Che cos'è la vulcanizzazione e la gomma vulcanizzata?

La gomma vulcanizzata è molto più resistente della gomma tradizionale. Può sopportare pressioni e sollecitazioni maggiori ed è molto più elastico, motivo per cui molti produttori preferiscono utilizzare la gomma vulcanizzata nelle loro attività. La maggiore resistenza ed elasticità della gomma vulcanizzata consentono di allungarla in misura molto maggiore senza deformarsi o deformarsi. La vulcanizzazione significa anche che la gomma è meglio protetta dall'abrasione o da altri danni causati dal raschiamento.

Ma cos’è esattamente la vulcanizzazione e come funziona? In questo articolo esamineremo più dettagliatamente la vulcanizzazione, la storia e gli usi della gomma vulcanizzata.

Cos'è la vulcanizzazione?

Esistono due tipi di gomma: gomma naturale e gomma sintetica. La gomma naturale è leggermente più resistente e ha meno odore, mentre la gomma sintetica è più resistente al calore e all'invecchiamento. La gomma sintetica viene utilizzata anche nei prodotti per persone allergiche alle proteine presenti nella gomma naturale. Il 70% della gomma utilizzata oggi negli Stati Uniti è sintetica, ma entrambi i tipi sono comunemente usati in tutto il mondo.

La gomma naturale è composta da molecole di poliisoprene. Si ottiene dalle cellule o condotti di lattice delle piante produttrici di gomma. Sebbene esistano più di duecento piante in grado di produrre lattice, la maggior parte della gomma naturale proviene dall'albero della gomma (Hevea Brasiliensis).

Le gomme sintetiche sono polimeri artificiali prodotti da sottoprodotti del petrolio. La gomma naturale e sintetica coagulata non è molto utile nel loro stato iniziale. È appiccicoso, termoplastico e morbido con resistenza alla trazione ed elasticità molto basse, motivo per cui deve essere sottoposto a processi come la vulcanizzazione prima di poter essere utilizzato. La gomma naturale e la maggior parte dei tipi di gomma sintetica possono essere vulcanizzate per migliorarne le proprietà e renderle sufficientemente resistenti e solide per l'uso. Il processo di vulcanizzazione prevede l'aggiunta e il riscaldamento della gomma con zolfo per migliorarne l'elasticità e la resistenza.

Il poliisoprene (gomma naturale) e la gomma stirene-butadiene (SBR) sono i polimeri che vengono più spesso vulcanizzati. Queste gomme vengono spesso utilizzate per produrre pneumatici per veicoli.

Le tecniche di vulcanizzazione possono variare, ma di solito comportano la miscelazione di gomma grezza o altri materiali elastomerici con il 5-30% di zolfo o altro agente (per provocare una reazione di reticolazione) con un attivatore, un acceleratore e un ritardante per formare una rete molecolare reticolata .

La vulcanizzazione utilizzando solo lo zolfo è molto lenta e può portare alla degradazione ossidativa, con conseguenti proprietà meccaniche scadenti. Per questo motivo vengono aggiunti acceleranti in modo che la vulcanizzazione possa avvenire a temperatura più bassa e con maggiore efficienza. (Ciò riduce anche la quantità di zolfo necessaria, migliorando le proprietà di invecchiamento della gomma vulcanizzata).

Gli additivi comunemente usati includono ossido di zinco (attivatori), guanidine, tiazoli, xantati, tiurami (acceleratori), acido acetico, cloruro di calcio (coagulanti), ammine, composti fenolici e fosfiti (antiossidanti), pigmenti colorati, oli e agenti antischiuma. agenti.

Durante le fasi di miscelazione deve essere evitata la vulcanizzazione attiva per evitare la formazione di fessurazioni durante lo stampaggio o la sagomatura della gomma.

La scienza dietro il processo di vulcanizzazione

La vulcanizzazione ha rivoluzionato il modo in cui viene prodotta la gomma e come può essere applicata. Prima che fosse scoperta la vulcanizzazione, la gomma naturale veniva coagulata utilizzando acido e calore per renderla malleabile. A temperature elevate, la gomma diventerebbe appiccicosa e inizierebbe a sciogliersi. Tuttavia, quando la temperatura era troppo bassa, diventava rapidamente fragile. L'uso della gomma in un ambiente industriale era costoso e poco pratico con questi metodi.

Quindi, come viene vulcanizzata la gomma? La linfa del lattice naturale estratta dagli alberi contiene molecole di isoprene. Quando il lattice si asciuga, le molecole si avvicinano e attaccano il doppio legame di carbonio delle molecole adiacenti. Il doppio legame si rompe e gli elettroni si riformano per legare insieme le molecole di isoprene, trasformandole in monomeri. Questo processo continua finché molte molecole di isoprene si uniscono e creano lunghi filamenti o catene di monomeri (polimeri).

L'aggregato di catene monomeriche dell'isoprene è chiamato poliisoprene, che aderisce formando legami elettrostatici. Ciò consente ai fili di muoversi l'uno rispetto all'altro quando vengono tirati e di ritornare al loro stato originale quando sono rilassati, conferendo alla gomma un grado di elasticità naturale.

Aggiungendo zolfo e alla giusta temperatura e pressione, gli atomi di zolfo attaccano i doppi legami degli atomi di carbonio all'interno dei filamenti di isoprene e li legano. Anche gli atomi di zolfo si legano tra loro e quindi collegano insieme i vari filamenti di isoprene. Questo è noto come reticolazione nel suo stato permanente.

La reticolazione è il meccanismo di reazione che conferisce alla gomma vulcanizzata la sua resistenza alla trazione. In termini più semplici, la reticolazione è un processo chimico mediante il quale le catene polimeriche vengono collegate insieme. Può essere paragonato a un piatto di spaghetti crudi. È molto facile estrarre ogni filo dalla ciotola, ma una volta cotto e asciugato, si attaccano insieme e sono più difficili da separare.

Le catene polimeriche che non sono state reticolate si muovono liberamente, mentre le catene reticolate hanno molte meno probabilità di scorrere sotto sollecitazioni causate dal riscaldamento o dalla trazione. Sono anche più resistenti ai solventi e possono essere utilizzati per rivestimenti più resistenti o applicazioni leganti.

La reticolazione crea una struttura a rete che conferisce elasticità più stabile alla gomma e, una volta creata, non può essere scomposta facilmente. Questa natura permanente del cambiamento nella chimica della gomma è chiamata termoindurente.

Esistono tre fasi di vulcanizzazione, ovvero induzione, reticolazione e stato ottimale:

• Durante la fase di induzione (o scorch), la lenta reazione di reticolazione inizia a una temperatura compresa tra 180°F e 230°F. La gomma stampata viene solitamente modellata prima di essere riscaldata, poiché la reticolazione rende impossibile modellare la gomma;
• Durante la fase di reticolazione o indurimento si formano legami incrociati permanenti. La miscela viene riscaldata fino a 250-400ºF per accelerare la vulcanizzazione con conseguente reticolazione rapida.
• Nel suo stato ottimale, la gomma vulcanizzata può ritornare alla sua lunghezza originale dopo un massimo di dieci cicli di deformazione sotto tensione. Se il processo di polimerizzazione continua oltre lo stato ottimale, si parla di sovrapolimerizzazione. Lo stato finale ottimale di polimerizzazione o sovrapolimerizzazione significa che tutte le proprietà delle mescole di gomma si stanno formando fino a raggiungere il comportamento elastico.

I legami incrociati formati dipendono dalla quantità di agente vulcanizzante, dal tempo di reazione, dalla temperatura e dalla natura della gomma stessa.

Chi ha inventato la vulcanizzazione della gomma?

Gli esseri umani utilizzano la gomma da migliaia di anni. Gli antichi Olmechi furono i primi praticanti della scienza della gomma, mescolando linfa di vite e linfa di gomma bollita per creare la propria gomma vulcanizzata. Questo veniva utilizzato per l'impermeabilizzazione e, ovviamente, per una prima forma di basket!

Nel 1820, un chimico chiamato Charles Macintosh collaborò con Thomas Hancock, un inventore, per perfezionare il processo. Hanno sciolto la gomma naturale nel benzene e l'hanno riscaldata per produrre fogli di gomma e tessuti impermeabili. Lo zolfo fu aggiunto al processo negli anni successivi.

Tuttavia, la vulcanizzazione moderna come la conosciamo può essere attribuita a Charles Goodyear. Goodyear è diventata ossessionata dalla gomma dopo aver notato un giubbotto di salvataggio in un emporio. Goodyear ha investito tutto il suo tempo e le sue risorse nella gomma. Un giorno, rovesciò accidentalmente una miscela di gomma e gomma su una stufa calda, dove "bruciò come pelle" e si indurì. Credeva che interrompere il processo al momento giusto avrebbe reso la gomma più adesiva e stabile. Goodyear iniziò a “indurire” la gomma e inviò campioni a Thomas Hancock. Hancock notò lo zolfo sulla superficie e iniziò ad aggiungere zolfo alla lavorazione della gomma.

Goodyear ha ottenuto un brevetto statunitense per la vulcanizzazione poche settimane dopo che Hancock lo aveva battuto nel brevetto britannico. Il termine vulcanizzazione deriva da un amico di Hancock, riferendosi al dio romano del fuoco, Vulcano.

La scoperta di Goodyear lanciò una rivoluzione industriale, ma purtroppo la sua tenacia non diede i suoi frutti e morì con più di 200.000 dollari di debiti. La famosa azienda di pneumatici Goodyear prese successivamente il suo nome per riconoscere il suo importante contributo al settore.

Come accennato in precedenza, l'uso dello zolfo da solo durante il processo di vulcanizzazione non è molto efficace, veloce o economico, motivo per cui la gomma non è stata ampiamente utilizzata fino a quando un chimico americano George Oenslager non ha scoperto che l'aggiunta di acceleratori al processo di vulcanizzazione migliorava il processo di polimerizzazione in 1912. Il metodo di vulcanizzazione da lui inventato è ancora oggi ampiamente utilizzato.

Quali sono gli usi e i vantaggi della gomma vulcanizzata?

La vulcanizzazione migliora l'elasticità, la durezza, la resistenza allo strappo e la resistenza ai solventi organici e all'abrasione. Offre inoltre eccellente resilienza, basso assorbimento d'acqua e resistenza all'ossidazione e costituisce un eccellente isolante elettrico.

Se la gomma naturale viene vulcanizzata correttamente, conserva e migliora i suoi benefici senza le debolezze che esistono a livello molecolare. Dopo la vulcanizzazione, le catene polimeriche di nuova realizzazione rinforzano la gomma; si restringe e diventa più duro. Ciò rende la gomma vulcanizzata molto meno suscettibile a danni o deformazioni e le conferisce una maggiore resistenza alla trazione.

Questa durabilità lo rende un ottimo materiale da utilizzare in numerosi prodotti in cui la durabilità e la resistenza all'acqua durante le attività impegnative sono della massima importanza (come cinturini per orologi sportivi o suole di scarpe in gomma). L'uso più comune della gomma vulcanizzata è nei pneumatici. I pneumatici sono spesso rinforzati con nerofumo per una resistenza ancora maggiore. Ogni anno nel mondo vengono prodotti più di un miliardo di pneumatici.

La gomma vulcanizzata viene utilizzata anche per produrre tubi in gomma, suole di scarpe, materiali isolanti, smorzatori di vibrazioni, gomme per cancellare, ammortizzatori, giocattoli per bambini, nastri trasportatori, serbatoi rivestiti in gomma e altro ancora.

La gomma vulcanizzata è ecologica?

La gomma vulcanizzata è più resistente e ha meno probabilità di decomporsi rispetto alla gomma naturale, ma è dimostrato che la gomma vulcanizzata si biodegraderà nei contenitori per il compostaggio a caldo. Il vantaggio della vulcanizzazione è che i prodotti in gomma possono essere facilmente rinnovati o riutilizzati perché sono molto durevoli. I vecchi pneumatici in gomma possono essere ricostruiti o riutilizzati come asfalto, pacciamatura paesaggistica, riempimento di erba o tappetini per bestiame. Può anche essere aggiunto ai composti.

Conclusione

La vulcanizzazione crea prodotti in gomma più forti, più resistenti e più durevoli in modo economicamente vantaggioso. Grazie a inventori come Hancock e Goodyear, la gomma vulcanizzata è diventata un prodotto conveniente e accessibile che può essere utilizzato e riutilizzato anno dopo anno.

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