bélyegkép|Kaucsukfa csapolása A gumi rugalmas anyag. A legtöbb anyaghoz képest már kis erővel is nagymértékben deformálható, és a deformáló erő megszűnte után (a csekély maradó deformációtól eltekintve) ismét felveszi eredeti alakját. Képes így viselkedni sokszor ismétlődő deformációs ciklusok esetén is. A gumi alapját a kaucsuk képezi, amelynek tulajdonságai nagymértékben meghatározzák a belőle készített gumi tulajdonságait.
A gumi név közvetlenül a latin gummi, a görög kommi (κόμμι = latex, ragasztó) szóból származik; eredetileg egyiptomi eredetű, és mézgát jelentett.
Szerkezeti változások a kaucsukban és a gumiban deformáció hatására A kaucsuk makromolekuláit első megközelítésben képzeljük el úgy, mint a fonalakat. Egy-egy molekula moláris tömege általában százezres vagy milliós nagyságrendű. A molekulák polimerek; általában 1-2 fajta (a 3 már ritka) monomer polimerizálásával keletkeznek. A szomszédos molekulák közti kölcsönhatások viszonylag gyengék; gyengébbek, mint például a fehérjemolekulák esetében. A makromolekulák a konformációs mozgás következtében állandóan tekeregnek-csavarodnak, véletlenszerűen. Ha ilyenkor egy másik makromolekula (egy részletének) közelébe kerülnek, kölcsönhatásba lépnek vele. Ez a kölcsönhatás általában elég gyenge, és nem elég ahhoz, hogy ott tartsa, kristályba rendezze a makromolekula-szakaszokat. Vagyis a kaucsuk kristálytartalma kicsi. A műanyagok makromolekulái (vagy annak nagyobb szakaszai) általában rendezettebben helyezkednek el egymás mellett, közöttük erősebb a kölcsönhatás.
Nyújtáskor a kaucsukmolekulát kihúzzuk a szomszéd makromolekulák közül. A kaucsuk tehát folyadék, csak nagyon sűrű (viszkózus). Nem-newtoni folyadék, vagyis folyási (reológiai) tulajdonságai némiképpen eltérnek például a víz folyási tulajdonságaitól (többféle modell született a folyási tulajdonságok leírására, melyek többé-kevésbé leírják a kaucsuk viselkedését).
Az erő megszűntekor a kihúzott makromolekula nem megy vissza a helyére: a kaucsuk első megközelítésben nem rugalmas (ha ennél közelebbről nézzük, akkor az egyenesre kihúzott molekula az erő megszűntekor „visszaráncosodik”; további rugalmasság származik abból, hogy a kaucsukmolekulák sosem teljesen egyenesek, hanem girbegurbák, elágaznak és egymásba gubancolódnak – azonban a maradó deformáció a vulkanizálatlan kaucsuk esetében mindig jóval nagyobb, mint a rugalmasan visszadeformálódott rész).
Ciklikus terhelés esetén az első néhány terhelési ciklus deformációgörbéje (hiszterézise) egymáshoz hasonló lefutású, értékeiben azonban eltérő lesz. Ezt a jelenséget Mullins-jelenségnek vagy Mullins-effektusnak nevezzük.
Vulkanizáláskor a makromolekulák között keresztkötések képződnek. Első megközelítésben képzeljük el, hogy a fonalakat itt-ott egymáshoz ragasztjuk egy-egy csepp ragasztóval. Egy cérnaszálat most nem fogunk tudni kihúzni a többi közül, ha a másik kezünkkel megfogjuk a többit. Csak annyira, amennyire kiegyenesedés közben elmozdulnak egymáshoz képest. De ha elengedjük, akkor jelentős mértékben visszaugranak eredeti, „ráncos” állapotukba.
A gumi sokkal nagyobb mértékben deformálható rugalmasan, mint összeragasztott cérnaszálaink. Miért e nagy különbség?
Ha közelebbről megnézzük, a kaucsuk makromolekulái sokkal kevésbé párhuzamosak, mint a fonalak. Két keresztkötés között sokkal nagyobb „kanyarokat” írnak le, és a szabadság hatványozódik a sem vonalban, sem síkban, sem térben nem párhuzamos makromolekulák közötti keresztkötések esetében.
A gumi már nem folyadék, a létrejött térháló megakadályozza, hogy a test korlátlanul felvehesse az őt tartalmazó edény alakját.
Vulkanizálás
Vulkanizáláskor keresztkötések létesülnek a láncmolekulák között. Az esetek 90%-ában kénnel vulkanizálják a nyers gumikeveréket (a kén a legolcsóbb vulkanizálószer). A maradék 10%-ban kén helyett használnak: tellúrt, szelént, kéndonorokat, fém-oxidokat, bifunkciós vegyületeket (a vegyületek sokfélék lehetnek, így sokféle a keresztkötés is, amit létesítenek a két makromolekula-szegmens között), peroxidokat, vagy nagy energiájú elektromágneses sugárzást (ilyenkor a két szénlánc közti kötés általában C-C kötés, nagyon rövid, kémiailag stabil kötés).
Ma már általában polimerizált ként alkalmaznak. Egy-egy esetben általában sokféle hosszúságú kénhíd képződik a két molekulalánc között. Ezek aránya (például melyik van túlsúlyban) a reakció résztvevőitől és körülményeitől függ; elsősorban a gyorsítótól, aztán az aktiválószertől, koágenstől, a kaucsuktól, a hőmérséklettől, a többi keverékkomponenstől stb. A kénhidaktól elsősorban a gumi dinamikus tulajdonságai függenek.
A kén a kaucsukmolekula kettős kötéseivel tud reakcióba lépni. Ezért nem vulkanizálhatók kénnel közvetlenül telített szénláncú molekulák. A butilkaucsuk például azért tartalmaz a butilén-szegmensek között izoprén-szegmenseket, mert az előbbi nem tartalmaz kettős kötést, az utóbbi viszont igen. Így a butilkaucsuk is vulkanizálható kénnel. Az EPM kaucsuk csak etilén- és propilénszegmenseket tartalmaz, ezért nem vulkanizálható kénnel. Az EPDM kaucsuk nevében a D a diént jelenti, amiből a polimerizálás után is marad egy kettős kötés, így ez vulkanizálható kénnel.
A vulkanizálás exoterm (hőtermelő) folyamat, tehát a gumi felmelegszik. Akkor miért kell annyira melegíteni a gumit ahhoz, hogy kivulkanizáljon?
A gumi vulkanizálásakor átlagosan minden ötvenedik szénatom vesz részt keresztkötésben. Komolyabb hőmennyiség termeléséhez ez kevés. Viszont elég nagy a kémiai reakció aktiválási energiája, és hidegen nagyon kicsi a reakciósebesség. Ezért kell melegíteni.
Ez a keresztkötés-sűrűség pont megfelel a rugalmas tulajdonságok kialakulásához. Ha ritkábban vannak a keresztkötések, akkor nem elég nagy a szakítószilárdság. Ha növeljük a keresztkötések sűrűségét, akkor egyre nagyobb lesz a vulkanizált gumi modulusza, egyre keményebb és merevebb lesz, míg végül ebonit lesz belőle. (Keménységét lágyabb gumiknál Shore-A, keményebbeknél Shore-D skálán mérik. A Shore-A keménységmérésnél 35 fokos szögben sarkított kúp alakú behatolótest 12.5 N erővel hatol a próbatestbe, a Shore-D esetén az erő 50 N. Ha benyomódása 0mm, a keménység 100, ez kb. az ebonit keménysége, míg 2.5 mm benyomódásnál 0. Gyakorlatilag a 30-as, vagy annál kisebb Shore-A keménységű gumi majdnem folyadéknak tekinthető.) Tágabb értelemben az ebonit is gumi; keményguminak is hívják. Deformációkor a gumi kevéssé változtatja a térfogatát, gyakorlatilag összenyomhatatlannak szoktuk tekinteni.
A gumi deformációja csak kis deformációnál (például 10%) írható le a Hooke-törvénnyel. Ha ennél nagyobb mértékben nyújtunk például állandó erővel egy gumitestet, akkor annak állandóan nő a nyúlása, egy aszimptotához tart. A kis részecskékből álló anyagok (például fémek, sók) deformációja pillanatszerű, de a hosszú kaucsukmolekulák átrendeződése időbe kerül. Az időfaktor következményeit viszkoelasztikus viselkedésnek szokták nevezni. A viszkoelasztikus viselkedést nem tudjuk olyan egyszerű képletekkel leírni, mint a Hooke-törvény, mert nagyon sok (esetleg máig ismeretlen) összetevője van. Ehelyett többféle elmélet, egyenlet jött létre. Ezek mind valamilyen közelítő megoldások, melyek egyik vagy másik esetben nagyobb sikerrel alkalmazhatók, mint mások, például Voigt-Kelvin modell, Maxwell-modell, Mooney-Rivlin törvény.
Szakítószilárdság A szakítószilárdságot a részecskék közti összetartó erő határozza meg. A gumi esetében nem is olyan egyszerű megmondani, mi ez az összetartó erő; a szomszédos molekulaláncok közti gyenge kölcsönhatás keveredik a (kémiai) keresztkötésekkel és a kristályok szakítószilárdságával, hiszen a gumi mindig tartalmaz valamennyi kristályos gócot.
A gyakorlatban a gumi úgy szakad el, hogy egy gyenge ponton keletkezik egy repedés, és az végigterjed a teljes keresztmetszeten. Ezek a gyenge pontok lehetnek inhomogenitások (ezen belül például szilárd szemcsék, légzárványok), különböző anyagok (akár kristályos és nem kristályos részek) határfelületei, már meglevő karcolások; de felhalmozódhat a feszültség akár a gumitermék alakjából vagy a gyártástechnológiából fakadóan is. Ha egyszer egy repedés megindul, akkor azt a kémiai kötések sem állítják meg. Ha a gumi a kémiai kötések felbomlásától szakadna el, akkor 3000 MPa lenne a szakítószilárdsága; a valóságban a 300 MPa szakítószilárdságú gumi már igen erősnek számít.
A viszkoelasztikus viselkedés miatt a szakítószilárdság függ a deformáció sebességétől. A hosszú molekulák nem pillanatszerűen, hanem időben elhúzódva reagálnak a húzásra. Ha a makromolekulák reakciója elmarad a deformáció sebességétől, a gumi nem győz alkalmazkodni a deformációhoz, akkor nem viselkedik rugalmasan, törékeny lesz, és kisebb lesz a szakítószilárdsága. Fokozottan igaz ez a dinamikus igénybevételnél. Egy adott gumi esetében a deformáció frekvenciájának növelésével romlanak a dinamikus tulajdonságok, a gumi egyre kevesebb deformációciklust bír ki meghibásodás nélkül.
Az alacsony hőmérsékletek hatása ugyanolyan, mint a nagy frekvenciák hatása. Mivel a hőmérséklet csökkenésével csökken a makromolekula-szegmensek mozgékonysága is, ezért a deformáció egyre nehezebben képes követni az erő hatását az adott frekvencia mellett. Bizonyos határon túl a „gumi” üvegállapotba kerül, elveszti rugalmas tulajdonságait.
A makromolekulák közti kölcsönhatás, és így a szakítószilárdság annál nagyobb, minél hosszabb a szénlánc.
A makromolekulák közti kölcsönhatás nagyobb, ha poláros csoportokat tartalmaznak. Minél több az ilyen csoport, annál nagyobb a szakítószilárdság is. A poláros csoportok kedveznek a rendezettség kialakulásának, a kristályosodásnak. Minél polárosabb a molekula, annál távolabb kerül az anyag a gumitól, annál közelebb a műanyagokhoz, és annál rövidebb lánccal elérhető ugyanaz a szakítószilárdság.
Hiszterézis A gumi erő hatására deformálódik, az erőhatás megszűnte után pedig visszanyeri eredeti alakját, és visszaadja a deformáláshoz befektetett energiát. De nem teljesen. Ha csökkentjük a deformációt, a feszültség kisebb lesz, mint ugyanakkora deformációnál a feszültség növelésekor. Ez a mechanikai hiszterézis. A deformációra fordított energia egy része elnyelődik a gumiban, és többnyire hővé alakul. Ezért mechanikai igénybevétel hatására a gumi mindig melegszik. A feszültség-deformáció grafikonon hiszterézishurok látható. Ha a gumi kevésbé rugalmas (a gumigolyó alacsonyabbra pattan fel, mint ahonnan leejtettük), akkor jobban melegszik.
A molekulatömeg-eloszlás következményei A kaucsukok előállításához nagyon sokféle technológiát használnak, és így például többféle butadién-kaucsuk létezik. Különbözhetnek már a (kereskedelemben kapható) monomerek is, de különbözhet a hőmérséklet, nyomás, a közeg, amelyben a polimerizáció zajlik, a katalizátorok, a láncnövelés és a láncnövekedés leállításának módszere stb. Így az előállított kaucsuk tulajdonságai is különbözhetnek. Amellett, hogy legfontosabb részük megegyezik (például „polibutadién”), a többi alkotórész jelen lehet más és más arányban. Mint a szerves vegyületek reakcióinál általában, az adott polimerizáció során többféle reakciótermék keletkezhet. Bizonyos reakciókörülmények például jobban kedveznek a lineáris molekulák keletkezésének, mások több láncelágazást engednek meg. Egyes körülmények alkalmazása során ennyi cisz- és annyi transz-izomer keletkezik, mások más eredményt adnak. Az egyik katalizátor minden monomert szigorúan ugyanúgy, szabályosan irányít a növekvő lánchoz, a másik nem ilyen válogatós. A nagyon szabályos makromolekulák könnyebben kristályosodnak. Az előállítási módszertől még az is függhet, hogy hányadik szénatomnál marad meg a kettős kötés a polimerben, illetve melyikből mennyit tartalmaz az adott kaucsuk.