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Ciencia y Tecnología de los hules (Cauchos)
J. Eduardo Morales MéndezCoordinador de la especialidad de Plásticos
Cetis No 6
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La Industria de los Hules en México
La Industria del hulesuministra una gran variedadde productos que sirvencomo insumos y productosde uso a numerosasindustrias. Los consumidoresmás importantes incluyen lasindustrias de llantas,ensamble de automóviles,plásticos, almacenaje,calzado, muebles, productosfarmacéuticos y en generaltodo tipo de equipo ymaquinaria (bandas,cámaras, empaques, etc.).
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La cadena productiva
consta de dos etapas
y son:
El sector productor
de hules (naturales y
sintéticos)
El sector
transformador de
hules
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Productores de hule
Esta industria
consta de dos
sectores
importantes:
los productores de
hule naturales, y
productores de
hules sintéticos.
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Transformadores de hule.
Esta industria
actualmente está
dividida en diferentes
grupos, para nuestro
estudio la dividiremos
en tres sectores
llantas y cámaras
vulcanización de
llantas y cámaras
productos de hule en
general
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Situación actual
En México la producción dehule natural es escasa(7,000 ton/año), y abastecesolo el 10% del consumototal nacional
El cultivo de hule natural esde importancia estratégicapara México, porque suexpansión permitirá abatirla salida de divisas por másde 100 millones de dólaresanuales, ya que importa 70,000 toneladas por año querepresentan el 90 % de lasnecesidades actuales delpaís.
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La producción de
hule SBR en el país
es de 241,048
ton/año (datos del
2002), el productor
es Industrias
Negromex, S.A
(del grupo GIRSA)
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La industria estarepresentada poralrededor de 1738empresas de las cualesel 70% se encuentranen cuatro EntidadesFederativas:Guanajuato (31.1%),DistritoFederal(15.4%),Jalisco(14.4%) y Edo.de México (12.5%)
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PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS DE LOS ELASTÓMEROS
En 1920, HermannStuadinger supuso laexistencia de moléculasgigantes cuyasdimensiones podíanaproximarse a 10, 000 Aº ysu existencia fuedemostradaexperimentalmente tantopor el como por otrosinvestigadores (premionovel de química 1953 poreste descubrimiento).
A estas macromoléculasse les conoce comopolímeros.
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Existen polímeros naturales degran significación comercialcomo el algodón, formado porfibras de celulosas. Lacelulosa se encuentra en lamadera y en los tallos demuchas plantas, y se empleanpara hacer telas y papel. Laseda es otro polímero naturalmuy apreciado y es unapoliamida semejante al nylon.La lana, proteína del pelo delas ovejas, es otro ejemplo. Elhule de los árboles de hevea yde los arbustos de Guayule,son también polímerosnaturales importantes
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Lo que distingue a lospolímeros de los materialesconstituidos por moléculasde tamaño normal son suspropiedades mecánicas. Engeneral, los polímerostienen una excelenteresistencia mecánicadebido a que las grandescadenas poliméricas seatraen. Las fuerzas deatracción intermolecularesdependen de lacomposición química delpolímero y pueden ser devarias clases.
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Un elastómero es unpolímero, natural osintético, que poseepropiedades elásticas. Esdecir, es un polímero quepuede deformarse alaplicarle una fuerza, y querecobraráaproximadamente susdimensiones originales alretirar dicha fuerza. Existenentre 25 y 30clasificaciones químicas deelastómeros; seis de estasrepresentan el 90% detodos los elastómerosempleados.
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La elasticidad es laprincipal propiedad deestos polímeros. Laelasticidad típica del hule(vulcanizado) puede sercaracterizada en generalpor las propiedadessiguientes
modulo de rigidez inicialbajo
elevado alargamiento arotura bajo cizallamiento otracción y elevadaresistencia a tracción
recuperación rápida ycompleta desdedeformaciones grandes,incluso si se producendurante períodosprolongados, y
amplio intervalo detemperatura en el que semantienen estaspropiedades
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Existen elastómeros formadospor un solo monómero comoes el caso del hule natural
( monómero- isopreno) ocopolímeros de dos o másmonómeros como hulessintéticos donde el hules deEstireno-Butadieno
( monómeros- estireno ybutadieno) son los másimportantes, por su volumende consumo a nivel mundial.
Todos los elastómeros paraser considerados como tales,deben contener en suestructura molecular doblesenlaces y presentar elfenómeno de visco-elasticidad
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En el proceso de la vulcanización de un elastómero, pasa desu forma termoplástica débil sin propiedades mecánicasútiles, en un hule fuerte, elástico y tenaz (ver tabla 1). Laresistencia a la tracción, rigidez e histéresis (representa unapérdida de energía como calor) del hule natural antes ydespués de la vulcanización ( ver Fig. 1).
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El hule sin vulcanizarexperimenta una grancantidad deacondicionamientosmecánicos cuando seexpone por primeravez a tensiones detracción. Al ir teniendolugar ciclos sucesivos,las variaciones enresistencia al estirado,resistencia a la tracciónse hacen menores.
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El comportamiento tensión-deformación de los vulcanizadosde hule puro (sin reforzante) de losdistintos elastómeros dependemarcadamente de la estructuramolecular, polaridad y cristalinidadde los polímeros.
EL hule nitrilo y el SBR, que soncopolímeros de estructuracompleja e irregulares, nocristalizan en absoluto, pero el hulenatural y el hule butilo cristalizan alser estirados a temperaturaambiente.
En estos elastómeros los cristalitosposeen un efecto de rigidez similaral de un relleno reforzante con elresultado de que sus curvastensión-deformación se curvanhacia arriba marcadamente aalargamientos altos.
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un elastómero posee unalto grado de elasticidadque le es característico: susmoléculas se alineancuando se estira elmaterial. La gran diferenciacon un plástico es esta:cuando se elimina la fuerzade estiramiento lasmoléculas de unelastómero no permanecenextendidas y alineadas;vuelven a susconformacionesdesordenadas originalesfavorecidas por la entropía.
(Foto.Wallace Hume Carothers, ayudó a crear
el Neopreno en Du Pont)
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De los elastómerossintéticos el más importantees el SBR un copolimerodel butadieno (75%) yestireno (25%) que seproduce por medio deradicales libres; compitecon el caucho en el usomayor de los elastómeros,o sea, la manufactura deneumáticos paraautomóviles. Puedeobtenerse polibutadieno ypoliisopreno totalmente cispor medio de lapolimerizacion Ziegler-Natta
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Un elastómero completo omayormente polidienico es,por supuesto, altamente nosaturado. Sin embargo, loúnico que se exige de unelastómero es unainstauración suficiente parapermitir la formación deenlaces cruzados: porejemplo, en la manufacturadel caucho butilico solo secopolimeriza un 5% deisopreno con isobutileno
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El polímero puedesolidificarse formandoun material amorfo ouno cristalino. Lospolímeros con fuertesirregularidades en suestructura tienden aformar sólidos amorfosy los polímeros concadenas muysimétricas tienden acristalizar, por lo menosparcialmente
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En los polímeros las cadenasson tan largas que fácilmentese enmarañan y, además, en elestado fundido se mueven enun medio muy viscoso, así queno puede esperarse en ellos unorden tan perfecto, algunospolímeros exhibenordenamiento parcial enregiones llamadas cristalitos.
Una sola macromolécula nocabría en uno de esoscristalitos, así que se doblasobre ella misma y ademáspuede extenderse a través devarios cristalitos como seilustra en la figura
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Un polímero parcialmentecristalino, generalmente tienemayor resistencia mecánicaque el mismo material conestructura amorfa. La mayorresistencia o mayor módulo sedebe al gran número yespaciamiento regular de losenlaces intermoleculares en lasestructuras cristalinas. En lospolímeros amorfos, el númerode esas interacciones es menory su espaciamiento es errático,así que al aplicarles esfuerzos,muchas secciones del polímerose extienden o deformanlibremente.
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Al ir enfriando al caucho, laviscosidad aumenta y alllegar a Tg, se convierte enun sólido duro, rígido yfrágil. Lo que sucede esque, conforme disminuye latemperatura, el polímero secontrae porque las cadenasse mueven menos y seatraen más.
Evidentemente, el estadovítreo lo alcanzan diferentespolímeros a diferentestemperaturas
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Los que sean más flexibles,con menos grupos voluminososo con heteroátomos en suscadenas, podrán girar ypermanecer flexibles atemperaturas menores que losotros. Por ejemplo, lossilicones, el polietileno y elhule natural, tienentemperaturas de transiciónvítrea de – 123º C, - 120º C, -73º C, respectivamente. Encambio, polímeros con gruposgrandes o grupos muy polareso polarizables, tienen de por sítan baja movilidad molecularque son vítreos a latemperatura ambiente y parareblandecerlos se requierenaltas temperaturas.
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La influencia de la regularidad molecular, parte de que, lasimple presencia de grupos con fuerte atracciónintermolecular no basta para producir una tendenciapronunciada a cristalizar y eventualmente a formar dominiosordenados lateralmente, con puntos de fusión elevados yfuerte resistencia a la disolución
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Hule o Caucho Natural
Hule natural (NR): la fuentecomercial más importante delhule natural es el árbolconocido como HeveaBrasiliensis; aunque existenotras variedades de árboles delas cuales se puede obtener notienen potencial comercial delanterior. El polímero que daorigen al hule natural es elpoliisopreno.
La estructura del hule naturales cis 1, 4, alrededor de ladoble ligadura. Su adicióncabeza-cola.
La cadena molecular esfiliforme
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Elasticidad del Hule Natural
Cuando una fuerza se aplica laagitación termal de los átomosse detiene.
Cuando se retira la fuerza elefecto de entropía explica elrecobrado elástico inmediatodel hule natural.
La condición de que existasuficiente libertad demovimiento molecular parapermitir que las distorsiones serealicen rápidamente, imponedos requisitos adicionales a laspropiedades: primero, elpolímero a su temperatura deuso debe estar por encima deTg; y, segundo, debe seramorfo por lo menos en elestado no distorsionado.
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Hules sintéticos
Debe hacerse notar que el término “hule sintético” no implicaun hule sintético verdadero en el sentido químico de lapalabra. El uso indebido de la palabra “sintético” se justificaen cuanto a que la propiedad más importante ( y de hechoesencial) del hule no es de tipo químico sino físico, o sea sucapacidad de poderse alargar varias veces con respecto a sulongitud original y de contraerse con violencia, después deeliminar la fuerza de alargamiento hasta retornar a sulongitud original.
Linus Pauling ha establecido que una molécula de alcanforpodría oler del mismo modo que el del hule, cualquiera quefuera su composición.
Cualquier sustancia, ya sea orgánica o inorgánica, quepresente este tipo de elasticidad se denomina “hule”, ycuando se produce químicamente se llama “hule sintético”.
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Hule SBR
Hule Estireno-Butadieno (SBR):Este elastómero se obtiene comoproducto de la copolimerización alazar, del estireno y el butadieno,tanto por el proceso de solucióncomo el de emulsión. Losalemanes fueron los primeros enobtener este producto con elnombre de Buna – S en 1930 y fuedesarrollado como sustituto baratodel hule natural.
La copolimerización siempreproduce estructuras desordenadasó al azar por lo que no cristaliza.Por esto, el SBR tiene del 10 al 15% de fuerza tensíl que el hulenatural o cualquier homopolímero.
Por lo que es necesario usarreforzantes ya que estos ordenanla estructura molecular y cristalizacuando es extendido.
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Hule SBR
El SBR es un hule sintético de uso general con que los alemanes y americanosintentaron remplazar el hule natural. Esto demostró no ser posible, y seencontró necesario emplear el hule natural hasta cierto punto.
EL SBR puede emplearse mezclado con hule natural. Las operaciones del proceso son más difíciles y lentas con el SBR, es
conveniente usar algún agente peptizante. Para las superficies de rodamiento de los neumáticos, la mejor resistencia a
la abrasión se obtiene con los negros de humo HAF. El poder de adhesión del SBR es bajo, pero cuando se mezcla con pequeñas
porciones de hule natural, dicho poder es lo suficientemente adecuado paralos propósitos prácticos.
EL azufre es menos soluble en el SBR que en el hule natural, por lo que dichoazufre debe dividirse finamente e incorporarse de modo uniforme.
Es un hecho sorprendente que, aun cuando la vulcanización es más lenta quecon el hule natural, se requiere menos azufre. Los mismos aceleradores yactivadores que se usan para el hule natural pueden emplearse con el SBR.
Los vulcanizados de SBR no son tan resistentes al desgaste por los agentesatmosféricos como lo son los hules naturales.
Los vulcanizados SBR con los ingredientes adecuados son en realidad mejoresque los hules naturales.
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Hule butadieno-acrilonitrilo
Hule Nitrilo (NBR): Este hule seobtiene por la copolimerización alazar, en emulsión del acrilonitrilo(9 – 50 %) y el butadieno, por esola designación NBR.
En 1935 fue fabricado ycomercializado porFARBENINDUSTRIE en Alemaniacon el nombre de PERBUNAN.
La mayoría de las estructuras delas unidades del butadieno sereportan en la adición trans 1,4.
Su peso molecular predominantees 300, 000.
Como su copolimerización es alazar, esta produce estructurasdesordenadas, por lo que nocristaliza.
Será necesario usar reforzantes, yaque estos ordenan la estructuracuando es extendido y cristaliza.
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Estos hules tuvieron tanto éxito que se han producido y ofrecido conuna gran variedad de nombres registrados.
Aunque estos hules pueden trabajarse en las máquinas de huleordinarias, por lo general, las operaciones son más lentas, ya queson menos termoplásticos que el hule natural.
Puesto que estos hules son resistentes a los aceites, es esencial eluso de ablandadores especiales, tales como los plastificantes se éstero los nitrilos superiores de aplicación convencional.
Debido a su bajo grado de insaturación se requiere menos azufre odonantes de azufre en comparación con el hule natural.
Se ha pretendido que los vulcanizados hechos con peróxidos tienenmejores propiedades. Estos hules pueden vulcanizarse aun con elsolo calentamiento.
Los hules nitrilo pueden mezclarse con otros hules, plásticos deazufre, PVC o resinas fenólicas.
Los hules nitrilo tienen una excelente resistencia a los aceites y alcalor
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Hule Neopreno
Los neoprenos (CR) constituyen uno delos primeros (1931) hules sintéticos.
Se asemeja al hule natural en mayorgrado que los otros sintéticos; porejemplo, dan buenas propiedades en lascargas de hule, tienen excelentecapacidad de adherencia, y sumasticación es tan fácil queprácticamente puede omitirse.
El vulcanizado se efectúa con óxido dezinc y óxido de magnesio
Los vulcanizados de neopreno muestranbuena resistencia a los aceites que, porlo general, es ligeramente inferior a lade los vulcanizados de hule nitrilo.
Son más resistentes a los productosquímicos orgánicos, tal como losacoholes, cetonas, etc.,
Probablemente la propiedad mássingular es la resistencia a la flama, locual se debe a su contenido de cloro.
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Es por este motivo que el neopreno se usa para la construcción debandas transportadoras para las minas de carbón
Existen neoprenos para diferentes propósitos y para cada casoexisten grados especiales.
Los neoprenos AC y CG se utilizan para fabricar adhesivos de secadorápido, el Q para la máxima resistencia a los aceites, el S para lassuelas crepé o para endurecer otros grados, y el WHV para dilucióncon aceite. Los tipos de uso general son GN, GNA, GRT, W y WRT.
Con el neopreno GN debe emplearse aceleradores especiales La adición de azufre origina vulcanizados más duros con menores
elongaciones a la ruptura. En general, cuando se usa en mezclas con hule natural no es
necesario considerar la presencia del neopreno para definir lascantidades para el vulcanizado del hule natural.
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Principales elastómeros comerciales
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Especificaciones para la formulación y normalización de compuestos de hule
Como sucede en todas lasramas de las ciencias, eldesarrollo en los procesosavanza al parejo de losnuevos descubrimientosaplicables a la misma y loselastómeros no han sido laexcepción.
Desde el descubrimientode la existencia del hulenatural, no ha cesado lainvestigación para poderaprovechar sus magníficaspropiedades en todas lasramas.
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Es así, como en laactualidad encontramoshules sintéticos con altasprestancias y susaplicaciones enprácticamente todas lasactividades de lahumanidad, desdemembranas impermeablespara almacenamiento deagua en el campo, hasta lassofisticadas aplicaciones enla investigación del espacio.
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Con el devenir de la tecnología los requerimientosde las piezas se vuelven más sofisticados yrequieren cubrir mayores condiciones críticas deuso. Además de las propiedades de elasticidad yresistencia mecánica es necesario tener resistenciaa diferentes medios, tales como:
agua, aire, aceite, grasas, ácidos, bases, oxígeno,cloro, ozono, altas temperaturas, etc.
O tener ciertas propiedades especiales como:
no manchantes, inodoras, translucidas, no tóxicas,antiestático, etc.
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Esta gama de aplicaciones, aunadaal hecho de que un compuesto dehule está formado por elelastómero y una gran variedad demateriales, que tienen una funcióndeterminada dentro del mismo, hahecho que la función del formulistase constituya por una parte enciencia y por otra en un arte.
Al formular un compuesto de hulese debe tener en cuentabásicamente, los siguientesaspectos:
Cubrir una determinadaespecificación
Que no presente dificultades deproceso
Que sea económica
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Para facilitar el trabajo de formular un compuesto, se presenta la siguiente tabla, que clasifica los componentes de la formulación, dividido en grupos y en relación a su función dentro de la formula.
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Toda compañía bien organizada tiene para sus materiasprimas y productos terminados, normas de control y cada unade ellas sus respectivos formatos, a fin de cuentas todastienen como objetivo, el establecer sistemas de calidad vía laclasificación; mediante los cuales se pueda obtener un códigopara un determinado compuesto de hule el cual a través denúmeros y letras describa sus propiedades fundamentales yespecíficas.
Por otro lado los ingenieros proyectistas ocupados en laselección de artículos de hule se encaran con un problemadesconcertante. Cuando tratan con la industria del hule debenemplear el lenguaje de los hombres del hule. Deben empleartérminos como dureza, resistencia a la tracción, alargamiento,modulo de elasticidad, deformación retardada y otros más.
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Estas son viejas palabras familiares, pero que tienen un nuevo ydiferente significado cuando se aplican a los artículos de hule. Elingeniero debe acomodar su pensamiento para adaptarse a algunasnuevas definiciones, por ejemplo, el término “módulo”, aplicado alacero, es definido como la inclinación de la porción recta de la curvade tensión-alargamiento. En el caso de materiales elastoméricos, elmódulo se define como el esfuerzo requerido para producir unadeformación o un alargamiento dado.
Para homologar las funciones y requerimientos tanto de losfabricantes de productos elastoméricos como de los usuarios deestos, Asociaciones de Industriales se dan a la tarea de desarrollarnormas y especificaciones de estos materiales, por lo que,presentamos el sistema ASTM – D – 2000 a SAE J – 200, que es unode los sistemas de normalización internacional más usados enMéxico; no sólo es usado en la industria automotriz, sino quetambién es empleado para artículos industriales de hule en lasramas: petrolera, petroquímica, química, farmacéutica, artículosdomésticos y otras.
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SISTEMA DE CODIFICACION ASTM D – 2000 o SAE J – 200
Este sistema fue diseñado por laAmerican Society for Testing andMaterials (ASTM) en colaboracióncon la Society of AutomotiveEngineers (SAE). Se basa en elsupuesto de que las propiedadesde todo producto de hule puedenser arregladas en designacionescaracterísticas del material. Estasdesignaciones están determinadaspor “tipo” basado en la resistenciaal envejecimiento por calor y“clase” que contempla laresistencia al hinchamiento enaceite. Esta designación básica secomplementa con requerimientosadicionales para poder describir lacalidad de casi cualquier materialelastomérico
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El Objetivo principal es clasificar los productos de hule en forma amplia, clara y completa.
Grado – está representado por el primer número, para el ejemplo es (2) ( se refiere al requisito que debe cumplir)
Tipo – está representado por la primera letra, para el ejemplo es (B), es decir las pruebas de envejecimiento se llevan a cabo a 100°C (se refiere a la resistencia que tiene el hule al calor durante 79 horas)
Clase – esta representada por la segunda letra, para el ejemplo es (C),resistencia del material al aceite, lo cuál se mide por el cambio en volumen o hinchamiento que el aceite produce sobre el hule, como % máximo de 125
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Los requerimientosbásicos, los cualesanalizan lascaracterísticas físicasoriginales de probetas dela mezcla vulcanizadarepresentativa delproducto terminado, losvalores así obtenidossirven de base paracomparar los resultadosencontrados después delos ensayos deenvejecimiento aceleradoen horno y fluidos deprueba.
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Requerimientos subfijos Como complemento a la tabla de
los requerimientos básicos existepara tipo de hule otra tabla derequerimientos llamados subfijos,indicados mediante letras ynúmeros, los cuales les indican lasdesviaciones a procedimientos deprueba ASTM; además, para cadauno de estos subfijos la tabladetermina una serie de gradosnumerados del 1 al 8, los cualesson utilizados para hacer cambioso adicionar mejoras a los valoresde los requerimientos básicos.Dicho grado está especificado en laúltima columna de la tabla derequerimientos básicos (ver tabal4). El grado No.1 indica quesolamente se analizan losrequerimientos básicos.
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PROPIEDADES FÍSICAS
VISCOSIDADMÉTODO ASTM D – 1646
Es una medida de la libertad demovimiento que tienen lasmoléculas entre sí de acuerdo auna fuerza cortante que se leaplica entre ellas, esto es,resistencia a deslizarse unasmoléculas sobre otras. Pequeña enlos gases y extraordinariamentegrande en los sólidos.
La determinación de la viscosidadse relaza en un viscosímetroMooney, el cual mide la viscosidaden función del tiempo; estetambién medirá los incrementos enel nivel de activación, aceleración,o retardación del compuesto.
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REOMETRIA METODO ASTM D – 2084
Las propiedades de la vulcanización, se miden actualmente utilizando el Reómetro (de disco oscilante), el cuál mide la respuesta mecánica de un compuesto de hule a un esfuerzo oscilante como función del tiempo a una temperatura dada de curado.
La curva resultante (reometría) proporciona información muy valiosa sobre las propiedades de procesamiento y curado de un compuesto de hule.
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DUREZA (Durómetro A) METODO D – 2240 – 68
La dureza se define generalmente como la resistencia a la penetración de un punzon en un hule, los ensayos de dureza dependen de la resistencia a la deformación plástica.
Existen varios tipos de durómetros con sus marcas registradas como Shore A y Wallace; todos son calibrados con la misma escala arbitraria de 0 a 100 (de blando a duro).
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TRACCION METODO ASTM D – 412 – 68
Esta prueba también es conocida como tensión-elongación – modulo. Las propiedades de tracción constituyen la indicación individual más importante de la resistencia de un material de hule.
Con este ensayo se determina la fuerza necesaria para romper la pieza al estirarla y, además la capacidad de estiramiento antes de romperse
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LA VULCANIZACIÓN
Las moléculas de hule no están fijas unas a otras, pueden moverse más o menos libremente en el interior de la masa, es decir tienen movimiento macrobrowniano.
El hule es un elasto-plástico y tiene flujo newtoniano mecánico y termodinámicamente irreversible, por lo que no ofrece mucha resistencia a una fuerza que actúe sobre el hule, sus módulos son muy pequeños (la fuerza necesaria para deformar el compuesto es conocida como módulo, éste módulo es la tensión necesaria para una elongación determinada
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Un gran número demacromoléculas son unidas porpuentes intermoleculares durantela vulcanización y se necesita unagran fuerza para producir unadeformación determinada. El hulevulcanizado, ahora es unelastómero (se formo una redtridimensional entre susmacromoléculas), durante lavulcanización, las cadenasmacromoleculares se unenmediante puentes, que estánbastante alejados entre sí. En elhule natural, sólo una de cada cienunidades de isopreno se unenentre sí, en una vulcanizaciónnormal
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Ingredientes constituyentes de los
compuestos de hule y su formulación.
Actualmente se fabrican más de50, 000 piezas o artículos de hule,Todo empezó hace más de 260años, cuando Charles Goodyeardescubrió la vulcanización.
Cada industria desarrolla suspropias especificaciones deacuerdo con el uso final de la piezade hule
Por mencionar algunas industrias están:
automotriz militar aeronáutica y espacial Eléctrica Petrolera Minera De la construcción Alimenticia Farmacéutica Del vestido Del calzado Del hogar Deportivos Del juguete
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Cada una desarrolla suspropias especificaciones. Y lapregunta que todo IngenieroFormulista se hace es, ¿Cómoformulamos un compuesto dehule que cumpla con cada unade las especificaciones paracada una de las industrias yamencionadas?
Para facilitar el trabajo deformular un compuesto, seclasifican los componentes dela formulación (Tabla 5.1),dividido en grupos y enrelación a su función dentro dela formula.
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ELASTÓMERO O POLÌMEROBASE
El principal componente de uncompuesto de hule es unelastómero (hule o caucho) omezcla de elastómeros,seleccionados paraaplicaciones específicas, deacuerdo con una o varias desus características. Elelastómero es la base de uncompuesto y se consideran atodos los ingredientesproporcionales a la baseelastomérica, por lo que seconsidera partes por cien dehule (PCH).
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CARGAS Los compuestos de hule
normalmente requieren unrelleno, conocido como carga,para cumplir con dospropósitos igualmenteimportantes. El primero deellos está dirigido a reforzar alelastómero base para obtenerun compuesto con ciertaspropiedades; y el segundo estáencaminado a disminuir elcosto del compuesto sinmodificar ninguna de laspropiedades del elastómerobase. Por lo tanto, existen dostipos de cargas: reforzantes yno reforzantes
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PLASTIFICANTES Los plastificantes más populares son los
aceites derivados del petróleo. Estosson empleados en cantidadesconsiderables para controlar laviscosidad del compuesto crudo o enverde (como se le llama al compuestoantes de vulcanizar) y la dureza delcompuesto vulcanizado. Losplastificantes también son llamadosablandadores o extendedores. Eltérmino extendedor es usado paraindicar que el aceite es utilizado concargas reforzantes de manera que sedisminuya el costo del compuesto, esdecir, hasta cierto punto actúa comouna carga. El término plastificante seaplica para resaltar la habilidad delaceite de actuar como un lubricanteinterno para propósitos de proceso, asícomo mejorar la flexibilidad delproducto vulcanizado a bajastemperaturas. Los plastificantes se usancuando se desea incrementar laflexibilidad del compuesto de hule.
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ANTIDEGRADANTES Los antidegradantes son conocidos
también como protectores, sonmateriales que sin afectarsensiblemente la obtención delvulcanizado, permiten alargar la vidaútil de una determinada pieza de hule,inhibiendo la acción de elementos queintervienen en la destrucción químicadel hule vulcanizado, como el oxígeno,el ozono, el calor, la luz, la combinaciónde elementos que componen elambiente (gases de motores, humedad,etc.) y la fatiga mecánica.
Una gran gama de antidegradantes está disponible para el formulista (compounder), y estos se hayan generalmente dentro de dos grandes clases:
antioxidantes (capaces de aligerar la reacción de oxidación con el hule)
antiozonantes ( prevén la deterioración del hule por el ataque del ozono)
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AGENTES VULCANIZANTES Todos los elastómeros vulcanizables tienen una característica
en común: cierto grado de instauración dentro de suestructura polimérica, que de una manera simple se definecomo la presencia de dobles enlaces entre los átomos decarbono, distribuidos periódicamente a lo largo del esqueletomolecular del polímero a procesar. Los elastómeros en esteestado poseen propiedades semejantes a los polímerosplásticos, aunque no necesariamente las propiedades útilesque los materiales termoplásticos podrían tener. En particular,el material se suavizará o ablandará con el calor y retornará asu estado original cuando se enfríe; un proceso que podrá serrepetido de manera ilimitada suponiendo que ningún otroefecto lateral o reacción ocurrirá
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ACELERADORES
La vulcanización fue descubierta en 1839 por Goodyear, al calentar el hule natural con azufre.
Hule natural
Azufre
Tiempo de vulcanización 4 Horas.
En 1906 Oenslager descubrió que:
Hule natural
Azufre
Anilina
Oxido de zinc
Podía vulcanizar en una hora y se obtenían artículos aceptables. Como la anilina era muy venenosa se empezó a formular
Hule natural
Azufre
Tiocarbanilina
Oxido de zinc
Con lo que el tiempo de vulcanización se redujo a 24 minutos.
Actualmente los aceleradores son orgánicos y contienen en su estructura molecular nitrógeno y azufre.
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ACTIVADORES En 1920 fue descubierto que el óxido de zinc mejoraba la acción de
la mayoría de los aceleradores y que la acción del óxido de zinc es mejorada por los ácidos grasos.
La aceleración es activada por productos básicos o alcalinos, que produzcan materiales básicos o alcalinos durante la vulcanización. La aceleración es retardada por ácidos orgánicos.
Existen dos tipos de activadores: orgánicos e inorgánicos Los activadores inorgánicos se combinan con los orgánicos y los
aceleradores, para formar compuestos complejos que actúan directamente con el agente vulcanizante incrementando la velocidad de la reacción.
Existen varios productos empleados como activadores. El activador inorgánico más empleado es el óxido de zinc, y el activador orgánico más empleado es el ácido esteárico. Ambos se incluyen en la formulación de un compuesto de hule.
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INGREDIENTES VARIOS
A menudo se necesitarecurrir a sustancias quenos ayudan a modificar lascaracterísticas finales de uncompuesto, tales comocolorantes, aromatizantes,esponjantes, fungicidas,fibras de refuerzo,regeneradores y polvo dehule vulcanizado
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Formulación o diseño de un compuesto
de hule
Objetivos de la formulación Al realizar la formulación de un
compuesto de hule, eldiseñador o formulista debesatisfacer ciertos objetivos, delos cuales, los más importantesestán relacionados con:
las propiedades del productofinal
características deprocesabilidad del compuesto
costo del compuesto Podemos decir que, el
formulista deberá visualizarque los tres puntos anterioresse mantengan en equilibrio,manteniendolos siempre comosus guías de acción y reacción.
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Consideraciones Para que se pueda cumplir los objetivos de la formulación, antes de realizarla, el
diseñador debe responder a varias preguntas de manera que exista una guía concreta para iniciar con esta labor. Algunas de las preguntas que debe responder son:
¿En qué medio ambiente va a trabajar el producto final? Está sometido a temperatura Está sometido a luz solar y ozono Está en contacto con solventes, ácidos o aceites ¿Qué propiedades físicas requiere? Dureza Elasticidad Módulo y Tensión Desgarre ¿Qué propiedades de proceso requiere? Facilidad de flujo Adhesión ( Tack) Pegajosidad (Stick) Tiempo de quemado (Scorch) ¿Cuál es su parámetro de funcionalidad? son sus propiedades físicas Es su costo Es su disponibilidad
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Parámetros de Mezclado
Una vez decidida la formulación queteóricamente satisfaga todas laspropiedades requeridas para el compuestocrudo y vulcanizado, la operación demezclado es la encargada de lograr losóptimos valores de las mismas.
En términos generales, la cinética delmezclado es probablemente entendida,adoleciendo de un adecuado tratamientoteórico; no obstante, podemos definir ovisualizar aquí cinco etapas fundamentales
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Subdivisión de grandes aglomeradoso trozos de materiales sólidos y hules
Incorporación de los materiales enpolvo y líquidos en el hule yasubdividido para establecer un íntimocontacto con éste.
Dispersión, que implica la reduccióndel tamaño de partículas individualeshasta el mínimo posible. Esta fase estambién llamada “mezcladointensivo” y requiere un mayor nivelde energía y esfuerzo de corte quela anterior. Es la etapa clave de todala operación.
Mezclado simple: distribución al“azar” de todas las partículas yadispersas en la mezcla. Se lo suelellamar “mezclado extensivo odistributivo”.
Reducción de viscosidad: En estepunto, un exceso de trabajo omasticación produce una reducciónde la viscosidad, adecuándola a losprocesos posteriores.
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Todas estas etapas pueden darse simultáneamente en distintas proporciones de la mezcla; como la dispersión es la más dificultosa y la que directamente incide sobre las propiedades del compuesto, podremos entonces enunciar la regla básica de todo procedimiento de mezclado:
El hule se deberá masticar para facilitar la incorporación de los materiales, pero deberá retener suficiente nivel de viscosidad como para romper las partículas de los ingredientes y asegurar así una dispersión satisfactoria.
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primera etapa, donde se genera la mezcla base o maestra (master batch)
segunda etapa, donde se agregan los agentes vulcanizantes y acelerante
Si bien esta metodología aumenta el tiempo global de mezclado y el stock intermedio de las mezclas en la fábrica, tiene como beneficio comprobado una mayor consistencia “mezcla - a –mezcla” de las finales, especialmente si se respeta un estacionamiento mínimo previo de las bases.
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Tipo de mezcladores El mezclado de los compuestos de
hule se puede hacer tanto en molinos abiertos, como en mezcladores internos (Banbury).
Mezclador abierto El mezclado en molinos es el
método inicial práctico, más común en nuestra industria.
Los parámetros de mezclado en el molino son:
temperatura tamaño del lote o carga orden de incorporación de los
ingredientes tiempo de mezclado método de trabajo del operador
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Mezclador interno (Banbury)
Basado en el concepto original del Ing. Fernley H. Banbury, las máquinas de este tipo son frecuentemente referidas como “Banburys” aunque sean de otras marcas.
Al transcurrir el tiempo se han introducido numerosas modificacionesde diseño pero la idea central no ha cambiado.
De todas partes, surgen principalmente las siguientes, por su incidencia directa en el control del ciclo de mezclado
