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Articoli - Archivio

03/11/2014
L'IMPORTANZA DELLA VULCANIZZAZIONE

I legami trasversali


Le caratteristiche del prodotto finale sono legate non solo alla composizione di partenza, ma anche alle modalità con le quali si svolge questa critica fase del processo di fabbricazione

Massimo Clarke

Quando si parla di mescole viene spontaneo pensare fondamentalmente agli elastomeri e ai filler utilizzati per produrle e alla quantità di ciascuno di essi. Ci sono però altri fattori di grande importanza che devono essere considerati, ovvero il tipo e le percentuali degli additivi presenti nel materiale di partenza, oltre alle modalità con le quali ha luogo la vulcanizzazione. Quest’ultima come noto è costituita dalla formazione di una serie di legami trasversali, che uniscono le lunghe catene di macromolecole creando un vero e proprio reticolo tridimensionale. In questo modo l’elastomero “crudo” viene trasformato in un materiale dalle caratteristiche superiori e dal comportamento fortemente elastico. I legami in questione infatti impediscono che le catene polimeriche possano scorrere liberamente tra loro (come avviene in assenza di vulcanizzazione), cosa che darebbe luogo a deformazioni permanenti, ovvero a un comportamento plastico del materiale. La presenza dei legami trasversali fa sì che sotto l’azione di una forza perturbatrice il materiale si deformi, ma elasticamente, ossia in maniera temporanea. Una volta cessata la sollecitazione, le catene tornano nella posizione di partenza (al massimo, se si rompono alcuni legami, si può avere una deformazione permanente di entità molto lieve). La vulcanizzazione fa aumentare la resistenza a trazione, il modulo elastico e la durezza del materiale, nonché la resistenza all’abrasione.

I legami trasversali prevedono la presenza di uno o più atomi di zolfo (nella maggior parte dei casi sono da 3 a 7); ciascuno di essi si unisce a due atomi di carbonio appartenenti a due diverse catene di polimero. 

Perché avvenga la vulcanizzazione occorre del calore ed è necessario che nel materiale di partenza sia presente una certa quantità di una sostanza avente caratteristiche tali da determinare la formazione dei legami. Nel nostro caso, ovvero nel mondo dei pneumatici, si tratta di un elemento, lo zolfo, che è il vero e proprio “principe” degli agenti vulcanizzanti. Questo però non è sufficiente, se non altro perché il procedimento richiederebbe ore. Si impiegano quindi degli opportuni additivi, a cominciare dagli acceleranti. Devono poi essere utilizzati anche uno o più attivatori. In questo modo si crea un vero e proprio “sistema reticolante”. Il tipo e la quantità di ciascuno di questi additivi, più la durata della vulcanizzazione e la temperatura alla quale essa ha luogo, hanno un’influenza importante per quanto riguarda le caratteristiche finali della mescola, poiché determinano il numero, il tipo e la densità dei legami trasversali.

Non è ancora tutto perché non di rado si impiegano anche delle sostanze “donatrici di zolfo”. E poi ci sono i ritardanti e gli inibitori. Gli oli e i plasticizzanti sono additivi di notevole importanza, ma che agiscono diversamente; non influenzano la reticolazione ma piuttosto agevolano la miscelazione del prodotto grezzo (fase tutt’altro che semplice) e/o contribuiscono a determinare il comportamento, ovvero le prestazioni, del prodotto finale. Gli oli sono dei validi “ammorbidenti” e i plasticizzanti aumentano la flessibilità del materiale dopo la reticolazione, in particolare alle basse temperature.

Gli acceleranti, come dice il loro stesso nome, velocizzano la vulcanizzazione rendendo più rapida e agevole la formazione dei legami trasversali. La loro presenza inoltre consente di ridurre la temperatura di processo e la quantità di zolfo necessaria. Sono composti organici di vario tipo, la cui azione è anche influenzata dal tipo di mescola e dai parametri di vulcanizzazione.

L’ossido di zinco è un importantissimo attivatore che non solo velocizza la reticolazione ma migliora anche la stabilità termica dei legami; si impiega usualmente assieme a una piccola quantità di acido stearico (in alternativa, si utilizza direttamente stearato di zinco). La sua presenza in genere è considerata indispensabile.

I donatori di zolfo rendono possibile la formazione di legami trasversali anche in presenza di quantità molto ridotte di tale elemento. Possono perciò essere considerati acceleranti e agenti vulcanizzanti al tempo stesso.

La formazione dei legami trasversali tende a iniziare subito dopo la miscelazione (anzi, addirittura durante tale fase del processo produttivo) e questo va evitato in quanto ostacola la successiva fase, nella quale il materiale viene deformato in modo da fargli assumere la conformazione finale. Questa deformazione deve essere plastica, ovvero permanente, ma se il materiale è già diventato elastico a causa della reticolazione, la cosa risulta impossibile. La vulcanizzazione deve quindi iniziare quando previsto e non prima, per svolgersi poi con adeguata velocità e terminare nel momento giusto.

Perché ci sia una fase di adeguata durata nella quale ancora non iniziano a formarsi i legami, cosa indispensabile per lo svolgimento del previsto processo produttivo, si utilizzano gli additivi ritardanti ovvero gli inibitori della reticolazione precoce.   Durante la vulcanizzazione, mano a mano che tra le lunghe catene di polimero si formano i legami trasversali, aumentano la resistenza a trazione, la durezza e il modulo elastico del materiale. Proprio misurando quest’ultimo è possibile valutare l’andamento del processo e stabilire quando il grado di reticolazione ha raggiunto il valore ottimale. La cosa si fa utilizzando appositi apparecchi detti vulcametri, che misurano la coppia necessaria per ottenere e mantenere una determinata deformazione. E siccome tale coppia è proporzionale al modulo elastico, che a sua volta dipende dal numero dei legami trasversali, è possibile tracciare una curva reometrica, che mostra appunto come procede la vulcanizzazione in funzione del tempo. La durata del processo deve essere quella giusta; se è maggiore si forma un numero di legami trasversali superiore a quello ottimale. Al contrario, se la durata è minore, il numero dei legami risulta inferiore a quello necessario perché il prodotto finito possa fornire i migliori risultati. 

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