À la fin des années 1930, les États-Unis utilisaient plus de la moitié de l'approvisionnement mondial en caoutchouc naturel. Aujourd'hui, le caoutchouc naturel se trouve dans plus de 50 000 produits manufacturés aux États-Unis, et les États-Unis importent plus de 3 milliards de livres de caoutchouc naturel chaque année. Cependant, plus de 70 pour cent du caoutchouc utilisé dans les procédés de fabrication modernes est du caoutchouc synthétique.
Fond de caoutchouc naturel
Le caoutchouc naturel commence sous forme de latex. Le latex est constitué du polymère appelé polyisoprène en suspension dans l'eau. Les molécules à longue chaîne composées de nombreuses (poly) unités individuelles (mers) reliées entre elles forment des polymères. Le caoutchouc est une forme spéciale de polymère appelée élastomère, ce qui signifie que les molécules de polymère s'étirent et fléchissent.
Plus de 2 500 plantes produisent du latex, un matériau de type sève ressemblant à du lait. L'asclépiade est peut-être la plante productrice de latex la plus familière pour de nombreuses personnes, mais le latex commercial provient d'un seul arbre tropical, Hevea brasiliensis. Comme son nom l'indique, l'hévéa est originaire d'Amérique du Sud tropicale. Il y a plus de 3 000 ans, les civilisations mésoaméricaines ont mélangé du latex avec du jus de gloire du matin pour créer du caoutchouc. Changer le rapport du latex au jus de gloire du matin a changé les propriétés du caoutchouc. Des balles rebondissantes aux sandales en caoutchouc, les Mésoaméricains connaissaient et utilisaient le caoutchouc.
Avant 1900, la plupart du caoutchouc naturel provenait d'arbres sauvages du Brésil. Au début du XXe siècle, l'offre et la demande ont dépassé la production avec la popularité croissante des vélos et des automobiles. Les graines sorties clandestinement du Brésil ont conduit à des plantations d'hévéas en Asie du Sud-Est. Dans les années 1930, les utilisations du caoutchouc naturel allaient des pneus des véhicules et des avions aux 32 livres que l'on trouve dans les chaussures, les vêtements et l'équipement d'un soldat. À ce moment-là, la majeure partie de l'approvisionnement en caoutchouc des États-Unis provenait d'Asie du Sud-Est, mais la Seconde Guerre mondiale a coupé les États-Unis de la majorité de leur approvisionnement.
Processus de fabrication de caoutchouc naturel
Le processus de fabrication du caoutchouc naturel commence par la récolte du latex des hévéas. La récolte du latex des hévéas commence par une entaille ou une coupe dans l'écorce de l'arbre. Le latex coule dans une tasse attachée au fond de la coupe dans l'arbre. Le latex de nombreux arbres est accumulé dans de grands réservoirs.
La méthode la plus courante pour extraire le caoutchouc du latex utilise la coagulation, un processus qui caille ou épaissit le polyisoprène en une masse. Ce processus est accompli en ajoutant un acide tel que l'acide formique au latex. Le processus de coagulation dure environ 12 heures.
L'eau est extraite du coagulum de caoutchouc à l'aide d'une série de rouleaux. Les feuilles minces résultantes, d'environ 1/8 de pouce d'épaisseur, sont séchées sur des grilles en bois dans des fumoirs. Le processus de séchage nécessite généralement plusieurs jours. Le caoutchouc brun foncé qui en résulte, maintenant appelé feuille de fumée nervurée, est plié en balles pour être expédié au processeur.
Cependant, tout le caoutchouc n'est pas fumé. Le caoutchouc séché à l'air chaud plutôt qu'en fumant s'appelle une feuille séchée à l'air. Ce processus permet d'obtenir une meilleure qualité de caoutchouc. Un caoutchouc de qualité encore supérieure appelé caoutchouc crêpe pâle nécessite deux étapes de coagulation suivies d'un séchage à l'air.
Créer du caoutchouc synthétique
Plusieurs types de caoutchouc synthétique ont été développés au fil des ans. Tous résultent de la polymérisation (liaison) de molécules. Un processus appelé polymérisation par addition enchaîne les molécules en longues chaînes. Un autre processus, appelé polymérisation par condensation, élimine une partie de la molécule lorsque les molécules sont liées entre elles. Des exemples de polymères d'addition comprennent les caoutchoucs synthétiques fabriqués à partir de polychloroprène (caoutchouc néoprène), un caoutchouc résistant à l'huile et à l'essence et caoutchouc styrène butadiène (SBR), utilisé pour le caoutchouc anti-rebond dans pneus.
La première recherche sérieuse de caoutchouc synthétique a commencé en Allemagne pendant la Première Guerre mondiale. Les blocus britanniques empêchaient l'Allemagne de recevoir du caoutchouc naturel. Des chimistes allemands ont développé un polymère à partir d'unités de 3-méthylisoprène (2,3-diméthyl-1,3-butadiène), [CH2=C(CH3)C(CH3)=CH2], à partir d'acétone. Bien que ce substitut, le caoutchouc méthyle, soit inférieur au caoutchouc naturel, l'Allemagne en fabriquait 15 tonnes par mois à la fin de la Première Guerre mondiale.
Des recherches continues ont conduit à des caoutchoucs synthétiques de meilleure qualité. Le type de caoutchouc synthétique le plus couramment utilisé actuellement, le Buna S (caoutchouc styrène butadiène ou SBR), a été développé en 1929 par la société allemande I.G. Farben. En 1955, le chimiste américain Samuel Emmett Horne, Jr. a développé un polymère de 98 pour cent de cis-1,4-polyisoprène qui se comporte comme du caoutchouc naturel. Cette substance associée au SBR est utilisée pour les pneus depuis 1961.
Traitement du caoutchouc
Le caoutchouc, qu'il soit naturel ou synthétique, arrive aux usines de transformation (fabrication) en grosses balles. Une fois le caoutchouc arrivé à l'usine, le traitement passe par quatre étapes: compoundage, mélange, façonnage et vulcanisation. La formulation et la méthode de mélange du caoutchouc dépendent du résultat attendu du processus de fabrication du caoutchouc.
Compoundage
Le compoundage ajoute des produits chimiques et d'autres additifs pour personnaliser le caoutchouc pour l'usage prévu. Le caoutchouc naturel change avec la température, devenant cassant avec le froid et collant et gluant avec la chaleur. Les produits chimiques ajoutés pendant le mélange réagissent avec le caoutchouc pendant le processus de vulcanisation pour stabiliser les polymères de caoutchouc. Des additifs supplémentaires peuvent inclure des charges renforçantes pour améliorer les propriétés du caoutchouc ou des charges non renforçantes pour allonger le caoutchouc, ce qui réduit le coût. Le type de charge utilisé dépend du produit final.
La charge renforçante la plus couramment utilisée est le noir de carbone, issu de la suie. Le noir de carbone augmente la résistance à la traction et la résistance à l'abrasion et à la déchirure du caoutchouc. Le noir de carbone améliore également la résistance du caoutchouc à la dégradation par les ultraviolets. La plupart des produits en caoutchouc sont noirs à cause de la charge de noir de carbone.
Selon l'utilisation prévue du caoutchouc, d'autres additifs utilisés pourraient inclure des silicates d'aluminium anhydres comme charges renforçantes, d'autres polymères, du caoutchouc recyclé (généralement moins de 10 %), composés réduisant la fatigue, antioxydants, produits chimiques résistant à l'ozone, pigments colorants, plastifiants, huiles adoucissantes et agents de démoulage composés.
Mélange
Les additifs doivent être soigneusement mélangés au caoutchouc. La viscosité élevée (résistance à l'écoulement) du caoutchouc rend le mélange difficile à réaliser sans augmenter la température du caoutchouc suffisamment haut (jusqu'à 300 degrés Fahrenheit) pour provoquer vulcanisation. Pour éviter une vulcanisation prématurée, le mélange s'effectue généralement en deux étapes. Au cours de la première étape, des additifs comme le noir de carbone sont mélangés au caoutchouc. Ce mélange est appelé mélange maître. Une fois le caoutchouc refroidi, les produits chimiques de vulcanisation sont ajoutés et mélangés au caoutchouc.
Façonner
Le façonnage des produits en caoutchouc se fait à l'aide de quatre techniques générales: extrusion, calandrage, revêtement ou moulage et coulée. Plusieurs techniques de mise en forme peuvent être utilisées, selon le produit final.
L'extrusion consiste à forcer du caoutchouc hautement plastique à travers une série d'extrudeuses à vis. Le calandrage fait passer le caoutchouc à travers une série d'espaces de plus en plus petits entre les rouleaux. Le processus de filière à rouleaux combine extrusion et calandrage, produisant un meilleur produit que l'un ou l'autre des processus individuels.
Le revêtement utilise le processus de calandrage pour appliquer une couche de caoutchouc ou pour forcer le caoutchouc dans le tissu ou un autre matériau. Les pneus, les tentes et les imperméables en tissu imperméable, les bandes transporteuses ainsi que les radeaux gonflables sont fabriqués en enduisant des matériaux de caoutchouc.
Les produits en caoutchouc comme les semelles et talons de chaussures, les joints, les joints, les ventouses et les bouchons de bouteilles sont coulés à l'aide de moules. Le moulage est également une étape dans la fabrication des pneus. Les trois principales méthodes de moulage du caoutchouc sont le moulage par compression (utilisé dans la fabrication de pneus entre autres produits), le moulage par transfert et le moulage par injection. La vulcanisation du caoutchouc se produit pendant le processus de moulage plutôt que comme une étape séparée.
Vulcanisation
La vulcanisation complète le processus de production du caoutchouc. La vulcanisation crée les interconnexions entre les polymères de caoutchouc, et le processus varie en fonction des exigences du produit en caoutchouc final. Moins de connexions croisées entre les polymères de caoutchouc crée un caoutchouc plus souple et plus souple. L'augmentation du nombre de connexions transversales diminue l'élasticité du caoutchouc, ce qui donne un caoutchouc plus dur. Sans vulcanisation, le caoutchouc resterait collant à chaud et cassant à froid, et il pourrirait beaucoup plus rapidement.
La vulcanisation, découverte à l'origine en 1839 par Charles Goodyear, nécessitait l'ajout de soufre au caoutchouc et le chauffage du mélange à 280 F pendant environ cinq heures. La vulcanisation moderne, en général, utilise de plus petites quantités de soufre combiné à d'autres produits chimiques pour réduire le temps de chauffage à 15 à 20 minutes. D'autres techniques de vulcanisation ont été développées qui n'utilisent pas de soufre.