El caucho vulcanizado es mucho más resistente que el caucho tradicional. Puede soportar mayores presiones y tensiones y es mucho más elástico, por lo que muchos fabricantes prefieren utilizar caucho vulcanizado en sus negocios. La mayor resistencia y elasticidad del caucho vulcanizado permiten que se estire en un grado mucho mayor sin deformarse ni deformarse. La vulcanización también significa que el caucho está mejor protegido contra la abrasión u otros daños causados por el raspado.
Pero ¿qué es exactamente la vulcanización y cómo funciona? En este artículo, analizaremos con mayor detalle la vulcanización y la historia y usos del caucho vulcanizado.
¿Qué es la vulcanización?
Hay dos tipos de caucho: caucho natural y sintético. El caucho natural es un poco más fuerte y tiene menos olor, mientras que el caucho sintético es más resistente al calor y al envejecimiento. El caucho sintético también se utiliza en productos para personas alérgicas a las proteínas que se encuentran en el caucho natural. El 70% del caucho que se utiliza hoy en día en los Estados Unidos es sintético, pero ambos tipos se utilizan comúnmente en todo el mundo.
El caucho natural está compuesto de moléculas de poliisopreno. Se obtiene de las células o conductos de látex de las plantas productoras de caucho. Si bien existen más de doscientas plantas capaces de producir látex, la mayor parte del caucho natural proviene del árbol del caucho (Hevea Brasiliensis).
Los cauchos sintéticos son polímeros artificiales producidos a partir de subproductos del petróleo. Los cauchos naturales y sintéticos coagulados no son muy útiles en sus estados iniciales. Es pegajoso, termoplástico y suave con muy baja resistencia a la tracción y elasticidad, por lo que debe someterse a procesos como la vulcanización antes de poder usarse. El caucho natural y la mayoría de los tipos de caucho sintético se pueden vulcanizar para mejorar sus propiedades y hacerlos lo suficientemente resistentes y firmes para su uso. El proceso de vulcanización implica agregar y calentar caucho con azufre para mejorar su elasticidad y resistencia.
El poliisopreno (caucho natural) y el caucho de estireno-butadieno (SBR) son los polímeros que se vulcanizan con mayor frecuencia. Estos cauchos se utilizan a menudo para fabricar neumáticos para vehículos.
Las técnicas de vulcanización pueden variar, pero generalmente implican mezclar caucho crudo u otros materiales elastoméricos con 5-30% de azufre u otro agente (para provocar una reacción de reticulación) con un activador, acelerador y retardador para formar una red molecular reticulada. .
La vulcanización utilizando azufre solo es muy lenta y puede provocar una degradación oxidativa, lo que da como resultado propiedades mecánicas deficientes. Por eso se añaden aceleradores para que la vulcanización pueda ocurrir a menor temperatura y con mayor eficiencia. (Esto también reduce la cantidad de azufre necesaria, lo que mejora las propiedades de envejecimiento del caucho vulcanizado).
Los aditivos comúnmente utilizados incluyen óxido de zinc (activadores), guanidinas, tiazoles, xantatos, tiuramos (aceleradores), ácido acético, cloruro de calcio (coagulantes), aminas, fenólicos y fosfitos (antioxidantes), pigmentos de color, aceites y antiespumantes. agentes.
Se debe evitar la vulcanización activa durante las etapas de mezclado para evitar que se formen grietas cuando se moldea o se le da forma al caucho.
La ciencia detrás del proceso de vulcanización
La vulcanización revolucionó la forma de producir caucho y su aplicación. Antes de que se descubriera la vulcanización, el caucho natural se coagulaba utilizando ácido y calor para hacerlo maleable. A altas temperaturas, el caucho se volvería pegajoso y comenzaría a derretirse. Sin embargo, cuando la temperatura era demasiado baja, rápidamente se volvía quebradizo. Usar caucho en un entorno industrial era costoso y poco práctico utilizando estos métodos.
Entonces, ¿cómo se vulcaniza el caucho? La savia de látex natural extraída de los árboles contiene moléculas de isopreno. A medida que el látex se seca, las moléculas se acercan y atacan el doble enlace de carbono de las moléculas adyacentes. El doble enlace se rompe y los electrones se reforman para unir las moléculas de isopreno, convirtiéndolas en monómeros. Este proceso continúa hasta que muchas moléculas de isopreno se unen y crean largas hebras o cadenas de monómeros (polímeros).
El agregado de cadenas monoméricas de isopreno se llama poliisopreno y se unen formando enlaces electrostáticos. Esto permite que las hebras se muevan entre sí cuando se tiran y vuelven a su estado original cuando se relajan, lo que le da al caucho un grado de elasticidad natural.
Al agregar azufre y la temperatura y presión adecuadas, los átomos de azufre atacan los dobles enlaces de los átomos de carbono dentro de las hebras de isopreno y los unen. Los átomos de azufre también se unen entre sí y luego unen las distintas hebras de isopreno. Esto se conoce como reticulación en su estado permanente.
La reticulación es el mecanismo de reacción que le da al caucho vulcanizado su resistencia a la tracción. En términos más simples, la reticulación es un proceso químico mediante el cual las cadenas de polímeros se unen entre sí. Se puede comparar con un plato de espaguetis crudos. Es muy fácil sacar cada hebra del tazón, pero una vez que está cocida y seca, se pegan y es más difícil separarlas.
Las cadenas de polímeros que no han sido reticuladas se mueven libremente, mientras que es mucho menos probable que las cadenas reticuladas fluyan bajo tensiones causadas por el calentamiento o la tracción. También son más resistentes a los disolventes y se pueden utilizar para revestimientos más resistentes o aplicaciones de unión.
La reticulación crea una estructura en forma de red que le da una elasticidad más estable al caucho y, una vez creado, no se puede descomponer fácilmente. Esta naturaleza permanente del cambio en la química del caucho se llama termoestable.
Hay tres etapas de vulcanización, a saber, la inducción, la reticulación y el estado óptimo:
- Durante la etapa de inducción (o quemado), la lenta reacción de reticulación comienza a una temperatura entre 180°F y 230°F. Al caucho moldeado generalmente se le da forma antes de calentarlo, ya que la reticulación hace imposible darle forma al caucho;
- Durante la fase de reticulación o curado, se forman reticulaciones permanentes. La mezcla se calienta hasta 250-400ºF para acelerar la vulcanización, lo que resulta en una rápida reticulación.
- En su estado óptimo, el caucho vulcanizado puede volver a su longitud original después de hasta diez ciclos de deformación bajo tensión. Si el proceso de curado continúa más allá del estado óptimo, se conoce como curado excesivo. El estado óptimo final de curado o sobrecurado significa que todas las propiedades de los compuestos de caucho se van formando hasta alcanzar un comportamiento elástico.
Los enlaces cruzados formados dependen de la cantidad de agente vulcanizante, el tiempo de reacción, la temperatura y la naturaleza del caucho mismo.
¿Quién inventó la vulcanización del caucho?
El ser humano utiliza el caucho desde hace miles de años. Los antiguos olmecas fueron los primeros practicantes de la ciencia del caucho, mezclando savia de vid y savia de caucho hervida para crear su propio caucho vulcanizado. ¡Esto se usó para impermeabilización y, por supuesto, una de las primeras formas de baloncesto!
En la década de 1820, un químico llamado Charles Macintosh se asoció con el inventor Thomas Hancock para refinar el proceso. Disolvieron caucho natural en benceno y lo calentaron para producir láminas de caucho y telas impermeables. En años posteriores se añadió azufre al proceso.
Sin embargo, la vulcanización moderna tal como la conocemos puede atribuirse a Charles Goodyear. Goodyear se obsesionó con el caucho después de ver un chaleco salvavidas en una tienda general. Goodyear invirtió todo su tiempo y recursos en el caucho. Un día, accidentalmente derramó una mezcla de goma y chicle sobre una estufa caliente, donde “se carbonizó como cuero” y se endureció. Creía que detener el proceso en el momento adecuado haría que el caucho fuera más adhesivo y estable. Goodyear comenzó a "curar" el caucho y envió muestras a Thomas Hancock. Hancock notó azufre en la superficie y comenzó a agregar azufre a su procesamiento de caucho.
Goodyear obtuvo una patente estadounidense para la vulcanización unas semanas después de que Hancock se le adelantara en la patente del Reino Unido. El término vulcanización proviene de un amigo de Hancock, en referencia al dios romano del fuego, Vulcano.
El descubrimiento de Goodyear lanzó una revolución industrial, pero lamentablemente su perseverancia no dio sus frutos y murió con una deuda de más de 200.000 dólares. Posteriormente, la famosa empresa de neumáticos Goodyear recibió su nombre en reconocimiento a su importante contribución a la industria.
Como se mencionó anteriormente, usar azufre solo durante el proceso de vulcanización no es muy efectivo, rápido ni económico, razón por la cual el caucho no se usó ampliamente hasta que el químico estadounidense George Oenslager descubrió que agregar aceleradores al proceso de vulcanización mejoraba el proceso de curado en 1912. El método de vulcanización que inventó todavía se utiliza ampliamente en la actualidad.
¿Cuáles son los usos y beneficios del caucho vulcanizado?
La vulcanización mejora la elasticidad, dureza, resistencia al desgarro y resistencia a disolventes orgánicos y abrasión. También ofrece excelente resiliencia, baja absorción de agua y resistencia a la oxidación y es un excelente aislante eléctrico.
Si el caucho natural se vulcaniza correctamente, conserva y potencia sus beneficios sin las debilidades que existen a nivel molecular. Después de la vulcanización, las nuevas cadenas de polímero refuerzan el caucho; se encoge y se vuelve más duro. Esto hace que el caucho vulcanizado sea mucho menos susceptible a daños o deformaciones y le confiere una mayor resistencia a la tracción.
Esta durabilidad lo convierte en un excelente material para su uso en una serie de productos donde la durabilidad y la resistencia al agua durante actividades intensas son de suma importancia (como correas de relojes deportivos o suelas de zapatos de goma). El uso más común del caucho vulcanizado es en neumáticos. Los neumáticos suelen estar reforzados con negro de carbón para lograr una resistencia aún mayor. Anualmente se fabrican más de mil millones de neumáticos en todo el mundo.
El caucho vulcanizado también se utiliza para producir mangueras de caucho, suelas de zapatos, aislamientos, amortiguadores de vibraciones, borradores, amortiguadores, juguetes para niños, cintas transportadoras, tanques revestidos de caucho y más.
¿Es el caucho vulcanizado respetuoso con el medio ambiente?
El caucho vulcanizado es más resistente y tiene menos probabilidades de descomponerse que el caucho natural, pero existe evidencia de que el caucho vulcanizado se biodegrada en contenedores de compostaje calientes. El beneficio de la vulcanización es que los productos de caucho se pueden restaurar o reutilizar fácilmente porque son muy duraderos. Los neumáticos de caucho viejos se pueden recauchutar o reutilizar como asfalto, mantillo para jardinería, relleno de césped o tapetes para ganado. También se puede añadir a compuestos.
Conclusión
La vulcanización crea productos de caucho más resistentes, resistentes y duraderos de manera rentable. Gracias a inventores como Hancock y Goodyear, el caucho vulcanizado se ha convertido en un producto asequible y accesible que puede usarse y reutilizarse año tras año.
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