Comprender los tipos y propiedades básicas de los materiales de caucho
El caucho es un material polimérico altamente elástico con deformación reversible, que es elástico a temperatura ambiente, puede producir una gran deformación bajo una pequeña fuerza externa y puede volver a su estado original después de eliminar la fuerza externa. El caucho es un polímero completamente amorfo con una baja temperatura de transición vítrea (Tg) y un gran peso molecular, superior a varios cientos de miles.
Los tipos de caucho son el caucho natural y el caucho sintético. El caucho natural se extrae del árbol del caucho y tiene las ventajas de buena elasticidad, alta resistencia, buen aislamiento, pequeña deformación y fácil procesamiento. El caucho sintético es sintético, hay muchos tipos, como caucho de estireno butadieno, caucho de nitrilo, caucho maleico, caucho de etileno propileno, caucho de butilo, caucho de neopreno, caucho de acrilato, caucho de nitrilo hidrogenado, caucho de polietileno clorosulfonado, fluoroelastómero, caucho de silicona, caucho de fluorosilicona, etc.
I. Caucho Natural NR
El caucho natural (NR) es poliisopreno biosintetizado en el árbol del caucho. Ya en 1826, Faraday determinó por primera vez la fórmula química de la molécula de caucho natural como C5H8. Sin embargo, su estructura y contenido molecular no se confirmaron hasta la llegada de la espectroscopia infrarroja y los instrumentos de resonancia magnética nuclear de alta resolución. Se descubrió que la estructura molecular del caucho natural es cis-1,4-poliisopreno, con un contenido de hasta el 99%. La densidad del caucho en bruto de NR es de 0,9 a 0,95 g/cm³ y su estructura química se muestra a continuación:
Las principales propiedades del caucho natural NR son las siguientes:
1. Propiedades mecánicas: Las cadenas moleculares de NR son amorfas y flexibles a temperatura ambiente, lo que le confiere una excelente elasticidad con un alargamiento de hasta el 1000%. Su estructura molecular altamente regular permite que las cadenas se orienten y cristalicen bajo tensión, proporcionando autorrefuerzo. Después de la vulcanización, su resistencia a la tracción puede alcanzar entre 15 y 20 MPa, aumentando a 25 y 30 MPa con refuerzo de negro de humo. NR también presenta una alta resistencia al desgarro, con una resistencia al desgarro de 98 kN/m.
2. Rendimiento ante el envejecimiento: Los dobles enlaces carbono-carbono en las cadenas moleculares de NR lo hacen susceptible a la oxidación y al agrietamiento por el oxígeno y el ozono en el aire, lo que provoca el envejecimiento.
3. Resistencia a altas y bajas temperaturas: NR tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de aproximadamente -72°C, lo que le permite mantener la elasticidad a bajas temperaturas. Comienza a ablandarse al calentarse, se descompone alrededor de los 200°C y sufre una intensa descomposición a los 270°C.
4. Resistencia media: como sustancia no polar, la NR se disuelve fácilmente en disolventes y aceites no polares, lo que la hace inadecuada para su uso con gasolina, benceno y otros medios.
5. Propiedades eléctricas: La naturaleza no polar del NR le confiere un buen aislamiento con una resistividad volumétrica de 10⊃1;⁵–10⊃1;⁷ Ω·cm. Sin embargo, la vulcanización introduce sustancias polares como azufre y aceleradores, reduciendo sus propiedades aislantes.
6. Otras propiedades: NR también ofrece buena resistencia al desgaste y a la fatiga, lo que lo hace ampliamente utilizado en neumáticos para automóviles, sistemas de suspensión y diversos bloques de amortiguación.
II. Caucho de etileno propileno EPDM
El caucho de etileno propileno, sintetizado a partir de monómeros de etileno y propileno, es un caucho sintético desarrollado después de la introducción del sistema catalítico estereorregular de Ziegler-Natta. Se encuentra entre cauchos de uso general y especiales. Según sus monómeros moleculares, se puede dividir en caucho de etileno propileno binario (EPM, elaborado a partir de etileno y propileno) y caucho de etileno propileno ternario (EPDM, que incorpora una pequeña cantidad de dieno no conjugado). Los dienos no conjugados utilizados en EPDM incluyen 1,4-hexadieno, diciclopentadieno y etilidennorborneno, lo que da como resultado diferentes tipos de EPDM. El EPDM, sintetizado a partir de etileno, propileno y un tercer monómero, tiene una densidad de caucho bruto de 0,85 a 0,87 g/cm³. Además del caucho para neumáticos, el EPDM es el caucho más utilizado en la industria automotriz. Su estructura química se muestra a continuación:
Las principales propiedades del EPDM son las siguientes:
1. Propiedades mecánicas: La cadena principal del EPDM carece de dobles enlaces, existiendo sólo unos pocos en las cadenas laterales, lo que lo convierte en un caucho saturado. La ausencia de sustituyentes polares permite que las cadenas moleculares permanezcan flexibles en un amplio rango de temperaturas, lo que proporciona una buena elasticidad, solo superada por el NR entre los cauchos de uso general.
2. Rendimiento ante el envejecimiento: Como caucho saturado, el EPDM cuenta con una alta estabilidad química y la mejor resistencia al envejecimiento entre los cauchos de uso general, particularmente contra el ozono. Por ejemplo, los materiales de sellado expuestos a una concentración de ozono de 200×10⁻⁸ durante 72 horas no muestran grietas.
3. Resistencia a altas y bajas temperaturas: El EPDM tiene una temperatura de transición vítrea de aproximadamente -60 a -50 °C, manteniendo la elasticidad a bajas temperaturas. Se puede utilizar a largo plazo a 120 °C y de forma intermitente entre 150 y 200 °C.
4. Resistencia media: como caucho no polar, el EPDM resiste diversos disolventes polares (p. ej., alcoholes, ácidos, bases fuertes y ésteres) y exhibe una excelente resistencia al agua y al vapor, lo que lo hace adecuado para componentes de control de agua y paquetes de baterías de vehículos de nueva energía que utilizan refrigeración por agua.
5. Propiedades eléctricas: Al igual que el NR, la baja polaridad del EPDM le otorga un buen aislamiento eléctrico con una resistividad volumétrica de 10⊃1;⊃2;–10⊃1;⁵ Ω·cm. Su baja absorción de agua garantiza un aislamiento mantenido incluso después de la inmersión en agua.
6. Otras propiedades: EPDM ofrece excelente espumabilidad y resistencia a la compresión. La espuma EPDM se utiliza en sellos como juntas de ventanas y paquetes de baterías. Sin embargo, su baja resistencia requiere refuerzo para un uso práctico y tiene una autoadhesión e interadhesión deficientes, lo que plantea desafíos de procesamiento.
III. Caucho de cloropreno CR
El caucho de cloropreno se sintetiza a partir de monómeros de 2-cloro-1,3-butadieno. Tiene un aspecto de color blanco lechoso, beige o marrón claro y es uno de los cauchos sintéticos desarrollados tempranamente con una alta densidad de caucho bruto de 1,11 a 1,13 g/cm³. La investigación sobre el caucho de cloropreno comenzó en 1906 y fue industrializado por Carothers et al. en 1931. Su estructura química se muestra a continuación:
La CR se produce principalmente mediante polimerización en emulsión utilizando agua como medio, jabón de colofonia como emulsionante y persulfato de potasio como iniciador. Como caucho de uso general, el CR ofrece buenas propiedades mecánicas y resistencia a la intemperie, resistencia a las llamas, resistencia al aceite, resistencia a la luz solar, resistencia al ozono y resistencia a la corrosión química, lo que lo hace ampliamente utilizado en suelas de zapatos de caucho, productos resistentes a la intemperie y revestimientos.
Las principales propiedades de la CR son las siguientes:
1. Propiedades mecánicas: CR es autorreforzante. Los átomos de cloro en sus moléculas aumentan las fuerzas intermoleculares debido a su alta electronegatividad, lo que convierte al CR en un caucho polar. Su estructura muy regular y su fácil cristalización dan como resultado propiedades mecánicas cercanas a NR, con una resistencia a la tracción de 20 a 25 MPa.
2. Propiedades de envejecimiento: A pesar de los dobles enlaces carbono-carbono en su cadena principal, los átomos de cloro en las cadenas laterales reducen la actividad de los dobles enlaces, mejorando la estabilidad molecular y proporcionando una buena resistencia al ozono y al envejecimiento.
3. Resistencia a altas y bajas temperaturas: CR tiene una temperatura de transición vítrea de alrededor de -40°C. Sin embargo, su estructura molecular polar y muy regular limita el movimiento molecular. A bajas temperaturas, la deformación es difícil de recuperar y puede producirse fragilidad, lo que indica una mala resistencia al frío. Su temperatura de uso típica es superior a -30°C. La resistencia al calor del CR supera al NR pero es inferior al EPDM. Se puede utilizar a largo plazo a 100°C, con uso a corto plazo hasta 150°C.
4. Resistencia media: La fuerte polaridad del CR le otorga buena resistencia al aceite y a los solventes no polares, lo que lo hace adecuado para tuberías de aceite y cubiertas antipolvo.
5. Propiedades eléctricas: La presencia de átomos de cloro polares da como resultado un aislamiento deficiente con una resistividad volumétrica de 10⊃1;⁰–10⊃1;⊃2; Ω·cm, lo que hace que el CR no sea adecuado para requisitos elevados de aislamiento eléctrico.
6. Otras propiedades: CR presenta un excelente retardo de llama debido a su contenido de halógeno. Se prefiere para piezas de caucho alrededor de paquetes de baterías de vehículos de nueva energía con altos requisitos de retardo de llama.
IV. Caucho de nitrilo NBR
El NBR se produce mediante copolimerización en emulsión a baja temperatura de monómeros de butadieno y acrilonitrilo. El contenido de acrilonitrilo generalmente se presenta en cinco rangos: 18 a 24 %, 25 a 30 %, 31 a 35 %, 36 %, 41 % y 42 a 46 %. La densidad del caucho bruto es de 0,96 a 1,20 g/cm³. Su estructura química se muestra a continuación:
Debido a su excelente resistencia al aceite, el NBR se usa ampliamente en sistemas de combustible automotrices tradicionales, como mangueras de combustible, revestimientos de tanques de combustible y sellos de aceite. En los vehículos de nueva energía, donde los paquetes de baterías reemplazan los motores y los sistemas de combustible, la aplicación de NBR es relativamente reducida.
La estructura molecular del NBR contiene fuertes grupos ciano polares, lo que lo convierte en un caucho polar. Ofrece una excelente resistencia a aceites y disolventes no polares y débilmente polares (p. ej., gasolina, aceites alifáticos y aceites vegetales). Sin embargo, su resistividad volumétrica es de sólo 10⁸–10⁹ Ω·cm, lo que lo convierte en el caucho con aislamiento eléctrico más pobre. El NBR tiene una temperatura de transición vítrea de -20 a -10 °C, y las temperaturas más frías provocan fragilidad. Los grupos polares mejoran la estabilidad de los enlaces insaturados en la estructura molecular, proporcionando una resistencia al calor ligeramente mejor que el NR. Su temperatura de uso a largo plazo es de 100°C, con un máximo de 125°C. La presencia de enlaces insaturados también resulta en una pobre resistencia al ozono.
V. Caucho de acrilato ACM/AEM
El caucho de acrilato (ACM), un elastómero copolimerizado a partir de monómeros de acrilato, presenta una cadena principal saturada y grupos laterales éster polares. Su excelente rentabilidad (mejor resistencia al aceite y al envejecimiento que el NBR y propiedades mecánicas superiores al caucho de fluorosilicona, junto con un precio más bajo que los cauchos de flúor y silicona) lo hace ampliamente utilizado en ambientes resistentes al aceite y a altas temperaturas. Sin embargo, su pobre rendimiento de procesamiento, adherencia al molde y resistencia a bajas temperaturas limitan su aplicación. La estructura molecular del caucho de acrilato se muestra a continuación:
En 1975, DuPont introdujo una versión mejorada del ACM, polietileno/caucho de acrilato (AEM), que mejora el procesamiento y el rendimiento a baja temperatura, pero a un costo mayor que el ACM.
Las principales propiedades del caucho de acrilato son las siguientes:
1. Propiedades mecánicas: el ACM ofrece un rendimiento mecánico excelente con una resistencia a la tracción de 10 a 15 MPa pero tiene poca elasticidad, con un alargamiento del 100% al 300%.
2. Propiedades de envejecimiento: el ACM exhibe una excepcional resistencia al envejecimiento y al ozono, comparable a los cauchos de flúor y silicona.
3. Resistencia a altas y bajas temperaturas: el ACM tiene mejor resistencia a altas temperaturas que el EPDM y puede usarse a corto plazo por debajo de 200 °C. Sin embargo, su resistencia a las bajas temperaturas es pobre, con una temperatura frágil de -20 a -10°C, lo que limita su aplicación.
4. Resistencia media: Los grupos polares del ACM proporcionan una buena resistencia al aceite, especialmente al aceite caliente. Por ejemplo, después de la inmersión en aceites estándar N° 1, 2 y 3 a 150°C durante 70 horas, los cambios en el rendimiento son mínimos. Sin embargo, los grupos éster lo hacen susceptible a la hidrólisis, lo que resulta en una pobre resistencia al agua y al vapor.
5. Propiedades eléctricas: Los grupos polares dan lugar a un aislamiento eléctrico medio, restringiendo su uso en aplicaciones eléctricas.
6. Otras propiedades: ACM también demuestra buena permeabilidad al aire, resistencia al desgarro y resistencia al desgaste. En los productos de caucho para automóviles, se valora principalmente por su excelente resistencia al aceite y a las altas temperaturas, lo que lo hace ampliamente utilizado en sellos de eje, sellos de aceite, sellos anulares y juntas.
AEM, como versión mejorada de ACM, hereda el excelente rendimiento de ACM y mejora algunas de las deficiencias de ACM. La comparación de rendimiento de los dos se muestra en la Tabla 1.
VI. Fluoroelastómero FKM
El fluoroelastómero (conocido como FKM en Europa y FPM en EE. UU.) es un elastómero polimérico sintético que contiene átomos de flúor en sus cadenas principales o laterales. Existen varios tipos según la estructura del monómero, siendo el caucho de fluoruro de vinilideno el más común, como se muestra a continuación:
El desarrollo del fluoroelastómero comenzó durante la Segunda Guerra Mundial para satisfacer las necesidades militares. China comenzó a desarrollar varios tipos de FKM en 1958, principalmente poliolefínicos como el Tipo 23, Tipo 26, Tipo 246 y nitroso. En los últimos años, los FKM han evolucionado en cuatro categorías principales: olefinas fluoradas, nitroso, perfluoroéteres y fosfacenos fluorados. Sus aplicaciones se han expandido desde los campos militares y de defensa como la aviación y el aeroespacial hasta los sectores civiles, contribuyendo significativamente a la defensa nacional y al desarrollo económico.
Entre todos los cauchos sintéticos, el FKM, conocido como el 'Rey del Caucho' por su rendimiento integral superior, tiene las siguientes propiedades principales:
1. Propiedades mecánicas: el FKM ofrece un excelente rendimiento mecánico con una resistencia a la tracción de 10 a 20 MPa, pero tiene poca elasticidad, con un alargamiento del 150% al 350%.
2. Propiedades de envejecimiento: FKM tiene una excepcional resistencia al envejecimiento y al olor. Por ejemplo, el FKM tipo Vion de DuPont conserva un buen rendimiento después de una década de almacenamiento natural.
3. Resistencia a altas y bajas temperaturas: FKM cuenta con el mejor rendimiento a altas temperaturas entre los elastómeros, con un uso a largo plazo de hasta 250 °C y un uso a corto plazo por debajo de 300 °C. Sin embargo, su resistencia al frío es pobre, pierde elasticidad y se vuelve quebradiza por debajo de -25 a -15°C.
4. Resistencia media: La alta estabilidad química del FKM le otorga la mejor resistencia media entre los elastómeros, proporcionando una excelente resistencia a medios orgánicos (combustibles, solventes), ácidos inorgánicos y agentes oxidantes fuertes (por ejemplo, peróxido de hidrógeno).
5. Propiedades eléctricas: Las propiedades eléctricas del FKM varían con su estructura molecular. Por ejemplo, el FKM Tipo 23 tiene un mejor rendimiento eléctrico que el Tipo 26. La temperatura también afecta sus propiedades eléctricas, y el aislamiento disminuye a medida que aumenta la temperatura. Por tanto, el FKM no es adecuado como material aislante de altas temperaturas.
6. Otras propiedades: Los halógenos en la estructura molecular del FKM proporcionan un excelente retardo de llama, que mejora con un mayor contenido de halógenos. FKM es autoextinguible al retirar la llama. Dadas sus características de rendimiento, el FKM se utiliza principalmente en aplicaciones de medios especiales, resistentes al aceite y de alta temperatura, como tuberías de combustible y sellos de motores.
VII. Caucho de silicona
Desarrollado en la década de 1940, el caucho de silicona (abreviado como Q) inicialmente implicó la investigación del caucho de dimetilsilicona. Ahora con más de mil variedades, el caucho de silicona se destaca por su cadena molecular que combina características inorgánicas y orgánicas, como se muestra a continuación:
La cadena principal del caucho de silicona alterna entre átomos de silicio y oxígeno. La energía del enlace Si-O (370 kJ/mol) es significativamente mayor que la del enlace CC (240 kJ/mol), lo que le confiere una estabilidad térmica superior en comparación con otros cauchos sintéticos.
Según los métodos de vulcanización, el caucho de silicona se divide en tipos vulcanizados por calor (HTV) y vulcanizados a temperatura ambiente (RTV). El HTV, compuesto principalmente de caucho macizo de alto peso molecular, se parece al caucho convencional. RTV, principalmente caucho líquido de bajo peso molecular, incluye cauchos de silicona comunes de uno o dos componentes. Dependiendo de los grupos laterales introducidos, puede ser dimetilo, metilvinilo, metilfenilvinilo o caucho de fluorosilicona. La cadena principal única del caucho de silicona permite que diferentes grupos laterales influyan significativamente en sus propiedades mecánicas, de temperatura y de procesamiento.
Las principales propiedades del caucho de silicona son las siguientes:
1. Propiedades mecánicas: el caucho de silicona tiene propiedades de tracción relativamente bajas entre los cauchos comunes, con una resistencia a la tracción de 4 a 7 MPa. Sin embargo, ofrece buena resistencia a la compresión a altas y bajas temperaturas. Al aplicar caucho de silicona, se deben considerar cuidadosamente las condiciones de tensión de los componentes. Para garantizar la longevidad, los componentes deben evitar fuerzas de tracción siempre que sea posible.
2. Propiedades de envejecimiento: La cadena principal del caucho de silicona es -Si-O-, carente de enlaces insaturados. La energía de enlace del Si-O es mayor que la del CC, lo que proporciona una excelente resistencia al ozono, el oxígeno y el envejecimiento climático.
3. Resistencia a altas y bajas temperaturas: el caucho de silicona exhibe una excelente resistencia a altas y bajas temperaturas con un rango de temperatura de trabajo de -100 a 350°C, el más amplio entre los cauchos para automóviles.
4. Resistencia media: Debido a su estructura especial, el caucho de silicona es altamente inerte. Su resistencia a los medios líquidos depende principalmente del tipo de grupos sustituyentes. Por ejemplo, el caucho de silicona de nitrilo ofrece buena resistencia al aceite y a los disolventes polares.
5. Propiedades eléctricas: La cadena principal del caucho de silicona tiene una estructura que se asemeja al cuarzo, lo que le confiere un excelente aislamiento eléctrico.
6. Otras propiedades: Además de lo anterior, el caucho de silicona ofrece un buen retardo de llama, alta permeabilidad al aire y capacidad de formación de espuma. No es tóxico, es inodoro, fisiológicamente inerte y muy resistente a temperaturas extremas, lo que lo convierte en uno de los cauchos sintéticos superiores.
Actualmente el caucho de silicona juega un papel muy importante en el campo de la biomedicina, como por ejemplo en la fabricación de tapones para los oídos insonorizados, vasos sanguíneos artificiales, pulmones artificiales, etc., con resultados muy satisfactorios. Además, el caucho de silicona tiene una amplia gama de aplicaciones en los campos de selladores y adhesivos.
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