El control de la vulcanización

 

El control de la vulcanización

 

La vulcanización da al caucho un conjunto de características que no existían en el estado de no vulcanizado. La más notable es su elasticidad, que resulta, como vimos, del paso del caucho desde un estado plástico a un estado elástico.

La ciencia que estudia la deformación y el flujo de la materia es la Reología. El grupo de instrumentos que hace mediciones de los fenómenos de naturaleza reológica son los llamados Reómetros.

Se debe aclarar que hay variados tipos de reómetros:

  • Capilares, más adecuados para la medición de propiedades de los plásticos a elevadas temperaturas.
  • Rotacionales dinámicos, trabajan en modos de rotación continua o oscilante (con pequeña deformación) (RPA).
  • Extensionales, miden extensiones uniaxiales, biaxiales (o planares).
  • De medida de binario, miden un binario resistente a un movimiento oscilante. Existen dos variedades:

– Rotor oscilante y cámara fija (ODR – Oscilating Disc Rheometer) (Figura 14) o,
– Reómetro de cámara oscilante (MDR – Moving Die Rheometer) (Figura 15).

 

En efecto los MDR (Figura 15) se están haciendo más comunes que los ODR (Figura 14) ya que tienen un mejor control de la temperatura de vulcanización y ocupan menos material (aproximadamente 6g los MDR en contra de los 10g de los ODR). Ver la comparación de las cámaras en la Figura 16.

 

Figura 14 – Reómetro ODR, cortesía de Alpha Technologies)

Figura 15 – Moderno Reómetro MDR, cortesía de Hulemaquinas (Mexico)

Figura 16 – Comparación de las cámaras de los ODR y MDR

 

Hasta la aparición y perfeccionamiento de los modernos reómetros, otros tipos de instrumentos se utilizaron para medir la vulcanización, tales como:

  • Vulcanómetro: Vulkameter Agfa, Bayer, o Bayer-Frank (1957)
  • Curómetro Wallace-Shawbury: Wallace-Shawbury Curemeter (1959)
  • CEPAR: mide varias características de procesamiento del caucho, cura, extrusión, plasticidad y recuperación (Cure, Extrusion, Plasticity, And Recovery), Firestone (1961).
  • Vulcanómetro Goettfert: Vulkameter Goettfert de Otto Goettfert (1962).
  • Viscorómetro: Viscurometer de B.F Goodrich (1962)
  • Reómetro de disco oscilante: Oscillating Disk Rheometer, ODR, de Monsanto (1962).
  • Brandender Plasti-Corder: es desarrollado por la empresa alemana Brabender GmBH & Co. KG (1976), fundada por Carl Wilhelm Brabender, que más tarde se establece también en los EUA. Este instrumento es, así como el CEPAR, multifunciones, mide la velocidad de la vulcanización, tiempo de prevulcanización, velocidad de extrusión y otras propiedades reológicas.
  • Reómetro de cámara oscilante: Moving Die Rheometer, MDR 2000, Monsanto (1986)
  • Reómetro RPA: Rubber Processing Analyser, Alpha Technologies (1999) se presenta como una evolución del MDR aprovechando las nuevas capacidades de los sistemas informáticos. Este aparato, muy similar al MDR, permite determinar, además de varios tipos de propiedades reológicas (de procesabilidad y de vulcanización), algunas propiedades del caucho vulcanizado, a saber, características dinámicas (Figura 17).

 

Figura 17 – RPA (Rubber Process Analyzer). Cortesía de Alpha Technologies

 

Vamos a enfocarnos en el MDR, reómetro de medida de binario de cámara oscilante, que es el tipo disponible en muchas empresas. Una curva típica obtenida en este tipo de equipamiento se enseña en la Figura 18.

Figura 18 – Curva reométrica

 

La muestra de prueba, a la temperatura ambiente, se coloca en la semi cámara inferior del aparato. Después de encerrada la cámara y de iniciada la oscilación, la temperatura del caucho sube hasta la temperatura de prueba (supongamos 190 °C), por loque su viscosidad disminuye. Por esta razón en binario disminuye desde su valor inicial hasta un valor mínimo (Smin), este es característico de la mezcla en prueba. Este valor puede presentar pequeñas variaciones, de carga para carga. Después de un período en los cual el binario se mantiene más o menos estable, se observan los primeros señales de inicio de la vulcanización (fase de incubación) y cuando se observa una subida de 1 o 2 dN.m, se registra en llamado tiempo de prevulcanización, ts (Punto 1). Por lo general se considera 1 dN.m, cuando las pruebas se hacen con oscilación de 0.5° o 1°, y 2 dN.m, cuando las pruebas se hacen con oscilaciones de 2°, 3° o 5°.

Después de ese punto el binario sigue en subida, hasta ser logrado un valor máximo Smax (punto 2). Este punto corresponde al mayor grado de vulcanización obtenido. A diferencia entre binarios, S, es la diferencia entre el binario máximo y el mínimo, el punto de la curva correspondiente al 90% de ese valor se designa de t90, esto es, el tiempo necesario para que se logre 90% del máximo grado de vulcanización. A partir de ts y de t90, se puede calcular el valor de un índice de velocidad de vulcanización (IVV, o CRI – Cure Rate Index), con la expresión:

IVV o CRI = 100 / (t90 – ts)

Otros puntos se pueden definir, a saber, tiempos para lograr los 10%, 30%, 50% y 60% del máximo grado de vulcanización (respectivamente t10, t30, t50 y t60). Para determinar la energía de activación, ya vimos en ejemplo presentado antes que se utilizan los valores de t80, t85, t90 y t95. Comúnmente, el software del reómetro permite definir los puntos de la curva que hay que calcular automáticamente y presentados en el reporte de prueba.

Después de alcanzado el máximo grado de vulcanización, la secuencia de la prueba puede presentar tres posibilidades de evolución:

  1. El valor máximo permanece estable por algún tiempo más con valor constante y tenemos lo que se llama una vulcanización con platea (o plateau). Esto significa que las propiedades del caucho no son significativamente alteradas por un exceso de vulcanización, por este motivo, es deseable que los cauchos presenten este tipo de curva de vulcanización, en especial para la producción de piezas relativamente gruesas, en las cuales, para que se vulcanicen correctamente las zonas interiores hay el riesgo de sobre vulcanizar las exteriores.
  2. No se logra un valor máximo y la vulcanización sigue, aunque a una velocidad lenta. Es la llamada vulcanización de marcha (marching modulus, o modulo que sigue subiendo). Este tipo de curva es muy característico de las vulcanizaciones con peróxidos y de las composiciones basadas en policloropreno. En este caso, la definición del valor smáx Puede traer dificultades. Es prudente realizar algunas pruebas reométricas de larga duración para que sea bien evaluado el comportamiento del caucho y, muchas veces, complementar con la determinación de una o dos propiedades físicas más relevantes (deformación permanente por compresión y tensión de rotura, por ejemplo) para garantizar con seguridad, el tiempo de vulcanización a considerar.
  3. Después de haber logrado un valor máximo, el binario inicia una bajada, más o menos pronunciada. Es lo que se designa por vulcanización con reversión. Esto significa que, en realidad, un caucho de este tipo no puede ser sobre vulcanizado, pues hay el riesgo de degradar significativamente sus propiedades. Las composiciones de caucho natural, cuando no adecuadamente formuladas (por ejemplo, las que utilizan sistemas de vulcanización convencionales) muestran, con elevada frecuencia, señales de reversión.

 

(Revisión en 2019-07-10)