Vulcanización

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La vulcanización (en inglés británico: vulcanisation ) es una serie 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 para incluir el endurecimiento de otros cauchos (sintéticos) a través de varios medios. Los ejemplos incluyen el caucho de silicona mediante vulcanización a temperatura ambiente y el 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 termoendurecibles , 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 que estaba asociado con el calor y el azufre en los volcanes . ^[3]

En las antiguas culturas mesoamericanas , el caucho se utilizaba para fabricar pelotas, suelas de sandalias, bandas elásticas y recipientes impermeables. ^[4] Se curaba utilizando jugos de plantas ricos en azufre, una forma temprana de vulcanización. ^[5]

En la década de 1830, Charles Goodyear trabajó para idear un proceso para fortalecer los neumáticos de caucho. Los neumáticos de la época se volvían blandos y pegajosos con el calor, acumulando residuos de la carretera que los perforaban. Goodyear intentó calentar el caucho para mezclarlo con otros productos químicos. Esto pareció endurecerlo y mejorarlo, 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 sus anunciadas fórmulas de endurecimiento 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 aumentaba el calor, el caucho se volvió más duro. Goodyear elaboró ​​un sistema consistente para este endurecimiento y, en 1844, patentó el proceso y estaba produciendo el caucho a escala industrial. ^{[ cita requerida ]}

Los materiales vulcanizados tienen muchos usos, algunos ejemplos son las mangueras de caucho, las suelas de zapatos, los juguetes, las gomas de borrar, los discos de hockey, los amortiguadores, las cintas transportadoras, ^[6] los soportes/amortiguadores de vibración, los materiales de aislamiento, los neumáticos y las bolas de boliche. ^[7] La ​​mayoría de los productos de caucho se vulcanizan, ya que esto mejora enormemente su vida útil, su función y su resistencia.

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 termoendurecibles , es generalmente irreversible. Se utilizan cinco tipos de sistemas de curado:

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

Los métodos de vulcanización más comunes dependen del azufre. El azufre, por sí mismo, es un agente vulcanizante lento y no vulcaniza poliolefinas sintéticas . La vulcanización acelerada se lleva a cabo utilizando varios compuestos que modifican la cinética de la reticulación; ^[8] esta mezcla a menudo se denomina paquete de curado. 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 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 alílico . Estos enlaces CH son adyacentes a los enlaces dobles carbono-carbono (>C=C<). Durante la vulcanización, algunos de estos enlaces CH se reemplazan por cadenas de átomos de azufre que se unen con un sitio de curado de otra cadena de polímero. Estos puentes contienen entre uno y varios átomos. El número de átomos de azufre en el enlace cruzado influye fuertemente en las propiedades físicas del artículo de caucho final. Los enlaces cruzados cortos proporcionan al caucho una mejor resistencia al calor. Los enlaces cruzados con un mayor número de átomos de azufre proporcionan 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 la pared lateral de un neumático en marcha. Sin buenas propiedades de flexión, estos movimientos forman grietas rápidamente 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 varios factores de procesamiento (principalmente el quemado, que es 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 . La mayoría de los aceleradores utilizados convencionalmente son problemáticos cuando se curan los cauchos CR y se ha descubierto que el acelerante más importante es el etilentiourea (ETU), que, aunque es un acelerador excelente y probado para el policloropreno, ha sido clasificado como reprotóxico . De 2010 a 2013, la industria europea del caucho tuvo un proyecto de investigación titulado SafeRubber para desarrollar una alternativa más segura al uso de ETU. ^[9]

La silicona vulcanizante a temperatura ambiente (RTV) está compuesta por polímeros reactivos a base de aceite combinados con rellenos minerales de refuerzo. Existen dos tipos de silicona vulcanizante a temperatura ambiente:

1. RTV-1 (Sistemas de un componente); endurece debido a la acción de la humedad atmosférica, un catalizador y acetoxisilano. El acetoxisilano, cuando se expone a condiciones húmedas, formará ácido acético . ^[10] El proceso de curado comienza en la superficie exterior y progresa hasta su núcleo. El producto se envasa en cartuchos herméticos y se presenta en forma de líquido o 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 el 150% hasta el 700%. Tienen una excelente resistencia al envejecimiento debido a la resistencia superior a la radiación UV y a la intemperie.
2. RTV-2 (sistemas de dos componentes); productos de dos componentes que, al mezclarse, curan a temperatura ambiente y forman un elastómero sólido, un gel o una espuma flexible. El 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. El RTV-2 se utiliza para fabricar moldes flexibles, así como muchas piezas técnicas para aplicaciones industriales y paramédicas.

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