Joe Walter considera come potrebbero essere migliorati i processi di vulcanizzazione e vulcanizzazione dei pneumatici

Sep 01, 2023

Uno dei progressi fondamentali nella storia della gomma fu la scoperta che un pizzico di zolfo aggiunto alla gomma grezza, e poi riscaldato a temperature elevate, "curava" le sue carenze apparentemente insormontabili: appiccicosità estiva e fragilità invernale. Questo processo irreversibile di indurimento dello zolfo non solo ha invecchiato la gomma, ma ne ha anche migliorato le proprietà fisiche complessive attraverso la formazione di legami incrociati chimici o "ponti tridimensionali di zolfo" tra macromolecole a catena lunga intrecciate. L'aggiunta di più zolfo creava più legami incrociati mentre la gomma diventava più dura e meno isteretica. È interessante notare che la reticolazione mediante altri meccanismi avviene in molti fenomeni comuni come l'essiccazione della vernice e la frittura delle uova.

Il processo di indurimento che produce la reticolazione gomma-zolfo fu successivamente soprannominato vulcanizzazione in onore di Vulcano, il dio mitologico del fuoco. Tuttavia, la procedura originale, scoperta da Charles Goodyear nel 1839 (vedi Tire Legends, luglio 2016, p46), era lunga e noiosa, spesso richiedendo l’applicazione di calore per quattro o più ore. Da allora, i ricercatori di tutto il mondo hanno sperimentato additivi chimici combinati con gomma o altri meccanismi di vulcanizzazione in grado di ridurre i tempi di polimerizzazione. La combinazione di sostanze chimiche che promuovono la reticolazione è nota come sistema di vulcanizzazione o "pacchetto di cura".

Il pacchetto curativo odierno per le mescole degli pneumatici è composto da zolfo, un acceleratore e un attivatore. Lo zolfo, utilizzato a 3phr o meno, rimane il miglior agente reticolante per quasi tutte le mescole di gomma per pneumatici, siano esse naturali o sintetiche. Gli acceleratori riducono il tempo di polimerizzazione aumentando il tasso di reticolazione rispetto allo zolfo che agisce da solo. Gli attivatori assistono l'acceleratore promuovendo ulteriormente la reticolazione. Il pacchetto di polimerizzazione non viene aggiunto al composto non vulcanizzato fino alla fase finale o produttiva della miscelazione in fabbrica. I cicli di miscelazione precedenti, due o più, vengono eseguiti con la maggior parte degli altri ingredienti di mescola tra cui nerofumo, silice, antiossidanti, ecc. La fase di miscelazione finale contenente gli agenti vulcanizzanti è controllata a una temperatura inferiore (circa 110ºC) rispetto alle fasi precedenti (che vengono lavorate a temperature più elevate) perché la mescola di gomma potrebbe "bruciarsi" o reticolare prematuramente. Anche il controllo della storia del calore del composto durante le successive operazioni di fabbrica come l'estrusione e la calandratura è fondamentale per la sicurezza contro le bruciature. Una volta assemblati tutti i componenti, il pneumatico può essere vulcanizzato, solitamente a una temperatura compresa tra 145 e 160°C per 10-15 minuti per un pneumatico per automobile. Una notevole riduzione del tempo di vulcanizzazione (minuti, non ore) rispetto a quello richiesto nell'era di Charles Goodyear.

La ragione principale di questa significativa riduzione dei tempi di vulcanizzazione è la scoperta e l'uso di un'ampia gamma di acceleratori. Mentre lo zolfo elementare è rimasto sempre presente nelle mescole degli pneumatici da oltre 100 anni, lo stesso non vale per gli acceleratori, che si sono evoluti materialmente nel tempo. I primi acceleratori erano ossidi metallici inorganici di piombo o zinco, solitamente inclusi a carichi elevati. L'ossido di zinco è stato anche il principale agente rinforzante per le mescole dei pneumatici fino a quando non è stato sostituito dal nerofumo dopo la prima guerra mondiale. Tuttavia, il più grande progresso nella riduzione del tempo di polimerizzazione si è rivelato essere lo sviluppo di acceleratori organici all'inizio del XX secolo: la prima anilina e il suo derivato , tiocarbanilid, seguito da una serie di complicati materiali sintetizzati (per gli ingegneri) a partire dagli anni '20. Questi sono usati in piccole quantità e sono più facilmente riconoscibili dalle loro abbreviazioni come MBT (un tiazolo) e CBS (un sulfenamide); sviluppati decenni fa, entrambi sono ancora utilizzati oggi. In totale, i compoundatori hanno ora più di 100 acceleratori disponibili per l’uso.

Gli attivatori forniscono la spinta finale al sistema di polimerizzazione facendo sì che l'acceleratore reagisca in modo più efficiente con lo zolfo nel promuovere i legami incrociati. Il "gold standard" tra gli attivatori rimane l'ossido di zinco inorganico, solitamente a 2-3 phr, e l'acido stearico organico. Da notare che gli attivatori sono essenzialmente inefficaci nell'aumentare la quantità di reticolazione in assenza di un acceleratore.