Un nuovo approccio modellistico per prevedere l’evoluzione del processo del sughero

Aug 12, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8002 (2022) Citare questo articolo

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Per prevedere l’evoluzione del processo di vulcanizzazione delle lastre di sughero-gomma, è stato sviluppato un approccio numerico che combina il trasferimento di calore per conduzione e modelli cinetici. È stato applicato un modello unidimensionale per prevedere l’evoluzione della temperatura e del grado di polimerizzazione nelle diverse fasi della vulcanizzazione di un composito sughero-gomma. Inoltre, a causa del degrado verificatosi dal composto, è stato aggiunto al problema un modello di reversione già esistente. Sulla base dei dati del reometro, sono stati determinati i parametri di cura e reversione. I dati sperimentali sono stati utilizzati per determinare le proprietà termiche del composto, assumendo un valore costante o in base al suo grado di polimerizzazione e alla temperatura. I risultati ottenuti dalla simulazione hanno mostrato una buona corrispondenza con i risultati sperimentali, anche assumendo proprietà termiche costanti. L'applicazione della metodologia proposta fornisce informazioni sui parametri di processo ottimali per ogni lastra di spessore, senza compromettere l'omogeneità e le caratteristiche del prodotto finale, che può essere uno strumento prezioso durante le fasi di sviluppo e di produzione dei compositi sughero-gomma.

I compositi sughero-gomma sono materiali elastomerici composti da una matrice di gomma riempita con granuli di sughero. La presenza del sughero contribuisce al miglioramento del recupero e alla riduzione del flusso laterale, grazie al suo basso rapporto di Poisson, quando il composito è sottoposto a carichi di compressione. Inoltre, fornisce la stabilità chimica della miscela di gomma. A seconda del tipo di gomma, questi compositi hanno una buona resistenza ai fluidi che li rende adatti ad applicazioni come guarnizioni utilizzate nell'industria automobilistica o energetica, ad esempio. Altre applicazioni dei compositi sughero-gomma includono scopi di isolamento dalle vibrazioni o acustici, sotto forma di cuscinetti. La produzione di materiali compositi sughero-gomma è simile a quella di altre mescole di gomma1,2. Alla formulazione di una mescola di gomma, i granuli di sughero vengono aggiunti durante le fasi di miscelazione, insieme ad altre materie prime come agenti vulcanizzanti, attivatori di vulcanizzazione, riempitivi rinforzanti, coadiuvanti di processo, antidegradanti, tra gli altri. Dopo essere passato attraverso un mulino a due rulli per ottenere un impasto omogeneo e una lastra di spessore costante, il materiale viene posto all'interno di uno stampo metallico e vulcanizzato in una pressa a compressione.

Il processo di vulcanizzazione risulta da una combinazione di due fenomeni: trasferimento di calore e reazione di polimerizzazione3. Questa fase è considerata un passo cruciale verso il raggiungimento delle caratteristiche finali ottimali di un prodotto in gomma. Durante la vulcanizzazione si creano legami incrociati tra catene polimeriche, generalmente con rilascio di energia, trasformando le proprietà del materiale4. Le proprietà fisiche e meccaniche dei prodotti in gomma sono molto legate ai parametri di vulcanizzazione, come riportato da altri autori5,6.

Per controllare l'evoluzione delle reazioni di polimerizzazione, possono essere applicati diversi metodi tra cui la calorimetria differenziale a scansione (DSC), il reometro a disco oscillante (ODR), l'analisi meccanica dinamica (DMA), il reometro a die mobile (MDR) e persino l'analisi dielettrica (DEA)7. In termini di reologia, il modulo di taglio di una mescola di gomma aumenta man mano che vengono creati nuovi legami incrociati. Un test MDR fornisce informazioni sull'evoluzione del grado di polimerizzazione di un campione di disco sottile quando sottoposto a un processo isotermico, attraverso la misurazione continua della coppia di uno degli stampi8. La reologia di una mescola di gomma può anche fornire informazioni sui parametri di polimerizzazione ottimali, come la temperatura e il tempo di vulcanizzazione, poiché queste sono variabili influenti in un processo di vulcanizzazione.

Tuttavia, ottenere le caratteristiche previste dai prodotti in gomma può essere difficile, a causa della geometria, delle caratteristiche della mescola e di altri aspetti del processo di produzione. L'applicazione di approcci modellistici come strumento per ottimizzare la vulcanizzazione della gomma è stata studiata da diversi autori. In generale, questi lavori presentano una metodologia che combina la cura con il problema del riscaldamento, compresi approcci basati su modelli9,10,11 e basati sui dati12,13.