Vulcanización
VULCANIZACIÓN
Uno de los descubrimientos más sobresalientes del siglo XIX, fue la vulcanización del hule, a manos de Charles Goodyear, este, para honrar al dios Vulcano, nombro al proceso vulcanización; sin embargo, hallazgos Arqueológicos Olmecas en el 2008, demuestran que ya era conocido el proceso y usado hace 3500 años, en la fabricación de pelotas ceremoniales, muy parecidas a las pelotas ceremoniales vulcanizadas, halladas en el norte de México, en 1995, en la zona Raramuri.
El nombre de hule tiene raíces náhuatl, así como su sinónimo caucho, tiene raíces indígenas del Brasil. Este material es un elastómero natural; elastómero, porque tiene la capacidad para estirarse y contraerse rápidamente.
La vulcanización del hule de Goodyear, fue un proceso químico, fortuito; un trozo de hule impregnado de azufre callo por accidente a un recipiente que contenía agua hirviendo, al concluir sus actividades Charles, desconecto todo y al día siguiente, encontró en el recipiente con agua, flotando un trozo de hule, con características muy distintas a las conocidas hasta ese momento. Hoy día sabemos que se llevaron a cabo dos procesos simultáneos, a la temperatura de 140°C:
- El calor provoco que el azufre, pasara de su estado sólido a líquido a una temperatura aproximada de 119°C, los anillos de azufre se abrieron provocando, radicales libres, formando cadenas cortas y largas de azufre; conocidas como radicales polisulfuros y monosulfuros, estos radicales se unieron a las cadenas macromoleculares del hule, para formar puentes intermoleculares. Warren y Barwell fueron los primeros en demostrar por medio del espectro infrarrojo que el azufre existe como un anillo estable S 8.Para hacer reactivo al S8 y poderlo dividir se necesita una gran energía (64Kcal/mol).
- El hule a su vez, genero aperturas de sus enlaces en las macromoléculas y se unieron con los radicales sulfuro, dando como resultado la formación de una red tridimensional, conocida como vulcanización.
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El diccionario Webster define a la vulcanización, como… “El proceso de el tratamiento de hule crudo, Látex de hule, gutapercha, etc. Por medios químicos, para mejorar su fuerza, dureza, elasticidad, etc.”.
La American Society for Testing Materials (ASTM) en su “Glosario de términos relacionados con el hule o materiales afines”, la define más sofisticadamente como ” Una reacción química en las cuales las propiedades físicas del hule se cambian grandemente en la dirección de un flujo plástico decreciente, menor pegajosidad superficial, aumento en la elasticidad, mucho más grande resistencia a la tensión, mucho menor solubilidad en un rango muy amplio, reaccionando el hule con azufre y/o otros agentes adecuados”.
Las moléculas de hule sin vulcanizar, 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 temodinámicamente 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).
Un gran número de macromoléculas hule, son unidas por puentes intermoleculares azufre durante la vulcanización. De manera que todas las propiedades del hule al ser vulcanizado, cambian por completo. Así que, la vulcanización es la disminución de plasticidad con el aumento de elasticidad. Las moléculas de hule vulcanizadas al ser estiradas tienden a regresar a su posición inicial, esta elasticidad va acompañada de entropía y por un aumento de energía libre.
Al determinar cuantitativamente la plasticidad residual conocemos el número de puentes. Si el número de puentes intermoleculares aumenta, la deformación permanente disminuye. Por lo que cuando se desea una pieza de baja deformación permanente, se debe tener un alto grado de reticulación. Generalmente el grado de reticulación es inversamente proporcional a la elasticidad.
RESULTADOS DE LA VULCANIZACIÓN
El módulo es proporcional al número de puentes intermoleculares formados durante la vulcanización, por lo tanto del grado de vulcanización. El módulo es totalmente independiente de la constitución química de las macromoléculas hule y del tipo de puentes intermoleculares.
A medida que el grado de reticulación aumenta, la dureza sube hasta que se convierte en un rígido como la ebonita.
La tensión no continúa aumentando con el número de puentes intermoleculares. Esta tensión es óptima cuando se llega a un número determinado de puentes. Si la formación de puentes continúa la tensión disminuye. Si la formación de puentes continúa en algunos elastómeros la tensión aumenta, por lo que la elongación siempre disminuye con el aumento de puentes intermoleculares.
Desde el descubrimiento de la vulcanización del hule, ésta ha sido objeto de cuidadosos estudios, no sólo con el fin de hallar las condiciones óptimas para realizarla, sino para efectuar el estudio de las propiedades físico-dinámicas y químicas del hule vulcanizado, donde la proporción de azufre y el valor de la presión y temperatura juegan un papel importante en la industria de transformación.
Hasta 1915, la vulcanización se efectuaba pura y simplemente como reacción directa entre el azufre y el hule, con la ayuda de una presión y temperatura apropiada. Las proporciones de azufre que intervenían en aquel entonces eran de 5 a 8 % del hule empleado, y el tiempo de calefacción variaba de tres a cuatro horas.
Es a partir de 1915 cuando hacen su aparición los diferentes acelerantes orgánicos que se han usado y se siguen usando desde aquel día. El objetivo de los acelerantes es intervenir en la reacción, a fin de que el azufre se combine lo más rápidamente posible, gracias a la propiedad que tienen por un lado, de dejar azufre en estado atómico, y por otro, de efectuar enlaces hábiles muy susceptibles de ser ocupados por el azufre.
Bibliografía
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