Vulcanización

La vulcanización es una gama de procesos para endurecer cauchos. El término originalmente se refería exclusivamente al tratamiento del caucho natural con azufre, que sigue siendo la práctica más común. También ha crecido para incluir el endurecimiento de otros cauchos (sintéticos) a través de varios medios. Los ejemplos incluyen caucho de silicona mediante vulcanización a temperatura ambiente y caucho de cloropreno (neopreno) utilizando óxidos metálicos.

La vulcanización se puede definir como el curado de elastómeros, y los términos 'vulcanización' y 'curado' a veces se usan indistintamente en este contexto. Funciona formando enlaces cruzados entre las secciones de la cadena de polímero, lo que da como resultado una mayor rigidez y durabilidad, así como otros cambios en las propiedades mecánicas y eléctricas del material. La vulcanización, al igual que el curado de otros polímeros termoendurecibles, es generalmente irreversible.

La palabra vulcanización se deriva de Vulcano, el dios romano del fuego y la forja.

Historia

El caucho, el látex, se conocía desde hace miles de años en las culturas mesoamericanas y se usaba para fabricar balones, suelas de sandalias, bandas de goma y recipientes impermeables. El caucho se procesaba para aplicaciones específicas dentro del Imperio azteca: los productos de caucho y látex se procesaban y construían, y luego se enviaban a la capital para su uso o posterior distribución.

Los primeros neumáticos con cámara de goma del siglo XIX se volvían pegajosos en una carretera caliente, hasta que los escombros se atascaban en ellos y, finalmente, los neumáticos explotaban.

Charles Goodyear, en la década de 1830, estaba trabajando para mejorar esos neumáticos con cámara. Intentó calentar el caucho para mezclarlo con otros productos químicos. Esto pareció endurecer y mejorar el caucho, aunque esto se debió al calentamiento en sí y no a los productos químicos utilizados. Sin darse cuenta de esto, se encontró repetidamente con contratiempos cuando sus fórmulas de endurecimiento anunciadas no funcionaron de manera consistente. Un día de 1839, cuando intentaba mezclar caucho con azufre, Goodyear accidentalmente dejó caer la mezcla en una sartén caliente. Para su asombro, en lugar de derretirse más o vaporizarse, la goma se mantuvo firme y, a medida que aumentaba el calor, la goma se endurecía. Goodyear desarrolló rápidamente un sistema consistente para este endurecimiento, al que llamó vulcanización debido al calor involucrado. Obtuvo una patente en el mismo año,

Aplicaciones

Hay muchos usos para los materiales vulcanizados, algunos ejemplos de los cuales son mangueras de goma, suelas de zapatos, juguetes, gomas de borrar, amortiguadores, cintas transportadoras, monturas/amortiguadores de vibraciones, materiales aislantes, neumáticos y bolas de boliche. La mayoría de los productos de caucho están vulcanizados, ya que esto mejora enormemente su vida útil, función y resistencia.

Visión general

A diferencia de los procesos termoplásticos (el proceso de fusión y congelación que caracteriza el comportamiento de la mayoría de los polímeros modernos), la vulcanización, al igual que el curado de otros polímeros termoestables, es generalmente irreversible. Cinco tipos de sistemas de curado son de uso común:

1. Sistemas de azufre
2. peróxidos
3. Óxidos metálicos
4. Acetoxisilano
5. Reticulantes de uretano

Vulcanización con azufre

Los métodos de vulcanización más comunes dependen del azufre. El azufre, por sí mismo, es un agente de vulcanización lenta y no vulcaniza las poliolefinas sintéticas. La vulcanización acelerada se lleva a cabo utilizando diversos compuestos que modifican la cinética de reticulación;esta mezcla a menudo se denomina paquete de curado. Los principales polímeros sujetos a la vulcanización con azufre son el poliisopreno (caucho natural) y el caucho de estireno-butadieno (SBR), que se utilizan para la mayoría de los neumáticos de vehículos de calle. El paquete de curado se ajusta específicamente para el sustrato y la aplicación. Los sitios reactivos (sitios de curado) son átomos de hidrógeno alílicos. Estos enlaces CH son adyacentes a los dobles enlaces carbono-carbono (>C=C<). Durante la vulcanización, algunos de estos enlaces CH son reemplazados por cadenas de átomos de azufre que se unen con un sitio de curado de otra cadena polimérica. Estos puentes contienen entre uno y varios átomos. El número de átomos de azufre en el entrecruzamiento influye fuertemente en las propiedades físicas del artículo de caucho final. Los entrecruzamientos cortos le dan al caucho una mejor resistencia al calor. Los enlaces cruzados con un mayor número de átomos de azufre le dan al caucho buenas propiedades dinámicas pero menos resistencia al calor. Las propiedades dinámicas son importantes para los movimientos de flexión del artículo de caucho, por ejemplo, el movimiento de un flanco de un neumático en movimiento. Sin buenas propiedades de flexión, estos movimientos forman rápidamente grietas y, en última instancia, harán que el artículo de caucho falle.

Vulcanización de policloropreno

La vulcanización del caucho de neopreno o policloropreno (caucho CR) se realiza utilizando óxidos metálicos (concretamente MgO y ZnO, en ocasiones Pb ₃ O ₄) en lugar de compuestos de azufre que se utilizan actualmente con muchos cauchos naturales y sintéticos. Además, debido a varios factores de procesamiento (principalmente chamuscado, que es el entrecruzamiento prematuro de los cauchos debido a la influencia del calor), la elección del acelerador se rige por reglas diferentes a las de otros cauchos diénicos. La mayoría de los aceleradores utilizados convencionalmente son problemáticos cuando se curan los cauchos CR y se ha descubierto que el acelerador más importante es la etilentiourea (ETU), que, aunque es un acelerador excelente y probado para el policloropreno, se ha clasificado como reprotóxico. La industria europea del caucho ha iniciado un proyecto de investigación SafeRubber para desarrollar una alternativa más segura al uso de ETU.

Vulcanización de siliconas

La silicona de vulcanización a temperatura ambiente (RTV) está construida con polímeros reactivos a base de aceite combinados con rellenos minerales fortalecedores. Hay dos tipos de silicona vulcanizante a temperatura ambiente:

1. RTV-1 (Sistemas de un componente); se endurece por la acción de la humedad atmosférica, un catalizador y el acetoxisilano. El acetoxisilano, cuando se expone a condiciones de humedad, formará ácido acético. El proceso de curado comienza en la superficie exterior y avanza hasta su núcleo. El producto se envasa en cartuchos herméticos y se presenta en forma líquida o de pasta. La silicona RTV-1 tiene buenas características de adhesión, elasticidad y durabilidad. La dureza Shore puede variar entre 18 y 60. El alargamiento a la rotura puede variar desde 150% hasta 700%. Tienen una excelente resistencia al envejecimiento debido a la resistencia superior a la radiación UV y la intemperie.
2. RTV-2 (Sistemas de dos componentes); productos de dos componentes que, cuando se mezclan, curan a temperatura ambiente hasta formar un elastómero sólido, un gel o una espuma flexible. RTV-2 permanece flexible de -80 a 250 °C (-112 a 482 °F). La descomposición se produce a temperaturas superiores a 350 °C (662 °F), dejando un depósito de sílice inerte que no es inflamable ni combustible. Se pueden utilizar para aislamiento eléctrico debido a sus propiedades dieléctricas. Las propiedades mecánicas son satisfactorias. RTV-2 se utiliza para fabricar moldes flexibles, así como muchas piezas técnicas para aplicaciones industriales y paramédicas.