Explicación de la vulcanización: definición, química, proceso, equipos y parámetros

¿Qué es la vulcanización? Una respuesta directa

La vulcanización es el proceso químico que convierte el caucho crudo, fluido y pegajoso, en un producto fuerte, elástico y duradero mediante la creación de enlaces cruzados entre cadenas de polímeros. Para la mayoría de los elastómeros de uso general, El azufre es el agente reticulante y la reacción es impulsada por el calor, el tiempo y la presión. . El proceso es irreversible: una vez que el caucho se vulcaniza, no se puede fundir ni remodelar.

El descubrimiento se atribuye a Charles buenoyear en 1839, cuando accidentalmente dejó caer caucho natural tratado con azufre sobre una estufa caliente y notó que el material se endurecía sin volverse pegajoso nuevamente. Esa observación creó la moderna industria del caucho. Hoy en día, todos los productos de caucho, desde juntas tóricas y mangueras hasta suelas de zapatos y cintas transportadoras, pasan por un paso de vulcanización antes de poder realizar su función.

Datos clave a tener en cuenta:

• La dosis de azufre para productos moldeados flexibles suele ser de 1,0 a 3,5 phr (partes por cien de caucho).
• El caucho natural vulcanizado alcanza resistencias a la tracción de 20 a 30 MPa en compuestos de goma y superiores con cargas de refuerzo.
• Las temperaturas de curado varían de 140 a 200 °C dependiendo del polímero y del sistema de curado.
• Una pieza correctamente vulcanizada recupera su forma original después de la deformación y ya no se ablanda cuando se calienta.

La química detrás de la vulcanización

Cómo el azufre reticula las cadenas de caucho

El caucho natural y otros polímeros dienos contienen dobles enlaces en su columna vertebral. A la temperatura de curado, estos enlaces se abren y reaccionan con el azufre para formar puentes de azufre entre cadenas vecinas. Los puentes, ya sean monosulfuro, disulfuro o polisulfuro, bloquean las cadenas en una red tridimensional. Antes de la vulcanización, las cadenas se deslizan unas sobre otras bajo tensión; Después de la vulcanización, la red se estira y retrocede elásticamente. El número de puentes, conocido como densidad de reticulación, determina la dureza, el módulo y la resiliencia de la pieza final.

Los aceleradores y activadores hacen que el curado sea práctico

El azufre por sí solo reacciona tan lentamente que el calentamiento directo produce resultados desiguales. Los compuestos prácticos se basan en aceleradores (tiazoles, sulfenamidas, tiuramos, ditiocarbamatos) y activadores como el óxido de zinc y el ácido esteárico para acelerar y controlar la reacción. Un paquete de curado representativo de uso general contiene 1,5-2,5 phr de azufre, 0,5-1,5 phr de acelerador, 3,0-5,0 phr de óxido de zinc y 1,0-2,0 phr de ácido esteárico. La relación acelerador-azufre determina el tipo de reticulación: los sistemas con alto contenido de azufre y bajo acelerador forman enlaces polisulfídicos flexibles con una excelente vida útil a la fatiga, mientras que los sistemas con bajo contenido de azufre y alto acelerador (EV) forman enlaces monosulfídicos termoestables con una deformación por compresión más baja.

Muchas plantas simplifican la dosificación y evitan errores de pesaje comprando paquetes de aceleradores de azufre premezclados de un proveedor de compuestos. La dispersión consistente del paquete de curado mejora directamente la consistencia del curado de un lote a otro.

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Cómo la vulcanización cambia las propiedades del caucho

Caucho crudo versus caucho vulcanizado

La diferencia es dramática. El caucho natural en bruto es pegajoso, se ablanda cuando se calienta, se endurece y se agrieta en climas fríos y fluye permanentemente bajo carga sostenida. El caucho vulcanizado permanece elástico entre -40 y 100 °C aproximadamente en el caso del caucho natural, resiste mucho mejor a aceites y disolventes y vuelve a su forma original después de repetidas deformaciones. El cambio en la resistencia a la tracción por sí solo supone una mejora de cinco a diez veces en la mayoría de los compuestos.

Por qué la densidad de enlace cruzado es el factor decisivo

Muy pocas reticulaciones y la pieza se comporta como un producto débil y poco curado. Demasiados y la red se vuelve tan rígida que la goma se rompe en lugar de estirarse. El diseño compuesto eficaz tiene como objetivo la densidad de reticulación que se adapta a la aplicación: los soportes antivibración requieren un equilibrio diferente al de una hoja de escurridor, y ambos difieren de un rodillo de impresión. Entendiendo el propiedades características de los materiales de caucho hace que sea más fácil ver por qué el nivel de curado se establece con tanto cuidado para cada aplicación.

Comparación de sistemas de curado

No toda la vulcanización utiliza la misma química. Las demandas mecánicas y térmicas de la pieza final determinan qué sistema se selecciona.

Cómo elegir un sistema de curado

Los productos de caucho natural y SBR destinados a cargas dinámicas, como neumáticos, soportes y amortiguadores, generalmente utilizan sistemas convencionales o semi-EV para resistir la fatiga. Las aplicaciones resistentes al calor, como los sellos del compartimiento del motor, favorecen los sistemas EV o de peróxido. El EPDM y la silicona curados con peróxido ofrecen la deformación por compresión más baja, pero el tipo de peróxido debe coincidir con el historial de calor del polímero y el espesor de la pared de la pieza.

Equipos y métodos de vulcanización industrial.

Moldeo por compresión en prensas calentadas

El caballo de batalla para productos moldeados es la prensa vulcanizadora hidráulica. Un operador coloca una pieza preformada en un molde calentado, cierra la prensa y mantiene la presión durante el tiempo de curado requerido. Son típicas temperaturas de platina de 150-180 °C y presiones de sujeción de 15-25 MPa. Las prensas de vacío van un paso más allá al evacuar la cavidad antes de la sujeción completa, evitando el atrapamiento de aire, ampollas y esquinas sin rellenar en piezas complejas.

Para piezas técnicas con exigentes requisitos de densidad y superficie, un máquina de vulcanización de prensado en caliente al vacío es la opción de producción preferida. Quitar el aire antes del curado es especialmente valioso para secciones gruesas y compuestos de alta dureza.

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Moldeo por inyección para piezas de precisión de gran volumen

El moldeo por inyección plastifica el caucho en una unidad de tornillo y lo inyecta en un molde cerrado y calentado, donde se produce el curado. Los tiempos de ciclo son más cortos que los del moldeo por compresión porque el compuesto llega a la cavidad ya calentado. Las juntas tóricas, los sellos de conectores y las pequeñas juntas de precisión se producen comúnmente de esta manera. La contrapartida es un mayor costo de herramientas y maquinaria, por lo que el moldeo por inyección se amortiza cuando los volúmenes de producción son lo suficientemente grandes como para amortizar la inversión.

Autoclaves y prensas de banda para productos de gran superficie

Los rodillos, los tanques revestidos de goma, las uniones de cables y las cintas transportadoras no caben dentro de una prensa estándar. Estos productos curan en autoclaves con vapor presurizado o aire caliente, o en prensas de banda continua y rotocuradores. La ventaja clave es la presión uniforme sobre grandes superficies, lo cual es fundamental para la adhesión entre caucho y tela o sustratos metálicos.

Curado continuo de perfiles extruidos

Los burletes, perfiles de sellado, mangueras y cables para automóviles se curan continuamente a medida que salen del extrusor. Los tres métodos principales son los túneles de aire caliente, los túneles de microondas y los baños de sal (LCM). El curado por microondas calienta el perfil volumétricamente, haciéndolo rápido para secciones transversales gruesas. Los baños de sal ofrecen una excelente transferencia de calor, pero las piezas deben lavarse minuciosamente después.

A Línea de coextrusión de caucho y curado por microondas. Combina la extrusora, el túnel de microondas, la sección de aire caliente, el baño de enfriamiento y el transporte en un proceso controlado, por lo que es la opción estándar para la producción de perfiles de alto rendimiento.

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Parámetros del proceso y curva de curado

Lectura de la curva del reómetro

Un reómetro de matriz móvil registra el estado de curado a lo largo del tiempo a una temperatura fija. Tres números importan en la producción: tiempo de quemado (ts2), el inicio de la reticulación; tc90, el tiempo para alcanzar el 90 por ciento del curado completo y el tiempo de curado práctico; y la meseta o pendiente de reversión. Una meseta estable significa que el producto tolera pequeñas variaciones de tiempo; una pendiente de reversión pronunciada significa que es fundamental un control estricto de la temperatura.

Transferencia de calor y espesor de pieza

El caucho conduce mal el calor, aproximadamente 0,15-0,25 W/(m·K), aproximadamente una décima parte del acero. En un molde de compresión, el centro de una parte gruesa alcanza el curado completo mucho después que la piel exterior. La práctica industrial añade aproximadamente 1 a 2 minutos de tiempo de curado por cada milímetro adicional de espesor de pared. Es por eso que los productos espesos utilizan temperaturas de molde más bajas para evitar un curado excesivo de la superficie mientras el interior aún está insuficientemente curado.

Composición y preparación antes de la vulcanización

La vulcanización comienza en la sala de compuestos. Si el paquete de curado es desigual, la prensa no puede compensarlo. Tres pasos de preparación tienen un impacto enorme en la calidad final:

1. Pesaje preciso: una variación de solo 0,1 phr en el azufre puede cambiar el tc90 en varios porcentajes, por lo que se recomiendan básculas digitales y sistemas de dosificación automatizados.
2. Mezclado final en frío: el azufre y los aceleradores se añaden en un molino de dos rodillos o en un paso final del mezclador interno, normalmente en un amasadora presurizada , mantenido por debajo de la temperatura abrasadora.
3. Eliminación de contaminantes: muchas plantas pasan el compuesto a través de un colador de goma de alimentación caliente equipado con una malla fina antes del preformado, eliminando aglomerados no dispersos y materias extrañas que provocan líneas de flujo y espiráculos.

El preformado también merece atención. Los espacios en blanco de peso y forma constantes reducen la variación de curado porque cada cavidad se llena de la misma manera, con el mismo historial de calor y la misma distribución de presión.

Defectos comunes de vulcanización y cómo evitarlos

Incluso un compuesto bien diseñado puede producir piezas defectuosas si no se controla la vulcanización. Los siguientes defectos representan la mayoría de los rechazos en el moldeado y extrusión de caucho:

• Abrasador: reticulación prematura en el mezclador, preformador o cilindro de inyección. Se manifiesta como superficies rugosas, molduras cortas o grumos duros. Prevención: reducir la temperatura del proceso, agregar retardadores de combustión, acortar el tiempo de permanencia.
• Curado insuficiente: piezas blandas y débiles con alta deformación por compresión. Prevención: verifique la temperatura real del molde con una sonda, extienda el tiempo de curado a tc90 y vuelva a verificar la receta si el problema se repite.
• Reversión: el caucho natural pierde resistencia y resiliencia cuando se mantiene a altas temperaturas durante demasiado tiempo. Prevención: reducir la temperatura del molde, cambiar a sistemas de curado semi-EV o EV, o utilizar un polímero resistente a la reversión.
• Porosidad y ampollas: huecos internos debido al aire atrapado, la humedad o ingredientes volátiles. Prevención: utilice una prensa de vacío, seque todos los ingredientes de la composición y haga las preformas con precisión.
• Marcas de flujo y disparos cortos: la cavidad no se llena completamente, a menudo en bordes finos. Prevención: aumentar el flujo de material, aumentar la inyección o la presión de sujeción, mejorar la forma de la preforma y acelerar la inyección.

Preguntas frecuentes

¿Es lo mismo vulcanización que curado?

Sí. En la industria del caucho, las palabras se usan indistintamente. Estrictamente hablando, la vulcanización originalmente significaba la reticulación con azufre de cauchos diénicos, pero el término ahora cubre cualquier reacción de reticulación que convierte un compuesto de caucho en un producto elástico, incluidos los sistemas de peróxido y óxido metálico.

¿Se pueden vulcanizar todos los cauchos con azufre?

No. Los cauchos dienos con dobles enlaces, como el caucho natural, SBR, NBR, EPDM y butilo, responden bien al curado con azufre. Los cauchos sin esos dobles enlaces, incluida la silicona (VMQ), muchos grados de caucho fluorado (FKM), EPM y algunos compuestos HNBR, requieren peróxido o sistemas de curado especiales.

¿Qué temperatura se necesita para la vulcanización?

El curado industrial suele oscilar entre 140 y 200 °C. La mayoría de los productos moldeados se curan a 150-180 °C. Las temperaturas más altas acortan el tiempo del ciclo pero aumentan el riesgo de quemaduras y reversión. Los artículos gruesos se curan a temperaturas más bajas porque el caucho conduce el calor lentamente.

¿Cuánto tiempo lleva la vulcanización?

Una junta moldeada delgada puede curar en 3 a 8 minutos a 160 °C. Un rodamiento o rodillo grueso puede tardar entre 30 y 60 minutos o más. Las líneas continuas de microondas curan perfiles extruidos en 1 a 5 minutos, y el curado en autoclave de rodillos grandes puede durar varias horas.

¿Qué sucede si el caucho se sobrevulcaniza?

El curado excesivo aumenta la dureza y reduce el alargamiento. En el caucho natural, el calor prolongado puede romper los enlaces cruzados polisulfídicos, provocando su reversión, donde la superficie se vuelve blanda y pegajosa. Por lo tanto, el tiempo de curado de producción se fija en tc90, el tiempo para alcanzar el 90 por ciento del curado completo, en lugar del estado de curado máximo absoluto.

¿Se puede reciclar el caucho vulcanizado?

El caucho vulcanizado es termoestable, por lo que no se puede volver a fundir ni moldear como un termoplástico. Se puede moler hasta obtener caucho granulado para pisos, superficies de juegos infantiles y productos reciclados moldeados. Existen procesos de desvulcanización, pero aún no son económicos a escala industrial amplia.

Conclusión: la vulcanización es el corazón de la fabricación de caucho

La vulcanización es el paso que convierte un compuesto polimérico en un material de ingeniería con resistencia, elasticidad y durabilidad predecibles. La elección del sistema de curado, método de moldeo o extrusión y los parámetros del proceso determinan tanto la calidad de la pieza como el costo de producirla.

Para los gerentes de producción e ingenieros de procesos, el camino más directo para lograr menos rechazos y un menor costo por pieza es controlar la curva de curado en cada lote, verificar las temperaturas del molde con regularidad y mantener el compuesto libre de contaminación. Un paquete de curado bien diseñado, medido con un reómetro y combinado con la prensa o línea continua adecuada, da el mismo resultado lote tras lote.

Los proveedores que ofrecen tanto la química como la maquinaria, desde aceleradores hasta prensas de curado y líneas de microondas, simplifican considerablemente esta integración. Comenzar con una receta probada y el equipo de producción adecuado elimina la mayoría de las conjeturas sobre la vulcanización.