ELASTÓMEROS (CAUCHOS)

10.9 ELASTÓMEROS (CAUCHOS)

Los elastómeros, o cauchos, son materiales poliméricos cuyas dimensiones pueden cambiar en gran medida cuando se someten a esfuerzos y cuando retornan a sus dimensiones originales (o casi) al cesar la fuerza deformante. Hay muchos tipos de materiales elastoméricos caucho natural, poliisopreno sintético, caucho de estireno-butadieno, cauchos de nitrilo, policloropreno y siliconas.

10.9.1 Caucho natural

Producción El caucho natural se produce comercialmente a partir del látex del árbol Hevea brasiliensis, que se cultiva en plantaciones, especialmente en las regiones tropicales del sudeste asiático, sobre todo en Malasia e Indonesia.

La fuente del caucho natural es un liquido lechoso conocido como látex, el cual es una suspensión que contiene partículas muy pequeñas de caucho. El látex líquido se recolecta de los árboles y se lleva a un centro de procesamiento, donde el látex en bruto se diluye hasta alcanzar 15 por ciento de contenido de caucho y luego se coagula con ácido fórmico (un ácido orgánico). El material coagulado se comprime entonces a través de rodillos para eliminar el agua y producir un material en forma de lámina. Las laminas se secan, ya sea mediante corrientes de aire caliente o por el calor de humos de hogueras (hojas ahumadas de caucho). Las hojas laminadas y otros tipos de caucho crudo generalmente son procesados entre pesados rodillos, en los cuales la acción del esfuerzo mecánico rompe algunas de las cadenas largas del polímero y reduce su peso molecular promedio. La producción de caucho natural representó casi 30 por ciento del mercado mundial de caucho en 1980.

Estructura El caucho natural es principalmente cis-1,4 poliisopreno mezclado con pequeñas cantidades de proteínas, lípidos, sales inorgánicas y gran número de otros compuestos. El cis-1,4 poliisopreno es un polímero de cadena larga (peso molecular promedio de, aproximadamente, 5 Å) y tiene la siguiente fórmula estructural:

Las cadenas del polímero de caucho natural son largas, están enredadas y enrolladas, y a temperatura ambiente se encuentran en un estado de agitación continua. La distribución de los enlaces covalentes en la cadena de polímero de caucho natural se muestra esquemáticamente a continuación:

Vulcanización (curado) La vulcanización es el proceso químico por medio del cual las moléculas del polímero se unen mediante enlaces entrecruzados, formando moléculas más largas que restringen el movimiento molecular. En 1839 Charles Goodyear10 descubrió un proceso de vulcanización para el caucho, usando azufre y un carbonato de plomo básico. Goodyear encontró que cuando una mezcla de caucho natural, azufre y carbonato de plomo se calientan, el caucho deja de ser termoplástico y se convierte en un material elastomérico. El resultado final es que algunos de los dobles enlaces de las moléculas de poliisopreno se rompen y forman enlaces entrecruzados de átomos de azufre, como se muestra en la figura 10 . 41.

Modelo de las cadenas de enlace entrecruzado del cis-1,4 poliisopreno por átomos de azufre (sombreado más oscuro).

En la figura 10 . 42 se muestra esquemáticamente cómo los átomos de azufre, al formar enlaces cruzados, imparten rigidez a las moléculas de caucho, y en la figura 10 . 43 se muestra cómo se incrementa la resistencia a la tensión del caucho natural por medio de la vulcanización. Debido a que el caucho y el azufre reaccionan muy lentamente, incluso a temperaturas elevadas, para acortar el tiempo de curado a temperaturas elevadas se mezclan generalmente sustancias químicas aceleradoras con el caucho, junto con otros aditivos como cargas, plastificantes y antioxidantes.

Figura 10.43

De ordinario, los cauchos blandos endurecidos contienen cerca de 3 por ciento en peso de

azufre y para su vulcanización o fraguado se calientan en un rango de 100 a 200°C. Si se incrementa el contenido de azufre, los enlaces entrecruzados se incrementarán también, produciendo un material más duro y menos flexible. Se puede producir una estructura totalmente rígida de caucho duro con 45 por ciento de azufre, aproximadamente. El oxígeno o el ozono reaccionan también con los enlaces dobles del carbono de las moléculas del caucho, en forma similar a la reacción de vulcanización de azufre, y provocan que el caucho se vuelva frágil. Esta reacción de oxidación puede ser retardada hasta cierto punto añadiendo antioxidantes cuando se prepara el caucho. El uso de cargas puede reducir el costo del producto del caucho y también reforzar el material. El negro de carbon(s un material producido por la combustión incompleta de los productos derivados del petróleo. Es una forma de carbono amorfo, El negro de carbón se usa a menudo como pigmento y como refuerzo en productos de goma y plástico) se usa comúnmente como carga para el caucho y, en general, mientras más fino sea el tamaño de la partícula del negro de carbon, más alta será la resistencia a la tension, aumenta también la resistencia del caucho a la rasgadura y la abrasión. Las arenas silíceas (por ejemplo, silicato de calcio) y las arcillas alteradas químicamente, se usan también como cargas para reforzar el caucho. Propiedades En la tabla 10 . 8 se comparan propiedades de resistencia a la tensión, alargamiento y densidad del caucho natural endurecido con las de otros elastómeros sintéticos. Obsérvese que, como es lógico suponer, la resistencia a la tensión de estos materiales es relativamente baja y su alargamiento es extremadamente alto.

Diagramas de tensión y deformación para caucho natural vulcanizado y sin vulcanizar.

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