Un elastomero è un polimero che presenta proprietà “ elastiche ”, ottenuto dopo reticolazione . Supporta deformazioni molto grandi prima della rottura . Il termine gomma è un sinonimo comune di elastomero.
I materiali elastomerici come i pneumatici sono spesso a base di gomma naturale (acronimo NR) e gomma sintetica (tagliata).
La gomma naturale è stata l'unico elastomero conosciuto per molto tempo.
Nel 1860 , il chimico inglese Charles Hanson Greville Williams ha dimostrato che questo materiale era un poli isoprenoidi .
Viene depositato il primo brevetto sulla produzione di gomma sintetica 12 settembre 1909dal chimico tedesco Fritz Hofmann .
A rigor di termini, gli elastomeri non fanno parte della plastica .
La maggior parte degli elastomeri sono polimeri organici . Sono ottimi combustibili. Gli elastomeri siliconici si distinguono per la loro natura minerale.
Un elastomero è un materiale amorfo con una bassa temperatura di transizione vetrosa (T v ) (spesso inferiore a −40 ° C ).
L'elastomero subisce solo deformazioni elastiche , mentre il plastomero , sotto l'azione di sollecitazioni, può subire deformazioni elastiche accompagnate da deformazioni plastiche (permanenti). I plastomeri sono una classe di polimeri lineari derivati dall'etilene, sviluppati all'inizio degli anni '90.
Per comprendere le loro notevoli proprietà elastiche , è importante notare che gli elastomeri sono ottenuti da polimeri lineari che, a temperatura ambiente (molto superiore alla loro T v , cfr. Sopra), sono liquidi (molto viscosi ); le forze di coesione tra le catene polimeriche sono molto deboli, dello stesso ordine di grandezza di quelle esistenti nei liquidi molecolari volatili e nei gas .
Le catene macromolecolari sono normalmente piegate ; questo stato è conseguenza della grande libertà di rotazione delle "maglie" della catena ( maglie ) l'una rispetto all'altra e di movimenti disordinati di agitazione termica ( movimenti browniani ) che le condizionano permanentemente; una catena può così assumere diverse conformazioni che si susseguono in modo casuale ; lo stato piegato di una catena può essere descritto solo statisticamente .
Per limitare lo scorrimento delle catene del polimero liquido l'una rispetto all'altra, una leggera reticolazione crea nodi di ancoraggio conferendo al materiale una struttura tridimensionale . Allo stesso modo di prima, i segmenti di catena tra due nodi sono normalmente piegati (diagramma A a lato). Se si esercita una trazione sulla struttura, i segmenti si dispiegano e la distanza tra due nodi aumenta notevolmente (diagramma B ); il materiale è molto deformabile .
Quando la tensione di trazione viene rimossa, il materiale non rimane nel suo stato stirato, ma, sotto l'azione quasi esclusiva dei movimenti browniani delle maglie, i segmenti di catena tornano al loro stato piegato iniziale (che statisticamente rappresenta il loro stato più probabile) ( diagramma A ). Questa reversibilità della deformazione caratterizza una deformazione elastica .
Elasticità entropica - La sollecitazione tende ad ordinare i segmenti di catena del materiale, questa modifica è accompagnata da una diminuzione dell'entropia del sistema; la rimozione dello stress riporta il materiale al suo stato iniziale di disordine (lo stato più probabile corrispondente alla massima entropia del sistema). Gli elastomeri, per i quali lo stato di equilibrio corrisponde alla loro massima entropia, sono solidi con elasticità entropica ; la loro capacità di deformazione elastica è elevata. Si differenziano in questo dai solidi con elasticità entalpica (metalli, ceramiche cristalline, vetri minerali od organici, polimeri termoindurenti altamente reticolati, ecc. ) Per i quali lo stato di equilibrio corrisponde alla loro entalpia minima; la loro capacità di deformazione elastica è molto limitata.
Gli elastomeri sono generalmente termoindurenti , costituiti da lunghe catene polimeriche debolmente reticolate. Sono realizzati realizzando ponti (corti o lunghi) tra catene molecolari, utilizzando un sistema di reticolazione spesso complesso, sotto l'azione della temperatura ed eventualmente della pressione.
A differenza di un polimero termoplastico , i profili elastomerici (a bassa reticolazione) non fluiscono dopo l' estrusione .
Per quanto riguarda la trasformazione degli elastomeri, l'estrusione rappresenta il 10% in volume, contro il 90% dello stampaggio .
Alcuni elastomeri sono termoplastici [" elastomero termoplastico " (TPE) come il copolimero stirene-butadiene (SBS)], i loro usi di implementazione sono solitamente riservati alle tecniche dei polimeri termoplastici.
La maggior parte ha un carattere amorfo; gli elastomeri NR, CR e F KM (fluoroelastomero) si distinguono per il loro carattere policristallino .
Sono spesso utilizzati a una temperatura superiore alla loro temperatura di transizione vetrosa, sul plateau gommoso.
La loro densità varia da 0,86 ( EPDM ) a 1,8 [FVMQ (elastomero fluorosiliconico), FKM].
La scala di misurazione Shore A misura la loro durezza (da 30 a 95). Esiste un altro strumento per misurare la durezza, il durometro DIDC (durezza internazionale della gomma, preferita rispetto a Shore A ).
Gli elastomeri grezzi non sono materiali pronti per l'uso, devono essere formulati in particolare per soddisfare i requisiti di un'applicazione definita. Contengono dal 20 al 40% circa di polimeri, il resto è composto da cariche , plastificanti , un agente vulcanizzante, come lo zolfo o un perossido organico, per formare i ponti, acceleratori di vulcanizzazione, vari additivi (ad esempio per facilitare la lavorazione , per la protezione da ossigeno , ozono , calore, fiamme , raggi UV ) e spesso nerofumo ; questo nanocostituente è multifunzionale: utilizzato in particolare come pigmento, riempitivo per rinforzare le proprietà meccaniche degli elastomeri, stabilizzante e conduttore elettrico.
Gli elastomeri saturi non sono vulcanizzabili con lo zolfo. Praticamente tutti gli elastomeri possono essere vulcanizzati con perossido organico.
Ciò che rende speciali gli elastomeri è la loro capacità di collisioni elastiche , come il rimbalzo e lo stiramento elastico , che consente loro di tornare alla loro forma originale dopo che lo stress è cessato. Questa particolare caratteristica è acquisita dalla presenza di intrecci e nodi di rete (questi collegamenti sono rispettivamente occasionali e permanenti; i ponti fungono da “molle”).
Un elastomero resiste a deformazioni molto grandi (fino a circa il 1000%) prima della rottura, quasi completamente reversibile . Al contrario, un polimero rigido che si deformasse al 100% manterrebbe una deformazione significativa: è qualificato come “elastoplastico”.
Questa distinzione tra elastomeri e altri polimeri corrisponde al comportamento osservato a temperatura ambiente. Infatti, il comportamento dei polimeri dipende dalla temperatura, dalla velocità di sollecitazione e dalla deformazione.
Tra le altre applicazioni rientrano i guanti medicali (tradizionalmente in lattice ), le cinghie , i tubi flessibili , i nastri trasportatori , i tubi sprinkler .
Un elastomero è costituito da lunghe catene molecolari raccolte, a riposo, in "palline". Queste catene sono tipicamente collegate tra loro da grovigli, nodi di reticolazione o legami polari con cariche minerali; formano una rete.
Le proprietà meccaniche degli elastomeri dipendono principalmente dalla densità del ponte (numero di ponti per unità di volume) e dal tipo di ponte ( natura e lunghezza ). Maggiore è la densità del ponte (rete densa), più rigido è l'elastomero. Anche il sistema di reticolazione (tipo e velocità) è uno dei parametri importanti. La gomma dura , materiale duro e fragile scoperto da Charles Goodyear , è un caso estremo di gomma vulcanizzata.
Gli elastomeri insaturi e non polari (buona resistività ) per uso generale includono:
Il loro limite di temperatura di uso continuo è inferiore a 80 ° C . Mostrano una bassa resistenza all'olio e all'ozono (questo gas attacca solo sotto stress meccanico e in superficie).
La proporzione in massa di NR più SBR in uno pneumatico è di circa l'80%.
NR, SBR, BR e IR rappresentano rispettivamente il 40, 37, 10 e 3% della produzione totale di elastomeri.
Il consumo globale di gomma nel 2010 è stato stimato a 24,3 milioni di tonnellate.
Elastomeri NR e IRIl lattice di gomma naturale contiene bassi livelli di proteine e vitamine .
Tra i diversi gradi di gomma naturale disponibili, quelli di qualità superiore, di colore chiaro (basso contenuto di impurità), offrono la migliore resistenza all'invecchiamento termico. Sono riservati alle piccole parti tecniche perché sono le più costose (7 € / kg nel 2007).
Gli elastomeri NR e IR hanno proprietà di smorzamento ed elevata elasticità ( allungamento massimo a rottura (A / R) del 750%). La massima resistenza alla trazione (R / R) è di 30 M Pa . La loro "adesività" e la resistenza allo strappo (R / d) sono eccellenti.
Possono essere utilizzati continuamente da -50 a 65 ° C . Questi elastomeri sono quelli che invecchiano meno bene; riscaldati sopra i 65 ° C , iniziano a invecchiare e diventano appiccicosi.
Il loro limite di temperatura di uso continuo è inferiore a 150 ° C .
Mostrano un'elevata resistenza al calore e / o una (o più) proprietà specifiche.
Per quanto riguarda la loro struttura, la maggior parte non ha un doppio legame carbonio-carbonio (quindi nessun atomo di idrogeno labile in posizione allilica ) e quindi non può essere vulcanizzata con zolfo.
Rappresentano un piccolo volume (5% degli elastomeri) e sono i più costosi (prezzo> 3 € / kg ).