca pożyteczne mleczko zainteresowała botaników. Pierwszy opis dostarczył w 1736 roku Charles de Condamine. To jemu zawdzięczamy nazwy – heve dla drzewa kauczukowego, latex – dla mleczka wydzielanego przez nie, oraz przekazanie indiańskiego określenia „cahuchu” lub „caoutchouc” na materiał, który z niego powstaje. Na marginesie warto dodać, że określenie kauczuk (franc. coautchuc, niem. Kautschuk, hiszp. caucho), używane w Europie, wywodzi od słowa cahuchu lub caoutchouc tłumaczonych jako „sok/krew z drzewa”, aczkolwiek według niektórych badaczy etymologia jest bardziej poetycka i wywodzi się od zniekształconego słowa caaocho oznaczającego „płaczące drzewo”. Condamine, jako pierwszy podróżnik po Amazonce, opisał również produkty z kauczuku i sposoby ich wytwarzania, na przykład kauczukowe butelki działające na zasadzie strzykawki, czy buty. Kauczuk nadal jednak pozostawał zaledwie ciekawostką. Nie potrafiono odkryć przyczyny, dla której pozyskany z kauczukowca surowiec, był miękki i kruchy, i nie zachowywał elastyczności indiańskich piłek. Jednakże zainteresowali się nim chemicy. W 1770 roku Joseph Priestley po raz pierwszy wykorzystał kauczuk w charakterze gumki do ścierania, co wprowadziło kauczuk do obrotu handlowego w kategorii materiałów piśmienniczych. To od tego zastosowania pochodzi nomenklatura anglosaska – rubber oznaczające kauczuk, pochodzi od słowa rub, pocierać jest także określeniem dla gumki do ścierania.
Kolejne pół wieku zajęło europejczykom odkrycie nowych zastosowań kauczuku – w 1823 roku Charles Macintosh opatentował laminowany gumą płaszcz (tzw. Mackintosh). Nieprzemakalna odzież szybko zyskała popularność, ale miała również pewne wady – w niskich temperaturach sztywniała, zaś w wysokich topiła się, wydając nieprzyjemny zapach. Zaradziło temu odkrycie w 1839 roku, przez Charlesa Goodyeara, procesu wulkanizacji, w którym z podgrzanego lateksu z dodatkiem siarki uzyskiwał elastyczny materiał, nadający się do przemysłowego wykorzystania. Owo wykorzystanie na skalę przemysłową zagwarantowało wynalezienie opony (choć wynalazek ten opatentował William Thompson już w 1844 roku, świat zna ją dzięki Charlesowi Dunlopowi, który opatentował pneumatyczną oponę z gumy w 1888 roku). Oba odkrycia zrewolucjonizowały nie tylko historię kauczuku, ale także życie codzienne na całym świecie. Zwiększyło to gwałtownie zapotrzebowanie na surowiec pozyskiwany wówczas wyłącznie w Brazylii, z dziko rosnących drzew. O skali zjawiska świadczą dane – w latach 40. XIX wieku roczne zużycie kauczuku wynosiło 400 ton, dziesięć lat później zapotrzebowanie na brazylijskie „białe złoto” plasowało się na poziomie 3000-4000 ton.
Zapotrzebowanie na surowiec rosło, co implikowało wzrost ceny, tymczasem władze brazylijskie zakazały wywozu z kraju nasion hewea brasiliensis pod groźbą kary śmierci. Jednak starania by przełamać monopol okazały się silniejsze – w 1876 roku Henry Wikham przemycił, jak głosi wieść, w skórze aligatora, 70000 nasion kauczukowca do Anglii. Przemytnik dostał wynagrodzenie finansowe i tytuł szlachecki, a w Kew Gardens podjęto próby wyhodowania kauczukowca; z dostarczonych nasion wykiełkowało mniej niż 10%. Sadzonki wysłano do brytyjskich kolonii, gdzie panował odpowiedni dla nich klimat: na Cejlon (Sri Lanka) i do Singapuru. Pierwsze plantacje miały jednak charakter bardziej eksperymentalny niż komercyjny. Paradoksalnie, do sukcesu kauczukowca w Azji, przyczynił się inny surowiec pochodzący z Brazylii – kawa. Załamanie rynku kawy w latach 90. XIX wieku, spowodowane m.in. zainfekowaniem plantacji kawowych przez grzyby, zwróciło zainteresowanie producentów w stronę kauczuku. W 1895 roku, w Malezji powstały pierwsze komercyjne uprawy o łącznej powierzchni 48 akrów, a w 1905 roku pierwszy transport kauczuku z własnych plantacji – 174 tony – przybył do Londynu. Odtąd, to Zjednoczone Królestwo przejęło kontrolę na rynku kauczukowym, a kauczuk z Azji zaczął dominować na rynku. W 1914 r. światowa produkcja kauczuku naturalnego wynosiła 122 tys. ton, z czego ponad 72 tys. ton, pochodziło z plantacji w Azji. W roku 1938 udział Azji w światowej produkcji kauczuku naturalnego wynosił 97%. Kolejne plantacje zaczęły powstawać w Azji południowej i Afryce, eksploatowano tam również inne rośliny kauczukodajne, jednak brytyjski monopol został przełamany dopiero po wynalezieniu kauczuku syntetycznego.
Guma – sekret Indian
Pojawienie się kauczuku jako surowca do wyrobu gumy oraz upowszechnienie tego wyrobu zmieniło życie codzienne nie do poznania. Dziś trudno sobie wyobrazić życie bez gumowych czy lateksowych artykułów. Jak wyglądałoby życie bez kaloszy, smoczków, rękawiczek, opon, taśmy klejącej itp.?
Świat zachodni czekał na wynalezienie gumy kilka stuleci, tymczasem była ona w zasięgu ręki. I to jest jedna z największych tajemnic kauczuku, odkryta dopiero w końcu XX wieku. Otóż kauczuk surowy, w postaci, w jakiej poznali go europejczycy, był miękki i rozpadał się pod wpływem uderzenia, a zatem znacznie różnił się od materiału, z którego wykonane były piłki, zdolne wzbudzić zainteresowanie samego Karola V (w 1528 roku sprowadzono drużynę aztecką do Hiszpanii, by odegrała mecz przed obliczem cesarza). Jak już było wspomniane, kauczuk, w postaci, w jakiej dotarł do Europy w XVIII wieku, nie nadawał się do szerokiego zakresu zastosowań w jakich był wykorzystywany przez Majów, Azteków, Tolteków i inne ludy Nowego Świata. Wyrabiano z niego nie tylko piłki, ale także zelówki, paski elastyczne, kleje wykorzystywane w budownictwie i naczynia. Na cztery tysiące lat przed odkryciem procesu wulkanizacji Indianie opanowali umiejętność wytwarzania i manipulowania mechanicznymi właściwościami gumy, zależnie od potrzeb. Niestety cała ta wiedza zginęła wraz z ich cywilizacją.
Dopiero w 1999 roku, prof. Dorothy Hosler i Sandra Burkett i Michael Tarkanian z Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkryli, że tajemnica tkwi w dodawaniu do lateksu soków innych roślin. Ponieważ zachowane piłki ceremonialne nie mogły posłużyć do przeprowadzenia testów mechanicznych, badacze, żmudną metodą eksperymentów musieli odtworzyć starożytne receptury. Sięgnęli nie tylko do zachowanych artefaktów, ale także do opisów pierwszych podróżników i konkwistadorów, dawnych podań i legend, a także wskazówek współczesnych zawodników ulama (sportu kontynuujących tradycję meksykańskiej gry kauczukową piłką) oraz wykorzystali lokalną roślinność, swoistą dla tego obszaru. Warto pamiętać, że na terenie Ameryki Środkowej lateks pozyskiwano z drzew Castilla elastica, które obecnie nie występują na tym obszarze tak powszechnie, a Hevea Brasiliensis było swoiste dla obszarów Amazonki.
Podróżnicy, którzy jako pierwsi zetknęli się z roślinami kauczukodajnymi nie mieli natomiast świadomości, że są to różne gatunki, co niekiedy prowadziło do zarzutów o niedokładność opisu.Upowszechnienie hevei w plantacjach wynika z jej największej wydajności.
Aby uzyskać pożądane właściwości gumy, lateks mieszano w odpowiednich proporcjach z sokiem z wilca białego Ipomoea alba, z rodziny powojowatych, który często współwystępuje z drzewami kauczukowymi. Metodą eksperymentów badacze stwierdzili, że dla uzyskania sprężystości niezbędnej do wyrobu piłek, proporcja lateksu i soku z wilca to 1:1. Materiał odporny na ścieranie, np. na zelówki osiąga się natomiast proporcjami 1:3, a klej wyrabia się z czystego lateksu. Jeszcze inne proporcje dają spoiwa dla ceramiki, drewna czy wyrobu elastycznych pasemek. Dopiero ponad 600 lat po sprowadzeniu pierwszych wyrobów z kauczuku i niespełna 200 lat od wynalezienia gumy, odkryto, że produkt, bez którego świat dziś nie może się obejść, pierwotnie był wytwarzany na dużą skalę całkowicie z surowców naturalnych.
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
