Den vulkanisering (eller rengøring ) er en kemisk proces til inkorporering af et vulkaniseringsmiddel ( svovl , sædvanligvis) en elastomer rå til dannelse, efter bagning , broer mellem de molekylære kæder . Især denne operation gør materialet mindre plastisk, men mere elastisk . Navnet stammer fra den romerske gud Vulcan .
Vulkanisering er et specielt tilfælde af tværbinding . Efter polymerisation i nærvær af et vulkaniserings- og termisk energisystem danner de lineære makromolekyler i den reaktive elastomer et tredimensionelt netværk uden nogen foretrukken retning. Under et passende stress deformeres dette netværk. Det vender tilbage til den oprindelige tilstand (elasticitet), når spændingen fjernes, takket være tilstedeværelsen af broer (der dannes meget lidt), som kan sammenlignes med “fjedre”.
En gummi rå (rå, termoplastisk , uvulkaniseret) kryber over tid. Hvis vi laver en marmor ud af den og placerer den på en plan overflade, flyder den (denne oplevelse varer flere timer). Således ved første øjekast kan gummiet virke elastisk, og udover den tidligere dannede kugle hopper meget godt. Den van der Waals-kræfter giver tilstrækkelig sammenhængskraft til at tillade en vis elasticitet.
Den mest visuelle repræsentation for at forklare dette fænomen er spaghettiskålen . En molekylær kæde kan sammenlignes med en spaghetti. Hvis du har en skål med spaghetti, kan du ikke få fat i en enkelt spaghetti, van der Waals-kræfterne (kræfter af elektrostatisk type ), som findes i polymeren , sikrer dens sammenhængskraft. Men hvis du tager dig tid til forsigtigt at trække i en spaghetti, kan du udtrække den.
For at reducere krybningsfænomenet, øge samhørighed og mekaniske egenskaber kan der indføres svovl forbundet med aktivatorer og acceleratorer. Dette system blandes med gummiet, og hærdningen tilfører den nødvendige energi til etablering af kemiske bindinger mellem svovlet og de reaktive steder i molekylkæderne. Dette muliggør brodannelse og dermed en holdbar samhørighed af gummiet. Mekanismen for vulkanisering med svovl er kompleks. Svovldoseringen er vigtig: for meget svovl og gummiet vil ikke længere være elastisk (for mange polymerkæder vil blive bundet sammen, hvilket giver grænsen for ebonit ), ikke nok svovl og samhørigheden vil være utilstrækkelig. Indførelsen af overskydende svovl mindsker i sidste ende effekten af van der Waals-kræfter.
Det er hjertet af kunsten og videnskaben inden for dækproduktion , men også fremstillingen af de fleste ebonit-cut klarinet- og saxofon-mundstykker.
I Mesoamerica har gummi været brugt i omkring tre årtusinder. Fra Olmec- civilisationen blev forskellige saft og saft fra klatreplanter blandet med denne elastomer, især hvid ipomea , der indeholder et højt niveau af svovl, for at ændre dens molekylære struktur på en måde, der kan sammenlignes med vulkanisering.
Det er ikke let at identificere opfinderen af vulkaniseringsprocessen. Den amerikanske Charles Goodyear krediteres generelt som den første til at opdage det grundlæggende koncept i 1839 af serendipity . Han fortæller historien om sin opdagelse i sin selvbiografi Gum Elastica .
Charles Goodyear forstod aldrig processen fuldt ud. På tværs af Atlanten , Thomas Hancock , en britisk videnskabsmand og ingeniør, der trak inspiration fra Charles Goodyear tidlige prøver, forstået processen bedre.
Thomas Hancock var den første, der indgav patent på vulkanisering af gummi21. maj 1844. Tre uger senere indgiver Charles Goodyear et patent i USA.
I 1850 købte amerikaneren Hiram Hutchinson patentet fra Charles Goodyear på forbedringerne af fremstillingen af støvler, sko og latexsko . Han begyndte at fremstille i Châlette-sur-Loing . European Soft Rubber Company producerer vandtæt fodtøj og tøj i stor skala. Brand l'Aigle- mærket blev registreret i 1853.
Det første mærke, der bruger denne teknik i tøj, er Puma, som fra 1960 bruger den til udvikling af sportssko.
Elastomeren er hovedkomponenten i en blanding, der kan omfatte mellem ti og tyve ingredienser (et svovlvulkaniseringssystem alene kan omfatte omkring ti ingredienser). Nogle er vigtige for dannelse af broer (svovl, organisk peroxid osv. ), Andre tillader, at processen accelereres (undgå acceleratorer, der genererer nitrosaminer ). Andre beskytte ( antioxidanter , flammehæmmere , etc. ), blødgør ( olier , fedtstoffer , fedtsyrer , osv ), swell, farve ( zinkoxid , lithopon , etc. ) eller endog parfume . Ingredienserne blandes ved tør proces , det vil sige uden noget opløsningsmiddel , ved mekanisk formaling, som genererer opvarmning af ingredienserne, der fremmer adsorptionen af produkterne imellem dem. Denne opvarmning er skadelig for blandingen, da den ikke må vulkanisere, før produktet er formet ; derfor er de anvendte maskiner (interne blandere af typen "Banbury" eller "Z-blad" -blandere) udstyret med en køleindretning, og styringen af blandingens temperatur under blanding er et kritisk træk ved denne proces.
Blanding er generelt en batchproces (tom mixer; ilægning af ingredienser; blanding; tømning af mixeren; efter blanding), selvom der er udviklet kontinuerlige processer siden 1990'erne, især for termoplastiske polymerer (vulkaniserbare eller ej).
Vådblanding (med ikke-chlorerede opløsningsmidler) er specifik for fremstilling af opløsninger, det vil sige gummibaseret lim ( f.eks. Neoprenlim ).
De udgifter, såsom calciumcarbonat eller baryt forbedre sit udseende. Den kønrøg øger modstanden mod slid .
Vulkanisering i et saltbad er en almindelig kontinuerlig vulkaniseringsproces. Den ekstruderede stang passerer gennem en vulkaniseringslinie ved høj temperatur med en bestemt hastighed.
Vulkaniseringen af neopren (polychloropren, akronym CR) udføres ved hjælp af metaloxider (generelt med et system baseret på ZnO og MgO ; undertiden med PbO ) snarere end svovlforbindelser, der almindeligvis bruges med naturlige gummi og umættede syntetiske gummier . Desuden er valget af en polychloropren vulkanisering accelerator underlagt forskellige regler fra de andre dien gummi . Ethylenthiourinstof ( ETU) vælges generelt , en effektiv og gennemprøvet accelerator til polychloropren, men klassificeret som reproduktionstoksisk. Den europæiske gummiindustri har derfor lanceret et SafeRubber- forskningsprojekt for at udvikle et sikrere alternativ til brugen af ETU.
Svovlvulkanisering: dannelse af sulfidbroer (i blå) mellem kæderne i en umættet elastomer (i sort).
Peroxidvulkanisering: dannelse af CC- broer mellem kæderne i en elastomer.
Vulkanisering med metaloxider: ether broer dannet mellem kæderne af en halogeneret elastomer .
Det vides ikke, hvordan man genbruger vulkaniseret gummi. Vulkanisering er en næsten irreversibel reaktion, det vil sige at det tredimensionelle netværk, der er skabt for eksempel af svovl, ikke let kan "demonteres" ved kemisk eller termisk handling for at omforme en gummidel og give den en anden form. Dette betyder, at når en gummi er vulkaniseret, er den enten kompatibel og derfor anvendelig eller ikke-kompatibel, og i dette tilfælde bortskaffes artiklen.
Faktisk er det muligt at genbruge materialet takket være det specifikke kredsløb af genbrugsfirmaer, hvor de vulkaniserede produkter gennemgår både en meget aggressiv kemisk og termisk behandling (ved høj temperatur), hvor det tredimensionelle netværk demonteres (reversering eller depolymerisering).
Det resulterende affald kaldet gummiregenereret (på engelsk : reclaim ) har mindre effektive fysiske egenskaber end det oprindelige produkt, især på grund af den igangværende behandling; men dets genanvendelse med variable satser (mindre end 10% til mere end 50%) er mulig for visse produkter, hvilket skaber betydelige besparelser; men frem for alt at tillade en "genbrug" af et meget bestemt materiale, der er tilgængeligt i meget store mængder på hele planeten på grund af dets mange anvendelser.
Polymerers kemi er meget forskelligartet; kemien af deres vulkanisering er også (for eksempel svovlet, der bruges til at vulkanisere meget mange gummier, og carbon black er uforenelig med siliconegummierne , hvilket forhindrer deres vulkanisering).
Den industrielle vulkaniseringsproces kan være en kilde til lugtgener og undertiden luftforurening .
Den omvendte procedure kaldes devulcanization ; Det er for eksempel muligt at ” devulkanise ” den syntetisk gummi af dæk ved kontrolleret oxidering eller mikrobølge under visse betingelser, eller - mere langsomt og på overfladen - ved en bioteknologisk metode , som anvender egenskaberne af visse bakterier ( Archaea ); denne operation kan imidlertid frigive mange giftige forbindelser og additiver, som blev inkorporeret i dækkets materiale under dets fremstilling.