La vulcanizzazione (o pulizia ) è un processo chimico di incorporazione di un agente vulcanizzante ( zolfo , di solito) un elastomero grezzo per formare, dopo la cottura , ponti tra le catene molecolari . Questa operazione in particolare rende il materiale meno plastico ma più elastico . Il suo nome deriva dal dio romano Vulcano .
La vulcanizzazione è un caso speciale di reticolazione . Dopo la polimerizzazione , in presenza di un sistema di vulcanizzazione e di energia termica, le macromolecole lineari dell'elastomero reattivo formano una rete tridimensionale senza direzione preferita. Sotto uno stress appropriato, questa rete si deforma. Ritorna allo stato iniziale (elasticità) quando lo stress viene rimosso, grazie alla presenza di ponti (si forma pochissimo) che possono essere paragonati a “molle”.
Una gomma grezza (grezza, termoplastica , non vulcanizzata) si insinua nel tempo. Se ne ricaviamo una biglia e la poniamo su una superficie piana, scorrerà (questa esperienza dura diverse ore). Quindi, a prima vista, la gomma può apparire elastica e inoltre la palla precedentemente formata rimbalza molto bene. Le forze di van der Waals forniscono una coesione sufficiente per consentire una certa elasticità.
La rappresentazione più visiva per spiegare questo fenomeno è il piatto di spaghetti . Una catena molecolare può essere paragonata a uno spaghetto. Se hai un piatto di spaghetti, non puoi afferrarne uno solo, le forze di van der Waals (forze di tipo elettrostatico ), che si trovano all'interno del polimero , ne assicurano la coesione. Tuttavia, se ti prendi il tempo per tirare delicatamente uno spaghetti, puoi estrarlo.
Per ridurre il fenomeno di creep, aumentare la coesione e le proprietà meccaniche, è possibile introdurre zolfo, associato ad attivatori e acceleratori. Questo sistema viene miscelato con la gomma e la polimerizzazione fornisce l'energia necessaria per la creazione di legami chimici tra lo zolfo e i siti reattivi delle catene molecolari. Ciò consente il collegamento e quindi una coesione durevole della gomma. Il meccanismo di vulcanizzazione con lo zolfo è complesso. Il dosaggio dello zolfo è fondamentale: troppo zolfo e la gomma non sarà più elastica (troppe catene polimeriche saranno legate tra loro, il che dà il limite dell'ebanite ), non abbastanza zolfo e la coesione sarà insufficiente. L'introduzione di zolfo in eccesso alla fine riduce l'effetto delle forze di van der Waals.
È il cuore dell'arte e della scienza della produzione di pneumatici , ma anche della realizzazione della maggior parte dei bocchini per clarinetto e sassofono con taglio in ebanite.
In Mesoamerica , la gomma è stata utilizzata per circa tre millenni. Già nel Olmec civiltà , vari succhi e succhi di piante rampicanti sono stati mescolati con questo elastomero, in particolare bianco Ipomea , che contiene un alto livello di zolfo, al fine di modificare la propria struttura molecolare in modo analogo a vulcanizzazione.
Identificare l'inventore del processo di vulcanizzazione non è facile. L'americano Charles Goodyear è generalmente accreditato come il primo a scoprire il concetto di base nel 1839 da Serendipity . Racconta la storia della sua scoperta nella sua autobiografia Gum Elastica .
Charles Goodyear non ha mai compreso appieno il processo. Dall'altra parte dell'Atlantico , Thomas Hancock , uno scienziato e ingegnere britannico che si è ispirato ai primi campioni di Charles Goodyear, ha capito meglio il processo.
Thomas Hancock è stato il primo a depositare un brevetto sulla vulcanizzazione della gomma21 maggio 1844. Tre settimane dopo, Charles Goodyear deposita un brevetto negli Stati Uniti.
Nel 1850, l'americano Hiram Hutchinson acquistò da Charles Goodyear il brevetto sui miglioramenti apportati alla produzione di stivali, scarpe e scarpe in lattice . Ha iniziato a produrre a Châlette-sur-Loing . The European Soft Rubber Company produce calzature e abbigliamento impermeabili su larga scala. Il marchio À l'Aigle è stato registrato nel 1853.
Il primo marchio ad utilizzare questa tecnica nell'abbigliamento fu Puma, che dal 1960 in poi la utilizzò nello sviluppo di scarpe sportive.
L'elastomero è il componente principale di una miscela che può comprendere da dieci a venti ingredienti (un sistema di vulcanizzazione dello zolfo da solo può comprendere una decina di ingredienti). Alcuni sono essenziali per formare ponti (zolfo, perossido organico, ecc. ), Altri consentono di accelerare il processo (evitare che gli acceleratori generino nitrosammine ). Altri proteggono ( antiossidanti , ritardanti di fiamma , ecc. ), Ammorbidiscono ( oli , grassi , acidi grassi , ecc. ), Si gonfiano, colorano ( ossido di zinco , litopone , ecc. ) O addirittura profumano . Gli ingredienti vengono miscelati mediante processo a secco , cioè senza alcun solvente , mediante macinazione meccanica, che genera il riscaldamento degli ingredienti favorendo l'adsorbimento dei prodotti tra di loro. Questo riscaldamento è dannoso per la miscela, poiché non deve vulcanizzare fino a quando il prodotto non è stato modellato ; pertanto le macchine utilizzate (mescolatori interni tipo “Banbury”, o “Z-blade”) sono dotate di un dispositivo di raffreddamento, e il controllo della temperatura della miscela durante la miscelazione è una caratteristica fondamentale di questo processo.
La miscelazione è generalmente un processo discontinuo (miscelatore vuoto; caricamento degli ingredienti; miscelazione; svuotamento del miscelatore; successiva miscelazione) sebbene siano stati sviluppati processi continui dagli anni '90, in particolare per polimeri termoplastici (vulcanizzabili e non).
La miscelazione a umido (con solventi non clorurati) è specifica per la produzione di soluzioni, vale a dire colle a base di gomma (colla neoprene per esempio).
Le spese come il carbonato di calcio o la barite ne migliorano l'aspetto. Il nerofumo aumenta la resistenza all'abrasione .
La vulcanizzazione in un bagno di sale è un comune processo di vulcanizzazione continua. La barra estrusa passa attraverso una linea di vulcanizzazione ad alta temperatura ad una velocità ben determinata.
La vulcanizzazione del neoprene (policloroprene, acronimo CR) viene effettuata utilizzando ossidi metallici (generalmente con un sistema a base di ZnO e MgO ; a volte con PbO ) piuttosto che composti di zolfo che sono comunemente usati con gomme naturali e gomme sintetiche insature. Inoltre, la scelta di un acceleratore di vulcanizzazione policloroprene è governato da regole diverse da quelle degli altri diene gomme . Viene generalmente scelta l' etilene tiourea ( ETU), un acceleratore efficiente e collaudato per il policloroprene, ma classificato come tossico per la riproduzione. L'industria europea della gomma ha quindi lanciato un progetto di ricerca SafeRubber per sviluppare un'alternativa più sicura all'uso dell'ETU.
Vulcanizzazione dello zolfo: formazione di ponti di solfuro (in blu) tra le catene di un elastomero insaturo (in nero).
Vulcanizzazione del perossido: formazione di ponti CC tra le catene di un elastomero.
Vulcanizzazione con ossidi metallici: ponti eterei formati tra le catene di un elastomero alogenato .
Non si sa come riciclare la gomma vulcanizzata. La vulcanizzazione è una reazione quasi irreversibile, vale a dire che la rete tridimensionale creata ad esempio dallo zolfo non può essere "smantellata" facilmente per azione chimica o termica per rimodellare una parte in gomma e darle un'altra forma. Ciò significa che una volta vulcanizzato, un articolo in gomma è o conforme e quindi utilizzabile, oppure non conforme e in questo caso l'articolo viene scartato.
Infatti è possibile riutilizzare il materiale grazie al circuito specifico delle aziende di riciclaggio in cui i prodotti vulcanizzati subiscono sia un trattamento chimico molto aggressivo che termico (ad alta temperatura), durante il quale la rete tridimensionale viene smontata (reversione o depolimerizzazione).
Il rifiuto risultante denominato gomma rigenerata (in inglese : bonifica ), presenta caratteristiche fisiche meno efficienti rispetto al prodotto originario, in particolare a causa del trattamento subito; ma il suo riutilizzo a tassi variabili (da meno del 10% a più del 50%) è possibile per alcuni prodotti, generando risparmi significativi; ma soprattutto permettere un "riciclo" di un materiale molto particolare disponibile in grandissime quantità su tutto il pianeta per le sue molteplici applicazioni.
La chimica dei polimeri è molto varia; anche la chimica della loro vulcanizzazione (ad esempio, lo zolfo utilizzato per vulcanizzare moltissime gomme e il nerofumo sono incompatibili con le gomme siliconiche , impedendone la vulcanizzazione).
Il processo di vulcanizzazione industriale può essere fonte di fastidiosi odori e talvolta inquinamento atmosferico .
La procedura inversa è chiamata devulcanizzazione ; è ad esempio possibile “ devulcanizzare ” la gomma sintetica dei pneumatici mediante ossidazione controllata o mediante microonde in determinate condizioni, oppure - più lentamente e in superficie - con un metodo biotecnologico che sfrutta le proprietà di alcuni batteri ( Archaea ); tuttavia, questa operazione può rilasciare molti composti tossici e additivi che sono stati incorporati nel materiale del pneumatico durante la sua fabbricazione.