Joe Walter analiza cómo se podrían mejorar los procesos de curado y vulcanización de neumáticos

Sep 01, 2023

Uno de los avances fundamentales en la historia del caucho fue el descubrimiento de que una pizca de azufre añadida al caucho en bruto, y luego calentado a temperaturas elevadas, "curó" sus deficiencias aparentemente insuperables: la pegajosidad en verano y la fragilidad en invierno. Este proceso irreversible de curado con azufre no solo endureció el caucho sino que también mejoró sus propiedades físicas generales mediante la formación de enlaces cruzados químicos o "puentes de azufre tridimensionales" entre macromoléculas de cadena larga entrelazadas. Agregar más azufre creó más enlaces cruzados mientras que el caucho se volvió más duro y menos histerético. Curiosamente, la reticulación mediante otros mecanismos se produce en muchos fenómenos comunes, como secar pintura y freír huevos.

El proceso de curado que produce la reticulación del caucho y el azufre fue posteriormente denominado vulcanización en honor a Vulcano, el dios mitológico del fuego. Sin embargo, el procedimiento original, descubierto por Charles Goodyear en 1839 (ver Tire Legends, julio de 2016, p46), consumía mucho tiempo y era tedioso, ya que a menudo requería la aplicación de calor durante cuatro o más horas. Desde entonces, investigadores de todo el mundo han experimentado con aditivos químicos combinados con caucho u otros mecanismos de vulcanización que reducirían los tiempos de curado. La combinación de productos químicos que promueven la reticulación se conoce como sistema de vulcanización o "paquete de curado".

El paquete de curación actual para los compuestos de neumáticos está compuesto de azufre, un acelerador y un activador. El azufre, utilizado a 3 phr o menos, sigue siendo el mejor agente reticulante para casi todos los compuestos de caucho para neumáticos, ya sean naturales o sintéticos. Los aceleradores reducen el tiempo de curado al aumentar la tasa de reticulación en comparación con el azufre que actúa solo. Los activadores ayudan al acelerador promoviendo aún más la reticulación. El paquete de curado no se agrega al compuesto no vulcanizado hasta la etapa final o productiva del mezclado en fábrica. Los ciclos de mezcla anteriores, dos o más, se ejecutan con la mayoría de los demás ingredientes de la composición, incluidos negro de carbón, sílice, antioxidantes, etc. La etapa de mezcla final que contiene los agentes vulcanizantes se controla a una temperatura más baja (alrededor de 110 ºC) que las etapas anteriores (que se procesan a temperaturas más altas) porque el compuesto de caucho podría "quemarse" o reticularse prematuramente. El control del historial de calor del compuesto durante las operaciones posteriores de la fábrica, como la extrusión y el calandrado, también es crucial para la seguridad contra quemaduras. Una vez ensamblados todos los componentes, el neumático se puede vulcanizar, generalmente en el rango de temperatura de 145 a 160 °C durante 10 a 15 minutos para un neumático de automóvil. Una gran reducción en el tiempo de vulcanización (minutos, no horas) respecto al requerido en la era de Charles Goodyear.

La razón principal de esta importante reducción del tiempo de vulcanización es el descubrimiento y uso de una amplia gama de aceleradores. Si bien el azufre elemental ha permanecido siempre presente en los compuestos de neumáticos durante más de 100 años, no ocurre lo mismo con los aceleradores, que han evolucionado materialmente con el tiempo. Los primeros aceleradores eran óxidos metálicos inorgánicos de plomo o zinc, normalmente incluidos en cargas elevadas. El óxido de zinc también sirvió como principal agente de refuerzo para los compuestos de neumáticos hasta que fue reemplazado por negro de humo después de la Primera Guerra Mundial. Sin embargo, el mayor avance en la reducción del tiempo de curado resultó ser el desarrollo de aceleradores orgánicos a principios del siglo XX: la primera anilina y su derivado. , tiocarbanilida, seguida de una serie de materiales sintetizados complicados (para los ingenieros) a partir de la década de 1920. Se utilizan en pequeñas cantidades y se reconocen más fácilmente por sus abreviaturas, como MBT (un tiazol) y CBS (una sulfenamida); desarrollados hace décadas, ambos todavía se emplean hoy en día. En total, los fabricantes de compuestos tienen ahora más de 100 aceleradores disponibles para su uso.

Los activadores brindan el impulso final al sistema de curado al hacer que el acelerador reaccione de manera más eficiente con el azufre para promover los enlaces cruzados. El "estándar de oro" entre los activadores sigue siendo el óxido de zinc inorgánico, generalmente a 2-3 phr, y el ácido esteárico orgánico. Es de destacar que los activadores son esencialmente ineficaces para aumentar la cantidad de reticulación en ausencia de un acelerador.

Desde sus inicios, los neumáticos para automóviles se han curado en un proceso por lotes que requiere mucho tiempo y mano de obra. ¿Es posible reducir aún más el tiempo de moldeo con un nuevo paquete de curado o procedimiento de vulcanización sin comprometer la calidad de los neumáticos? Por ejemplo, aunque la radiación completa con haz de electrones no ha demostrado ser comercialmente viable para los neumáticos, los plásticos como el PVC suelen reticularse en una operación continua mediante este método. ¿Están ahora totalmente optimizados los ciclos de curado de los neumáticos?

Ilustración: Phil Hackett