Gomma naturale e gomme sintetiche

Con il termine gomma si intendono tutti quei materiali, naturali o sintetici, che presentano un marcato comportamento elastico, ossia la capacità di deformarsi sotto l’azione di una forza e di ritornare alla forma originaria una volta cessata la sollecitazione. Dal punto di vista chimico, tale proprietà è legata alla presenza di lunghe catene polimeriche flessibili, capaci di orientarsi e disordinarsi facilmente nello spazio, ma anche di recuperare l’assetto iniziale grazie ai legami chimici e fisici che le tengono unite.

La gomma naturale è conosciuta sin dall’antichità: già le popolazioni precolombiane dell’America centrale utilizzavano il lattice estratto da alcune piante per realizzare palloni, calzature e rivestimenti impermeabili. Tuttavia, la vera fonte di approvvigionamento industriale della gomma naturale è la Hevea Brasiliensis, un albero originario della foresta amazzonica, da cui si ricava il lattice mediante incisioni nella corteccia. Questo fluido lattiginoso, ricco di poliisoprene in sospensione acquosa, viene successivamente coagulato e lavorato per ottenere gomma grezza, che può essere ulteriormente trattata e vulcanizzata per migliorarne le proprietà meccaniche, la resistenza al calore e agli agenti chimici.

La diffusione della gomma naturale in Europa avvenne a partire dal XVI secolo, quando i primi esploratori spagnoli ne importarono campioni, ma fu solo nel XIX secolo, con la scoperta della vulcanizzazione da parte di Charles Goodyear (1839), che la gomma acquisì un ruolo centrale nello sviluppo industriale, trovando impiego in pneumatici, guarnizioni, rivestimenti e innumerevoli altri prodotti di largo consumo.

Storia della gomma naturale

Le proprietà e le applicazioni della gomma, note già in epoca precolombiana alle popolazioni indigene del Sudamerica, e descritte da Colombo e da altri esploratori europei, rimasero pressoché ignorate per molto tempo. Nel 1736 il geografo e matematico francese Charles-Marie de La Condamine tornò da una spedizione geografica in Amazzonia con numerosi rotoli di gomma grezza e con la descrizione dei prodotti fabbricabili con essa. Ciò riaccese l’interesse scientifico per questa sostanza e per le sue proprietà.

Nel 1791 il fabbricante britannico Samuel Peal brevettò un metodo per impermeabilizzare gli abiti, trattandoli con una soluzione di gomma in acqua ragia. L’instabilità delle proprietà della gomma, in particolare la forte dipendenza delle caratteristiche meccaniche ed elastiche dalla temperatura e in generale dalle condizioni esterne, rappresentava comunque il principale svantaggio di questa sostanza. I manufatti in caucciù, infatti,  diventavano rigidi e fragili in inverno e appiccicosi e maleodoranti in estate. Nel 1834 il chimico tedesco Friedrich Ludersdorf e il chimico statunitense Nathaniel Hayward scoprirono che l’aggiunta di zolfo alla gomma diminuiva sensibilmente la viscosità dei prodotti finiti.

Vulcanizzazione

Partendo da questo presupposto, nel 1839 l’inventore statunitense Charles Goodyear scoprì che riscaldando una miscela di gomma e zolfo si eliminava il cattivo odore della sostanza, stabilizzandone al contempo le proprietà meccaniche; questo processo, detto “vulcanizzazione“, rimane tuttora alla base della lavorazione della gomma. La gomma vulcanizzata presenta maggiore resistenza ai cambiamenti di temperatura, alle abrasioni, agli agenti chimici e all’elettricità rispetto alla sostanza non trattata.

Quando si è conosciuta la struttura chimica della gomma naturale si è riusciti ad ottenere altre sostanze dotate delle stesse proprietà e il termine gomma è stato esteso a tutti i prodotti naturali e artificiali che hanno lo stesso comportamento elastico. Si tratta di macromolecole costituite da lunghe catene polimeriche, più o meno raggomitolate e distribuite casualmente le quali, se sono distese riprendono la loro forma originaria. La gomma naturale e quelle sintetiche allo stato grezzo non sono impiegate, poiché le loro caratteristiche, sia meccaniche che elastiche, sono scadenti. Tuttavia, modificando la loro struttura, riunendo tra loro le catene si ottiene una struttura tridimensionale più stabile, che consente di conservare la elasticità entro limiti molto più ampi.

Gomma naturale o caucciù.

La gomma naturale o caucciù è un polimero dell’isoprene il cui nome IUPAC è 2-metil-1,3-

butadiene  idrocarburo alifatico del gruppo delle diolefine, omologo del butadiene

Il poliisoprene ha la struttura riportata in figura

Al poliisoprene, che costituisce circa il 94% della gomma naturale sono associati acidi grassi, proteine a altre sostanze che agiscono da stabilizzanti.

La gomma naturale diventa soffice per riscaldamento ed ha quindi scadenti proprietà meccaniche. Infatti le lunghe catene polimeriche sono legate le una alle altre solo da deboli forze attrattive che sono minimizzate mediante agitazione termica.

La vulcanizzazione consente di introdurre, fra le lunghe molecole, dei legami dovuti a ponti solfuro:

Gomme sintetiche

La polimerizzazione dell’isoprene avviene ad alte temperature e in presenza di catalizzatori.

La preparazione della gomma sintetica è eseguita mediante copolimerizzazione, ovvero polimerizzando insieme una miscela di butadiene con una mono-olefina.

Tipica gomma sintetica è quella denominata Buna S o GRS che viene ottenuta polimerizzando in emulsione butadiene, CH₂=CH-CH=CH₂ e stirene C₆H₅CH=CH₂ nel rapporto 77:23 Il butadiene dà prodotti di addizione specie sugli atomi di carbonio 1 e 4 con spostamento del doppio legame sugli atomi centrali.

Il copolimero è separato dall’emulsione per acidificazione come il lattice della gomma naturale. Il Buna S si può vulcanizzare come la gomma naturale e si rinforza mediante l’aggiunta di nerofumo.

Con procedimento simile si ottengono altre gomme sintetiche come, ad esempio, il Buna N o GRN che si prepara dalla copolimerizzazione del butadiene con l’acrilonitrile CH₂=CH-C≡N.

La gomma butile o GRI si forma in seguito alla reazione tra 2-metilpropene (isobutene) e butadiene.

Il polibutadiene è un polimero del butadiene che viene impiegato nella polimerizzazione degli pneumatici per automobili. L’addizione 1,2 di unità monomeriche di butadiene origina 1,2-polibutadiene, che presenta gruppi vinilici CH₂=CH-. L’addizione 1,4 produce, invece due differenti isomeri cis e trans: cis 1,4-polibutadiene e trans 1,4-polibutadiene.

Il meccanismo della polimerizzazione dipende dalle condizioni di reazione e, in particolare dai catalizzatori utilizzati. La formazione di ponti, dovuti alla presenza dei doppi legami rende conto dell’elasticità del polimero.

Un’altra gomma sintetica è il neoprene che può essere ottenuto polimerizzando il cloroprene in presenza di catalizzatori Ziegler-Natta

Si presenta come una gomma porosa, le cui principali caratteristiche sono:

• elasticità
• resistenza al taglio e allo schiacciamento
• resistenza all’invecchiamento e al calore
• inerzia verso molti agenti chimici.

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