A finales de la década de 1930, Estados Unidos utilizaba más de la mitad del suministro mundial de caucho natural. Hoy en día, el caucho natural se puede encontrar en más de 50,000 productos manufacturados en los Estados Unidos, y Estados Unidos importa más de 3 mil millones de libras de caucho natural cada año. Sin embargo, más del 70 por ciento del caucho utilizado en los procesos de fabricación modernos es caucho sintético.
Fondo de caucho natural
El caucho natural comienza como látex. El látex consiste en un polímero llamado poliisopreno suspendido en agua. Las moléculas de cadena larga compuestas por muchas unidades (poli) individuales (meros) conectadas entre sí forman polímeros. El caucho es una forma especial de polímero llamada elastómero, lo que significa que las moléculas del polímero se estiran y flexionan.
Más de 2.500 plantas producen látex, un material de tipo savia similar a la leche. El algodoncillo puede ser la planta productora de látex más familiar para muchas personas, pero el látex comercial proviene de un solo árbol tropical, Hevea brasiliensis. Como sugiere el nombre, el árbol del caucho se originó en la zona tropical de América del Sur. Hace más de 3.000 años, las civilizaciones mesoamericanas mezclaron látex con jugo de gloria de la mañana para crear caucho. Cambiar la proporción de látex a jugo de gloria de la mañana cambió las propiedades del caucho. Desde pelotas saltarinas hasta sandalias de goma, los mesoamericanos conocían y usaban la goma.
Antes de 1900, la mayor parte del caucho natural provenía de árboles silvestres en Brasil. Cuando comenzó el siglo XX, la oferta y la demanda superaron a la producción con la creciente popularidad de las bicicletas y los automóviles. Las semillas sacadas de contrabando de Brasil dieron lugar a plantaciones de árboles de caucho en el sudeste asiático. En la década de 1930, los usos del caucho natural iban desde neumáticos en vehículos y aviones hasta las 32 libras que se encuentran en el calzado, la ropa y el equipo de un soldado. Para entonces, la mayor parte del suministro de caucho de EE. UU. Provenía del sudeste asiático, pero la Segunda Guerra Mundial cortó a EE. UU. De la mayor parte de su suministro.
Proceso de fabricación de caucho natural
El proceso de fabricación de caucho natural comienza con la recolección de látex de los árboles de caucho. La recolección de látex de los árboles de caucho comienza marcando o cortando la corteza del árbol. El látex fluye hacia una copa adherida a la parte inferior del corte en el árbol. El material de látex de muchos árboles se acumula en grandes tanques.
El método más común para extraer el caucho del látex utiliza la coagulación, un proceso que cuaja o espesa el poliisopreno en una masa. Este proceso se logra agregando un ácido como el ácido fórmico al látex. El proceso de coagulación dura unas 12 horas.
El agua se extrae del coágulo de caucho utilizando una serie de rodillos. Las láminas delgadas resultantes, de aproximadamente 1/8 de pulgada de espesor, se secan sobre rejillas de madera en ahumaderos. El proceso de secado generalmente requiere varios días. La goma de color marrón oscuro resultante, ahora llamada hoja de humo acanalada, se dobla en fardos para su envío al procesador.
Sin embargo, no todo el caucho se fuma. El caucho secado con aire caliente en lugar de fumar se llama hoja secada al aire. Este proceso da como resultado una mejor calidad de caucho. Un caucho de calidad aún mayor llamado caucho crepé pálido requiere dos pasos de coagulación seguidos de secado al aire.
Creando caucho sintético
A lo largo de los años se han desarrollado varios tipos diferentes de caucho sintético. Todos son el resultado de la polimerización (enlace) de moléculas. Un proceso llamado polimerización por adición une las moléculas en largas cadenas. Otro proceso, llamado polimerización por condensación, elimina una parte de la molécula a medida que las moléculas se unen. Ejemplos de polímeros de adición incluyen cauchos sintéticos hechos de policloropreno (caucho de neopreno), un caucho resistente al aceite y gasolina, y caucho de estireno butadieno (SBR), utilizado para el caucho que no rebota en neumáticos.
La primera búsqueda seria de caucho sintético comenzó en Alemania durante la Primera Guerra Mundial. Los bloqueos británicos impidieron que Alemania recibiera caucho natural. Los químicos alemanes desarrollaron un polímero a partir de unidades de 3-metilisopreno (2,3-dimetil-1,3-butadieno), [CH2= C (CH3) C (CH3) = CH2], a partir de acetona. Aunque este sustituto, el caucho de metilo, era inferior al caucho natural, Alemania fabricaba 15 toneladas por mes al final de la Primera Guerra Mundial.
La investigación continua condujo a cauchos sintéticos de mejor calidad. El tipo más común de caucho sintético actualmente en uso, Buna S (caucho de estireno butadieno o SBR), fue desarrollado en 1929 por la empresa alemana I.G. Farben. En 1955, el químico estadounidense Samuel Emmett Horne, Jr. desarrolló un polímero de 98 por ciento de cis-1,4-poliisopreno que se comporta como caucho natural. Esta sustancia combinada con SBR se ha utilizado para neumáticos desde 1961.
Procesamiento de caucho
El caucho, ya sea natural o sintético, llega a las plantas procesadoras (fabricantes) en grandes pacas. Una vez que el caucho llega a la fábrica, el procesamiento pasa por cuatro pasos: composición, mezcla, modelado y vulcanizado. La formulación y el método de la composición del caucho dependen del resultado previsto del proceso de fabricación del caucho.
Compuesto
El compuesto agrega productos químicos y otros aditivos para personalizar el caucho para el uso previsto. El caucho natural cambia con la temperatura, se vuelve quebradizo con el frío y se vuelve pegajoso y pegajoso con el calor. Los productos químicos añadidos durante la composición reaccionan con el caucho durante el proceso de vulcanización para estabilizar los polímeros del caucho. Los aditivos adicionales pueden incluir rellenos de refuerzo para mejorar las propiedades del caucho o rellenos no reforzantes para extender el caucho, lo que reduce el costo. El tipo de relleno utilizado depende del producto final.
El relleno de refuerzo más utilizado es el negro de humo, derivado del hollín. El negro de carbón aumenta la resistencia a la tracción del caucho y la resistencia a la abrasión y al desgarro. El negro de carbón también mejora la resistencia del caucho a la degradación ultravioleta. La mayoría de los productos de caucho son negros debido al relleno de negro de humo.
Dependiendo del uso planeado del caucho, otros aditivos utilizados podrían incluir silicatos de aluminio anhidro como cargas de refuerzo, otros polímeros, caucho reciclado. (generalmente menos del 10 por ciento), compuestos que reducen la fatiga, antioxidantes, químicos resistentes al ozono, pigmentos colorantes, plastificantes, aceites suavizantes y desmoldeantes compuestos.
Mezclar
Los aditivos deben mezclarse completamente con el caucho. La alta viscosidad (resistencia al flujo) del caucho hace que la mezcla sea difícil de lograr sin elevar la temperatura del caucho lo suficientemente alto (hasta 300 grados Fahrenheit) para causar vulcanización. Para evitar una vulcanización prematura, la mezcla se realiza normalmente en dos etapas. Durante la primera etapa, los aditivos como el negro de humo se mezclan con el caucho. Esta mezcla se conoce como masterbatch. Una vez que el caucho se ha enfriado, los productos químicos para la vulcanización se agregan y se mezclan con el caucho.
Formación
El moldeado de productos de caucho se realiza mediante cuatro técnicas generales: extrusión, calandrado, revestimiento o moldeado y fundición. Se puede utilizar más de una técnica de modelado, dependiendo del producto final.
La extrusión consiste en forzar caucho altamente plástico a través de una serie de extrusoras de tornillo. El calandrado pasa el caucho a través de una serie de espacios cada vez más pequeños entre los rodillos. El proceso de matriz de rodillos combina extrusión y calandrado, produciendo un producto mejor que cualquiera de los procesos individuales.
El revestimiento utiliza el proceso de calandrado para aplicar una capa de caucho o para forzar el caucho en la tela u otro material. Los neumáticos, las carpas de tela impermeables y los impermeables, las cintas transportadoras y las balsas inflables se fabrican recubriendo materiales con caucho.
Los productos de caucho como suelas y tacones de zapatos, juntas, sellos, ventosas y tapones para botellas se funden con moldes. El moldeado también es un paso en la fabricación de neumáticos. Los tres métodos principales de moldeo de caucho son el moldeo por compresión (utilizado en la fabricación de neumáticos, entre otros productos), el moldeo por transferencia y el moldeo por inyección. La vulcanización del caucho se produce durante el proceso de moldeo y no como un paso separado.
Vulcanización
La vulcanización completa el proceso de producción de caucho. La vulcanización crea las conexiones cruzadas entre los polímeros de caucho y el proceso varía según los requisitos del producto de caucho final. Un menor número de conexiones cruzadas entre los polímeros de caucho crea un caucho más suave y flexible. Aumentar el número de conexiones cruzadas disminuye la elasticidad del caucho, lo que resulta en un caucho más duro. Sin vulcanización, el caucho permanecería pegajoso cuando está caliente y quebradizo cuando está frío, y se pudriría mucho más rápidamente.
La vulcanización, descubierta originalmente en 1839 por Charles Goodyear, requirió agregar azufre al caucho y calentar la mezcla a 280 F durante aproximadamente cinco horas. La vulcanización moderna, en general, utiliza cantidades más pequeñas de azufre combinadas con otros productos químicos para reducir el tiempo de calentamiento a 15 a 20 minutos. Se han desarrollado técnicas de vulcanización alternativas que no utilizan azufre.