Vulcanizzazione: storia e chimica

La vulcanizzazione è un processo mediante il quale sono modificate le proprietà fisiche della gomma naturale o sintetica. Essa diventa poco rigonfiabile a contatto con solventi organici, maggiormente resistente alla trazione e all’abrasione e assume elasticità in un ampio intervallo di temperatura.

Storia

L’uso della gomma naturale, materiale polimerico di origine naturale, come sostanza idonea a ottenere prodotti finiti era già noto negli anni ’30 del XIX secolo.

Le limitazioni all’uso del materiale erano dovute al fatto che la gomma naturale è molto sensibile alle variazioni di temperatura. Infatti  diventa morbida e appiccicosa quando è calda e dura quando è fredda in quanto cristallizza a una temperatura di poco al di sotto dei 5°C.

Il chimico statunitense Charles Goodyear nel 1839 trovò che una miscela di gomma e zolfo, a seguito di riscaldamento, diventava un solido elastico e resiliente sia alle alte che alle basse temperature.

“La vita non dovrebbe essere valutata esclusivamente dallo standard di dollari e centesimi. Io non sono disposto a lamentarmi per aver piantato semi di cui altri raccoglieranno i frutti. Un uomo ha da rammaricarsi solo quando semina e nessuno raccoglie.”

Chimica

La 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

Lo zolfo aggiunto alla gomma naturale non è semplicemente solubilizzato o disperso ma si combina con i siti di insaturazione. Si forma a una macromolecola in cui si verifica una reticolazione responsabile del comportamento elastico.

La gomma è quindi convertita in un solido che non ha un comportamento dipendente dalla temperatura a causa dei legami tra lo zolfo e il polimero.

Inoltre l’aggiunta di zolfo rende le molecole meno regolari fenomeno che ostacolare notevolmente la cristallizzazione e quindi l’indurimento a basse temperature.

Fu lo stesso Goodyear a scoprire che l’uso di un’ulteriore sostanza chimica potesse accelerare la vulcanizzazione e farla avvenire a temperature inferiori. Tali sostanze, note come acceleratori, sono spesso carbone o zinco.

L’interconnessione delle catene polimeriche può anche essere fatta con reagenti diversi dallo zolfo tramite reazioni radicaliche che non richiedono la presenza di siti di insaturazione.

I radicali liberi possono essere formati, ad esempio, tramite radiazioni U.V.. Dalla molecola dell’elastomero viene strappato un idrogeno tramite scissione omolitica lasciando un carbonio radicalico altamente reattivo.

Quest’ultimo si legherà ad un altro carbonio radicalico con ottenimento di un legame carbonio-carbonio e conseguente reticolazione della molecola.

Vulcanizzazione del poliisoprene

La vulcanizzazione è un processo chimico fondamentale per trasformare il poliisoprene da una gomma morbida e appiccicosa in un materiale elastico, resistente e durevole. Introdotto da Charles Goodyear nel 1839, questo trattamento consiste nel riscaldare il polimero in presenza di zolfo o di altri agenti reticolanti, dando origine a legami incrociati (cross-linking) tra le catene macromolecolari. Nel caso del cis-1,4-poliisoprene, i doppi legami residui lungo la catena polimerica rappresentano siti reattivi dove lo zolfo può formare ponti disolfuro (-S-S-) o polisolfuro (-Sₙ-), creando così una rete tridimensionale che migliora notevolmente le proprietà meccaniche del materiale.

La vulcanizzazione conferisce al poliisoprene una maggiore resistenza alla trazione, all’abrasione, al calore e all’invecchiamento ossidativo, riducendo allo stesso tempo la deformazione permanente sotto carico. La densità e la natura dei ponti di zolfo possono essere modulati in base alle esigenze: un grado più elevato di reticolazione conferisce maggiore durezza, mentre una reticolazione più blanda mantiene una buona elasticità.

Il processo può essere ulteriormente ottimizzato con l’aggiunta di acceleranti, attivatori (come ossido di zinco e acido stearico), e antiossidanti, che migliorano la cinetica della reazione e la stabilità del materiale nel tempo. Grazie alla vulcanizzazione, il poliisoprene diventa adatto a un’ampia gamma di applicazioni ad alte prestazioni, come pneumatici, guarnizioni, nastri trasportatori, componenti antivibranti e dispositivi medicali.

In sintesi, la vulcanizzazione rappresenta una tappa cruciale nel conferire al poliisoprene sintetico le prestazioni funzionali tipiche della gomma naturale, trasformandolo in un materiale ingegneristico versatile ed essenziale per molte industrie moderne.

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