La vulcanización (británico: vulcanización ) es una gama de procesos para endurecer cauchos . [1] El término originalmente se refería exclusivamente al tratamiento del caucho natural con azufre , que sigue siendo la práctica más común. También ha crecido hasta incluir el endurecimiento de otros cauchos (sintéticos) mediante diversos 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 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. [2] La vulcanización, al igual que el curado de otros polímeros termoestables , es generalmente irreversible.
La palabra fue sugerida por William Brockedon (un amigo de Thomas Hancock que obtuvo la patente británica para el proceso) proveniente del dios Vulcano , quien estaba asociado con el calor y el azufre en los volcanes . [3]
El caucho (látex) se conocía desde hace miles de años en las culturas mesoamericanas y se utilizaba para fabricar pelotas, suelas de sandalias, bandas elásticas y recipientes impermeables. El caucho se procesaba para aplicaciones específicas dentro del Imperio Azteca : se procesaban y construían productos de caucho y látex, y luego se enviaban a la capital para su uso o distribución posterior. [4]
Los primeros neumáticos con cámara de caucho del siglo XIX se volvían pegajosos en una carretera calurosa. Los escombros se atascaban en ellos y eventualmente los neumáticos estallaban.
Charles Goodyear , en la década de 1830, estaba trabajando para mejorar esos neumáticos con cámara. Intentó calentar caucho para mezclarlo con otros 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 topó repetidamente con contratiempos cuando las fórmulas de endurecimiento que anunció no funcionaron de manera consistente. Un día de 1839, al intentar mezclar caucho con azufre , Goodyear dejó caer accidentalmente la mezcla en una sartén caliente. Para su asombro, en lugar de derretirse más o vaporizarse , el caucho permaneció firme y, a medida que aumentó el calor, el caucho se volvió más duro. Goodyear ideó un sistema consistente para este endurecimiento y en 1844 ya producía caucho a escala industrial. [ cita necesaria ]
Hay muchos usos para los materiales vulcanizados, algunos ejemplos de los cuales son mangueras de goma, suelas de zapatos, juguetes, borradores, discos de hockey, amortiguadores, cintas transportadoras, [5] soportes /amortiguadores de vibración, materiales aislantes, neumáticos y bolas de bolos. [6] La mayoría de los productos de caucho están vulcanizados, ya que esto mejora enormemente su vida útil, función y resistencia.
A diferencia de los procesos termoplásticos (el proceso de fusión-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. Se utilizan comúnmente cinco tipos de sistemas de curado:
Los métodos de vulcanización más comunes dependen del azufre. El azufre, por sí solo, es un agente de vulcanización lenta y no vulcaniza poliolefinas sintéticas . La vulcanización acelerada se realiza utilizando diversos compuestos que modifican la cinética de reticulación; [7] Esta mezcla a menudo se conoce como paquete de cura. Los principales polímeros sometidos a 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 los vehículos de calle. El paquete de curado se ajusta específicamente para el sustrato y la aplicación. Los sitios reactivos (sitios de curación) 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 enlaces cruzados 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 una pared lateral de un neumático en marcha. Sin buenas propiedades de flexión, estos movimientos forman rápidamente grietas y, en última instancia, harán que el artículo de caucho falle.
La vulcanización del caucho de neopreno o policloropreno (caucho CR) se lleva a cabo utilizando óxidos metálicos (específicamente MgO y ZnO , a veces Pb 3 O 4 ) en lugar de compuestos de azufre que se utilizan actualmente con muchos cauchos naturales y sintéticos . Además, debido a diversos factores de procesamiento (principalmente quemado, es decir, la reticulación prematura de los cauchos debido a la influencia del calor), la elección del acelerador se rige por reglas diferentes a las de otros cauchos diénicos . Los aceleradores más utilizados convencionalmente son problemáticos cuando se curan los cauchos CR y se ha descubierto que el acelerante más importante es la etilentiourea (ETU), que, aunque es un acelerador excelente y probado para el policloropreno, se ha clasificado como tóxico para la reproducción . La industria europea del caucho ha iniciado un proyecto de investigación SafeRubber [8] para desarrollar una alternativa más segura al uso de ETU.
La silicona vulcanizante a temperatura ambiente (RTV) está fabricada con polímeros reactivos a base de aceite combinados con cargas minerales fortalecedoras. Existen dos tipos de silicona vulcanizante a temperatura ambiente: