Vulcanización

La vulcanización (en inglés británico: vulcanisation ) es un conjunto de procesos para endurecer cauchos . ^{[ 1 ]} El término se refería originalmente de forma exclusiva al tratamiento del caucho natural con azufre y calor, que sigue siendo la práctica más común. También se ha extendido para incluir el endurecimiento de otros cauchos (sintéticos) mediante diversos métodos. Algunos ejemplos son el caucho de silicona mediante vulcanización a temperatura ambiente y el caucho de cloropreno (neopreno) mediante óxidos metálicos.

La vulcanización se define como el curado de elastómeros , utilizándose a veces indistintamente los términos «vulcanización» y «curado». Funciona mediante la formación de enlaces cruzados entre secciones de la cadena polimérica, lo que resulta en una mayor rigidez y durabilidad, así como en 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) basándose en el 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, gomas elásticas y recipientes impermeables. ^{[ 4 ]} Se curaba utilizando jugos vegetales ricos en azufre, una forma primitiva de vulcanización. ^{[ 5 ]}

En la década de 1830, Charles Goodyear trabajó en el desarrollo de un proceso para fortalecer los neumáticos de caucho. Los neumáticos de la época se ablandaban y se volvían pegajosos con el calor, acumulando residuos de la carretera. Goodyear intentó calentar el caucho para mezclarlo con otros productos químicos. Esto parecía endurecer y mejorar el caucho, aunque esto se debía al calentamiento en sí y no a los productos químicos utilizados. Sin darse cuenta de esto, se topó repetidamente con contratiempos cuando sus fórmulas de endurecimiento anunciadas no funcionaban de manera consistente. Un día de 1839, mientras intentaba mezclar caucho con azufre , Goodyear dejó caer accidentalmente la mezcla en una sartén caliente. Para su asombro, en lugar de derretirse o vaporizarse , el caucho permaneció firme y, al aumentar el calor, se endureció aún más. Goodyear desarrolló un sistema consistente para este endurecimiento y, en 1844, patentó el proceso y comenzó a producir el caucho a escala industrial. ^{[ 6 ]}

El 21 de noviembre de 1843, el inventor británico Thomas Hancock patentó la vulcanización del caucho con azufre, ocho semanas antes de que Charles Goodyear hiciera lo mismo en Estados Unidos (30 de enero de 1844). Existen discrepancias sobre si la patente de Hancock se basó en el análisis de muestras de caucho estadounidense de Goodyear y si dicho análisis habría proporcionado información suficiente para recrear el proceso de Goodyear. ^{[ 7 ]}

Los materiales vulcanizados tienen múltiples usos, entre los que se incluyen mangueras de caucho, suelas de zapatos, juguetes, gomas de borrar, discos de hockey, amortiguadores, cintas transportadoras, ^{[ 8 ]} soportes/amortiguadores de vibración, materiales aislantes, neumáticos y bolas de bolos. ^{[ 9 ]} La mayoría de los productos de caucho se vulcanizan, ya que esto mejora notablemente su vida útil, funcionalidad 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:

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

Los métodos de vulcanización más comunes dependen del azufre. El azufre, por sí solo, es un agente vulcanizante lento y no vulcaniza las poliolefinas sintéticas . La vulcanización acelerada se lleva a cabo utilizando diversos compuestos que modifican la cinética de la reticulación; ^{[ 10 ]} esta mezcla se suele denominar 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 al sustrato y a la aplicación. Los sitios reactivos —sitios de curado— son átomos de hidrógeno alílico . Estos enlaces CH son adyacentes a enlaces dobles carbono-carbono (>C=C<). Durante la vulcanización, algunos de estos enlaces CH se sustituyen por cadenas de átomos de azufre que se unen a un sitio de curado de otra cadena polimérica. Estos puentes contienen entre uno y varios átomos. El número de átomos de azufre en la reticulación influye notablemente en las propiedades físicas del artículo de caucho final. Los enlaces cruzados cortos proporcionan al caucho una mayor resistencia al calor. Los enlaces cruzados con un mayor número de átomos de azufre le confieren buenas propiedades dinámicas, pero menor resistencia al calor. Las propiedades dinámicas son importantes para los movimientos de flexión del artículo de caucho, por ejemplo, el movimiento del flanco de un neumático en marcha. Sin buenas propiedades de flexión, estos movimientos provocan rápidamente grietas y, en última instancia, la rotura del artículo de caucho.

La vulcanización del caucho de neopreno o policloropreno (caucho CR) se lleva a cabo utilizando óxidos metálicos (específicamente MgO y ZnO , a veces Pb₃O₄ ) en lugar de compuestos de azufre, que se utilizan actualmente con muchos cauchos naturales y _sintéticos . Además, debido a diversos factores de procesamiento (principalmente la quemadura, 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 de dieno . La mayoría de los aceleradores de uso convencional son problemáticos cuando se vulcanizan cauchos CR, y se ha descubierto que el acelerador más importante es la etilenotiourea (ETU), que, si bien es un acelerador excelente y probado para el policloropreno, se ha 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. ^{[ 11 ]}

La silicona vulcanizable a temperatura ambiente (RTV) está compuesta de polímeros reactivos a base de aceite combinados con cargas minerales reforzadoras. Existen dos tipos de silicona vulcanizable a temperatura ambiente:

1. RTV-1 (sistemas monocomponentes); se endurece debido a la acción de la humedad atmosférica, un catalizador y acetoxisilano. El acetoxisilano, al exponerse a condiciones húmedas, forma ácido acético . ^{[ 12 ]} El proceso de curado comienza en la superficie exterior y avanza hacia el interior. El producto se envasa en cartuchos herméticos y se presenta en forma líquida o en pasta. La silicona RTV-1 posee buenas características de adhesión, elasticidad y durabilidad. La dureza Shore puede variar entre 18 y 60. La elongación a la rotura puede oscilar entre el 150 % y el 700 %. Presenta una excelente resistencia al envejecimiento debido a su superior resistencia 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 formando un elastómero sólido, un gel o una espuma flexible. El RTV-2 mantiene su flexibilidad entre -80 y 250 °C (-112 y 482 °F) . Su degradación se produce a temperaturas superiores a 350 °C (662 °F) , dejando un depósito de sílice inerte , no inflamable ni combustible. Gracias a sus propiedades dieléctricas , puede utilizarse como aislante eléctrico . Sus propiedades mecánicas son satisfactorias. El RTV-2 se emplea en la fabricación de moldes flexibles, así como en numerosas piezas técnicas para aplicaciones industriales y paramédicas.    

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