In una tipica mescola del battistrada di uno pneumatico, il polimero di gomma costituisce solo circa il 47% del peso totale. Il resto arriva al miscelatore come nerofumo, olio di processo, ossido di zinco, zolfo, acceleranti e antidegradanti. Questa singola proporzione è il modo più veloce per rispondere alla domanda di cosa è fatta la gomma, perché il materiale che le persone effettivamente tagliano, modellano e vendono non è un’unica sostanza. È un polimero più un pacchetto di sostanze chimiche attentamente ponderato.
30-40% Contenuto di idrocarburi di gomma del lattice di campo fresco
100 ore Il peso di riferimento fisso su cui è costruita ogni ricetta
1,5-2,5 p Zolfo in un sistema di polimerizzazione convenzionale
La risposta breve: una struttura polimerica più un pacchetto di compounding
La gomma è costituita da un polimero a catena lunga combinato con riempitivi, oli, curativi e prodotti chimici protettivi. Il polimero stesso è o cis-1,4-poliisoprene estratto dall'albero Hevea brasiliensis, oppure una catena sintetica costruita in un reattore da monomeri recuperati dal petrolio e dal gas naturale. Tutto il resto della ricetta esiste per rendere quella catena lavorabile, durevole e prevedibile nel servizio.
La gomma è una rete polimerica elastica piuttosto che una singola sostanza. Il suo comportamento gommoso deriva dai legami incrociati che legano tra loro lunghe catene polimeriche; senza questi legami incrociati, le stesse catene si ammorbidiscono e scorrono quando riscaldate.
L'isoprene, il monomero a cinque atomi di carbonio dietro la gomma naturale, è una piccola molecola. La polimerizzazione collega migliaia di queste unità testa a coda in una catena il cui peso molecolare può raggiungere diverse centinaia di migliaia di grammi per mole. Questa lunghezza è ciò che consente al materiale di allungarsi più volte della sua lunghezza originale e di riprendersi, a condizione che le catene siano ancorate tra loro.
Un polimero grezzo da solo è quasi inutile su una linea di produzione. La gomma naturale non vulcanizzata è appiccicosa nella stagione calda e fragile nella stagione fredda e perde rapidamente resistenza al di sopra dei 60 gradi Celsius. Il pacchetto di compounding risolve questi punti deboli, motivo per cui quasi tutte le specifiche che leggerai descrivono un composto, non un polimero.
Gomma naturale: cosa esce dall'albero
La gomma naturale è composta da lattice di campo, una sospensione lattiginosa composta dal 30 al 40% di poliisoprene, dal 55 al 65% di acqua e una piccola ma importante frazione di proteine, lipidi, zuccheri e sali minerali. La frazione non gommosa ha un peso ridotto, ma determina il comportamento di guarigione, l'odore, l'invecchiamento e il rischio di allergie.
| Componente | Condivisione tipica | Perché è importante |
| cis-1,4-poliisoprene | Dal 30 al 40%. | La spina dorsale elastica del materiale |
| Acqua | Dal 55 al 65%. | Fase portante, rimossa durante la coagulazione e l'essiccazione |
| Proteine | Dall'1 al 2%. | Stabilizza il lattice nell'albero e provoca allergia al lattice di tipo I nelle persone |
| Lipidi e resine | Dall'1 al 2%. | Agiscono come antiossidanti naturali e influenzano la guarigione |
| Carboidrati | Circa l'1%. | Nutre i batteri, motivo per cui viene aggiunta ammoniaca o un altro conservante |
| Ceneri e sali minerali | Sotto l'1%. | Rimangono come residui e sono riportati come contenuto di ceneri nella scheda tecnica |
La raccolta inizia quando un albero ha dai cinque ai sette anni circa. Un tapper rade una sottile spirale di corteccia, il lattice scorre in una tazza e il liquido viene conservato con ammoniaca per la spedizione. In fabbrica il lattice viene coagulato con acido formico e quindi trasformato in una delle tre forme commerciali: fogli non affumicati, fogli affumicati nervati o gomma granulosa venduta con gradi tecnicamente specificati.
I nomi dei gradi contengono informazioni sulla composizione. Marchi come SVR 10, SIR 20 o SMR 20 si riferiscono al contenuto massimo di sporco consentito in parti per cento, quindi una gomma di grado 20 è consentita circa il doppio della contaminazione di un materiale di grado 10.
Per un confronto più approfondito tra i due percorsi polimerici, la scomposizione di lattice naturale e polimeri sintetici vale la pena leggerlo insieme alle specifiche delle materie prime che ricevi dal tuo fornitore.
Gomma sintetica: cosa esce dalla raffineria
La gomma sintetica è costituita da monomeri recuperati dal petrolio e dal gas naturale, quindi polimerizzati in un reattore in condizioni di temperatura, pressione e catalizzatore controllate. Poiché i rapporti dei monomeri possono essere regolati entro finestre ristrette, il polimero risultante è molto più coerente lotto per lotto rispetto alla gomma di piantagione.
| Famiglia | Monomeri di partenza | Proprietà eccezionale | Parti tipiche |
| SBR | Stirene e butadiene | Aderenza sul bagnato e resistenza all'abrasione | Battistrada di pneumatici, suole di scarpe |
| BR | Butadiene | Flessibilità alle basse temperature | Pareti laterali, coperture della cintura |
| EPDM | Etilene, propilene e un diene come ENB | Resistenza all'ozono e agli agenti atmosferici | Copertura, tappetini da esterno, tubo flessibile |
| NBR | Acrilonitrile e butadiene | Resistenza all'olio e al carburante | Guarnizioni, tubo del carburante, guarnizioni |
| CR | Cloroprene | Resistenza alla fiamma e stabilità agli agenti atmosferici | Cinture, guaine per cavi |
| IIR | Isobutilene con una piccola percentuale di isoprene | Permeabilità all'aria molto bassa | Camere d'aria, polimerizzazione delle vesciche |
| Silicone | Polidimetilsilossano | Ampio intervallo di temperature di servizio | Guarnizioni, parti a contatto con gli alimenti |
La gomma butilica contiene solo circa l'1-2% di isoprene in peso. Quella piccola frazione di unità insature è ciò che consente la vulcanizzazione di una catena altrimenti inerte.
Il sistema di denominazione ISO 1629 raggruppa questi materiali in base alla struttura della loro spina dorsale. I gradi con il suffisso R, come NR, SBR, BR, NBR e CR, hanno catene di carbonio insature e polimerizzano facilmente con lo zolfo. I gradi con suffisso M, inclusi EPDM e silicone, hanno catene saturate e normalmente necessitano invece di perossido, resina o un sistema di polimerizzazione simile.
Cos'altro c'è dentro: la ricetta della composizione
Per 100 parti di gomma, un composto per uso generale trasporta tipicamente da 40 a 60 phr di nerofumo, da 5 a 30 phr di olio di processo, da 3 a 5 phr di ossido di zinco, da 1 a 2 phr di acido stearico, da 1,5 a 2,5 phr di zolfo, da 0,8 a 2 phr di acceleratore e da 1 a 3 phr di antidegradante. Questi valori rappresentano l'intervallo di lavoro per un composto convenzionale trattato con zolfo e cambiano considerevolmente quando la resistenza al calore, la resistenza all'olio o la bassa deformazione a compressione entrano nelle specifiche.
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Il nerofumo è raramente inferiore a 40 phr in un prodotto in gomma meccanica. Taglialo al di sotto di quel livello e la resistenza alla trazione e alla lacerazione diminuiranno rapidamente, anche se il composto diventa più facile da lavorare e più economico da miscelare.
Le famiglie degli ingredienti rientrano in cinque gruppi funzionali:
- I riempitivi, principalmente nerofumo e silice precipitata, aggiungono forza, durezza e resistenza all'abrasione.
- I plastificanti e gli oli di processo ammorbidiscono la miscela, migliorano il flusso e abbassano la temperatura di miscelazione.
- Attivatori come l'ossido di zinco e l'acido stearico convertono l'acceleratore nella sua forma attiva.
- I curativi, zolfo o perossido, creano i legami incrociati che rendono elastica la gomma.
- Gli antidegradanti, tra cui ammine, fenoli e cere, rallentano l'ossigeno, l'ozono e l'invecchiamento termico.
Dal polimero al prodotto: quattro fasi di lavorazione
Trasformare questi ingredienti in una parte utilizzabile segue quattro passaggi e la composizione cambia in ciascuno di essi. Errori di ponderazione di pochi grammi in un lotto da 50 chilogrammi sono sufficienti per spostare la durezza di diversi punti sulla scala IRHD.
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Gli ingredienti vengono pesati secondo la ricetta phr e confezionati. Le balle di polimeri vengono tagliate, riscaldate e spesso pre-masticate per portare la viscosità Mooney entro i limiti prima che entrino i riempitivi.
Miscelazione
Un miscelatore interno o un mulino aperto ripiega il nerofumo e l'olio nel polimero. La temperatura di scarico è il punto di controllo critico, poiché una miscela che scarica troppo calda brucerà o polimerizzerà parzialmente nel miscelatore.
Modellare
La calandratura produce fogli di spessore controllato, l'estrusione forma profili e tubi flessibili e lo stampaggio a compressione o iniezione riempie una cavità. In questa fase il composto è ancora termoplastico e può essere rilavorato.
Vulcanizzazione
Il calore attiva il sistema di polimerizzazione e blocca la forma in modo permanente. Una parte spessa può rimanere in una pressa per 20 minuti a una temperatura compresa tra 150 e 160 gradi Celsius, mentre un profilo estruso sottile può essere polimerizzato in modo continuo.
Lo zolfo da solo può richiedere ore per curare una sezione pesante. Gli acceleratori lo riducono a minuti, motivo per cui quasi nessun composto commerciale viene polimerizzato solo con lo zolfo.
Come viene visualizzata la composizione su una scheda tecnica
Una scheda tecnica della gomma riporta l'identità del polimero, i rapporti dei monomeri, i limiti di contaminazione e il comportamento di lavorazione, trasformando la chimica invisibile in numeri confrontabili. Leggere questi numeri rispetto all'applicazione è il modo più rapido per individuare una mancata corrispondenza prima che il materiale raggiunga la linea.
- Il contenuto di acrilonitrile nell'NBR varia da circa il 18% per una bassa resistenza all'olio fino al 42% per un contatto intenso con il carburante.
- Lo stirene legato nell'SBR è tipicamente pari a circa il 23,5% nel grado di emulsione standard, e uno stirene più elevato aumenta l'aderenza sul bagnato e l'accumulo di calore.
- Il rapporto di etilene e propilene più il contenuto di ENB definiscono il modo in cui un EPDM polimerizza e quanto bene tollera l'ozono.
- La viscosità Mooney ML(1 4) a 100 gradi Celsius di solito è compresa tra 40 e 80 per un composto misto.
- Cenere, sostanze volatili e contenuto di sporco costituiscono il limite massimo nella scelta della qualità della gomma naturale.
Due fornitori possono citare lo stesso nome di qualità e consegnare materiale diverso. La variazione da lotto a lotto della gomma naturale è una realtà nelle piantagioni, mentre i gradi sintetici rimangono entro finestre di specifiche ristrette.
Gomma naturale
- Fonte: lattice degli alberi di Hevea
- Resistenza alla trazione e allo strappo molto elevata
- Eccellente flessibilità alle basse temperature
- Scarsa resistenza all'olio e al carburante
- Il prezzo si muove con i cicli meteorologici e di semina
Gomma sintetica
- Fonte: monomeri di raffineria
- Proprietà sintonizzate dal rapporto monomerico
- Disponibile resistenza a olio, calore e ozono
- Coerente da lotto a lotto
- Prezzo legato ai costi delle materie prime e dell'energia
Laddove le specifiche sono più importanti, i dati del composto dovrebbero essere confrontati con la parte finita, non con il solo polimero. Lo stesso ragionamento vale per tutto prodotti industriali in gomma , da fogli e stuoie a coperture per tubi flessibili e composti per nastri.
Gomma rigenerata: composizione dopo una seconda vita
La gomma rigenerata è costituita da scarti macinati, per lo più pneumatici fuori uso, che vengono devulcanizzati e raffinati nuovamente in un foglio lavorabile. Il materiale contiene ancora idrocarburo di gomma, ma trasporta anche nerofumo, olio, ceneri e residui di polimerizzazione presenti nel composto originale.
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Il recupero viene normalmente caricato da 5 a 20 phr in un composto tecnico. Al di sopra di tale livello, la resistenza alla trazione e la deformazione permanente alla compressione si riducono notevolmente, sebbene la velocità di polimerizzazione spesso aumenti.
L’aggiunta del recupero riduce il costo delle materie prime e impedisce agli scarti di finire in discarica, motivo per cui compaiono regolarmente nei tappetini, nei cunei delle ruote e in altri beni non critici. Non è adatto per tenute dinamiche o applicazioni ad alta temperatura in cui la deformazione costante della compressione conta più del prezzo.
Domande frequenti
La gomma è fatta di petrolio?
In parte. La gomma sintetica è composta da monomeri come butadiene, stirene e isoprene che provengono dal petrolio e dal gas naturale. La gomma naturale non lo è, poiché proviene dal lattice dell'albero Hevea brasiliensis. La maggior parte dei prodotti industriali in gomma utilizzano l'uno o l'altro e molti li utilizzano entrambi in un unico composto.
Qual è la differenza tra gomma naturale e sintetica a livello molecolare?
La gomma naturale è un cis-1,4-poliisoprene quasi puro, una catena regolare che cristallizza sotto sforzo e conferisce una resistenza molto elevata. I gradi sintetici sono costituiti da due o più monomeri, pertanto la catena presenta diversi gruppi laterali lungo la sua lunghezza. Questi gruppi laterali sono ciò che crea la resistenza all'olio nell'NBR o la resistenza agli agenti atmosferici nell'EPDM.
Cosa significa phr in una ricetta di gomma?
Phr sta per parti per cento di gomma. Ogni ingrediente è espresso rispetto a 100 parti di polimero di gomma in peso, quindi un composto con 50 phr di nero di carbonio contiene la metà della quantità di nero del polimero. È un sistema di rapporti, non una percentuale della miscela finita.
Si può produrre la gomma senza zolfo?
SÌ. L'EPDM, il silicone e molti gradi speciali vengono polimerizzati con perossidi, resine fenoliche o ossidi metallici invece che con zolfo. Lo zolfo rimane il curativo più comune perché è poco costoso e funziona bene con catene insature come NR, SBR e NBR.
La storia della composizione termina dove inizia l'applicazione: un composto è corretto solo quando il suo polimero, il suo carico di riempitivo e il suo sistema di polimerizzazione corrispondono al calore, all'olio e alla flessione che la parte effettivamente soddisfa.
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