Cos'è la gomma? Materie prime, produzione, usi e tipi di guarnizioni

Cos'è la gomma e da dove viene?

La gomma è un polimero elastico che può essere allungato, compresso e deformato sotto forza per poi ritornare alla sua forma originale. Esiste in due forme fondamentali: gomma naturale , derivato dalla linfa del lattice dell'albero della gomma Hevea brasiliensis , e gomma sintetica , prodotto da materie prime petrolchimiche attraverso la polimerizzazione industriale. Entrambi condividono la proprietà fondamentale dell'elasticità ma differiscono per composizione, caratteristiche prestazionali e costi.

La gomma naturale viene raccolta e utilizzata da migliaia di anni. Le civiltà precolombiane della Mesoamerica producevano palline di gomma, tessuti impermeabilizzati e calzature in lattice molto prima del contatto europeo. Il potenziale del materiale nelle applicazioni industriali divenne evidente solo nel XIX secolo, dopo che Charles Goodyear scoprì la vulcanizzazione nel 1839, un processo che trasformava il lattice morbido e appiccicoso nel materiale resistente e resiliente riconosciuto oggi come gomma.

Oggi, la produzione globale di gomma supera i 28 milioni di tonnellate all’anno, grosso modo suddivise tra tipi naturali e sintetici. Thailandia, Indonesia e Costa d'Avorio sono i maggiori produttori mondiali di gomma naturale. La gomma sintetica, sviluppata per la prima volta durante la seconda guerra mondiale quando le forniture di gomma naturale furono interrotte, ora rappresenta circa il 60% del consumo totale di gomma in tutto il mondo.

Materie prime in gomma: fonti naturali e sintetiche

La materia prima per la gomma naturale è il lattice, una sospensione colloidale bianco latte prodotta nella corteccia della gomma naturale Hevea brasiliensis alberi. Il lattice è costituito per circa il 30-40% da poliisoprene in peso, sospeso in acqua con proteine, lipidi e oligoelementi. Le catene polimeriche di poliisoprene sono ciò che conferisce elasticità alla gomma: sono lunghe molecole a spirale che si raddrizzano sotto tensione e ritornano indietro quando vengono rilasciate.

Le gomme sintetiche sono derivate da monomeri ottenuti principalmente attraverso la raffinazione del petrolio e la lavorazione del gas naturale. Le più importanti materie prime in gomma sintetica includono:

• Butadiene — un sottoprodotto della produzione di etilene, utilizzato per produrre la gomma stirene-butadiene (SBR) e la gomma polibutadiene (BR), le due gomme sintetiche più prodotte.
• stirene — combinato con il butadiene per produrre SBR, che rappresenta circa la metà di tutta la produzione di gomma sintetica ed è il materiale dominante nei pneumatici per autovetture.
• Isobutilene e isoprene — polimerizzati insieme per produrre gomma butilica (IIR), apprezzata per la sua eccezionale impermeabilità ai gas e utilizzata nei rivestimenti interni dei pneumatici e nei tappi farmaceutici.
• Etilene e propilene — combinato con un monomero dienico per produrre gomma EPDM, ampiamente utilizzata nelle guarnizioni per autoveicoli, nelle membrane per tetti e nelle guarnizioni per esterni.
• Acrilonitrile e butadiene — polimerizzato per produrre gomma nitrilica (NBR), che ha un'eccezionale resistenza a oli, carburanti e solventi, rendendolo il materiale standard per tubi del carburante e paraolio.
• Cloroprene — polimerizzato per produrre neoprene (CR), una delle prime gomme sintetiche, nota per la sua resistenza agli agenti atmosferici, all'ozono e alle sostanze chimiche moderate.

La gomma siliconica occupa una categoria a sé stante: la sua struttura polimerica è costituita da silicio e ossigeno anziché da carbonio, il che la rende chimicamente distinta sia dalle gomme naturali che da quelle derivate dal petrolio. Ciò conferisce al silicone un'eccezionale resistenza alla temperatura, biocompatibilità e stabilità ai raggi UV che le gomme a catena di carbonio non possono eguagliare.

Come viene prodotta la gomma: dalla materia prima al prodotto finito

Il viaggio dal lattice grezzo o dal polimero sintetico al prodotto finito in gomma prevede diverse fasi, ognuna delle quali influisce in modo significativo sulle proprietà del materiale finale.

Raccolta e coagulazione (gomma naturale)

Il lattice viene estratto dagli alberi della gomma effettuando un taglio diagonale superficiale nella corteccia. La linfa gocciola nelle tazze di raccolta per diverse ore. Il lattice fresco viene quindi coagulato, in genere aggiungendo acido formico o acetico, facendo sì che le particelle di gomma si raggruppino e si separino dal siero acquoso. Il coagulo risultante viene pressato, arrotolato in fogli e affumicato (per produrre fogli affumicati a coste, o RSS) o essiccato con aria calda (per produrre gradi di gomma specificati tecnicamente). Questi fogli essiccati o balle di gomma sbriciolata sono la forma di merce commercializzata della gomma naturale.

Compounding

La gomma grezza, sia naturale che sintetica, non viene utilizzata così com'è. È combinato con una gamma di additivi su miscelatori interni (miscelatori Banbury) o mulini aperti. Una tipica mescola di gomma contiene:

• Agenti vulcanizzanti — zolfo o perossidi che creano legami incrociati tra le catene polimeriche durante la polimerizzazione.
• Acceleratori e attivatori — ossido di zinco, acido stearico e acceleranti organici che accelerano e controllano la reazione di vulcanizzazione.
• Filler rinforzanti — il nerofumo è il più importante e aumenta notevolmente la resistenza alla trazione e all'abrasione. La silice viene utilizzata nelle mescole per pneumatici ad alte prestazioni e a bassa resistenza al rotolamento.
• Plastificanti e oli di lavorazione — migliorare la fluidità durante la lavorazione e modificare la durezza e la flessibilità del prodotto finito.
• Antiossidanti e antiozonanti — proteggere la gomma dal degrado causato da ossigeno, ozono, radiazioni UV e calore durante la vita utile.

Modellare

La gomma composta viene modellata prima della vulcanizzazione mentre rimane termoplastica e lavorabile. I metodi di modellatura comuni includono stampaggio a compressione (premendo la gomma in uno stampo riscaldato sotto pressione), stampaggio ad iniezione (iniezione della gomma in stampi chiusi), stampaggio a trasferimento , estrusione (forzare la gomma attraverso uno stampo per produrre profili, tubi e strisce) e calandratura (arrotolando la gomma in fogli o rivestendola su tessuto).

Vulcanizzazione

Vulcanizzazione is the chemical process that converts soft, weak rubber into the strong, elastic material used in finished products. Heat causes sulfur atoms (or peroxide radicals) to form cross-links between adjacent polymer chains, creating a three-dimensional network. The degree of cross-linking determines hardness: lightly cross-linked rubber is soft and elastic; heavily cross-linked rubber becomes hard (ebonite). Most rubber products are cured in presses, autoclaves, or continuous vulcanization lines at temperatures between 140°C and 200°C.

A cosa serve la gomma? Principali categorie di prodotti

La combinazione di elasticità, durata, impermeabilità e isolamento elettrico della gomma la rende indispensabile in una vasta gamma di settori. L’applicazione più grande in termini di volume sono gli pneumatici: gli pneumatici per passeggeri, camion e fuoristrada rappresentano circa il 70% di tutta la gomma consumata a livello globale. Oltre agli pneumatici, i prodotti in gomma compaiono praticamente in ogni settore dell’industria moderna e della vita quotidiana.

• Pneumatici e prodotti correlati agli pneumatici: Pneumatici per passeggeri, pneumatici per autocarri, pneumatici per biciclette, nastri trasportatori e mescole per la ricostruzione di pneumatici rappresentano insieme l'uso dominante sia della gomma naturale che di quella SBR.
• Tubi e tubazioni: I tubi del liquido di raffreddamento per autoveicoli, i tubi idraulici, i tubi dei freni pneumatici, i tubi da giardino, i tubi del carburante e i tubi medicali si affidano alla flessibilità e alla resistenza ai fluidi della gomma. NBR ed EPDM sono i materiali più comuni a seconda del fluido convogliato.
• Cinture: Le cinghie di trasmissione, le cinghie dentate, i nastri trasportatori e le cinghie trapezoidali nei macchinari industriali e nei motori automobilistici sono realizzate con mescole di gomma rinforzate, tipicamente EPDM o CR con rinforzo in tessuto o cordicella d'acciaio.
• Calzature: Suole, stivali e copriscarpe in gomma furono tra i primi articoli in gomma prodotti in serie. La gomma naturale e l'SBR rimangono dominanti nelle calzature, apprezzate per la presa e la resistenza all'abrasione.
• Guanti: I guanti da esplorazione in lattice, i guanti in nitrile per la resistenza chimica e i guanti industriali per carichi pesanti sono prodotti rispettivamente in gomma naturale, NBR e neoprene.
• Isolamento elettrico: Le guaine dei cavi, l'isolamento dei cavi e il nastro isolante utilizzano la gomma per proteggere i conduttori da umidità, abrasione e contatto accidentale.
• Supporti antivibranti: I supporti del motore, i cuscinetti isolanti dei macchinari, i cuscinetti dei ponti e i cuscinetti dei binari ferroviari utilizzano compositi sandwich in gomma naturale o NR/acciaio per assorbire e smorzare le vibrazioni.
• Medico e farmaceutico: I tappi per flaconi di farmaci iniettabili, guanti chirurgici, cateteri, bracciali per la pressione sanguigna e supporti ortopedici si basano tutti su composti di gomma di grado medico.
• Beni di consumo: Elastici, gomme da cancellare, guarnizioni per attrezzature da cucina, ventose, tappetini per yoga e attrezzature sportive sono prodotti di uso quotidiano che dipendono dall'elasticità e dalla presa della gomma.

Guarnizioni in gomma : Materiali, tipi e applicazioni

Le guarnizioni in gomma sono tra i prodotti in gomma più critici e ampiamente specificati in ingegneria. La loro funzione è impedire il passaggio di fluidi, gas o contaminanti attraverso un giunto o un'interfaccia, un compito che richiede che la gomma si adatti perfettamente alle superfici di accoppiamento, si comprima sotto carico e mantenga il recupero elastico per milioni di cicli o anni di esposizione statica.

Tipi comuni di guarnizioni in gomma

• O-ring: Tenute a forma di toro che si inseriscono in una scanalatura e sono compresse radialmente o assialmente per formare un'interfaccia a tenuta stagna. Gli O-ring sono la forma di tenuta più universalmente utilizzata nei sistemi idraulici, pneumatici, idraulici e di potenza fluida in tutto il mondo.
• Guarnizioni: Guarnizioni piatte o profilate posizionate tra superfici flangiate (giunti di tubi, testate, corpi valvola) per evitare perdite sotto la forza di serraggio imbullonata. Le guarnizioni in gomma sono comuni nei sistemi idrici, HVAC e nelle tubazioni di processo.
• Tenute a labbro (tenute radiali per alberi): Utilizzato per trattenere i lubrificanti ed escludere contaminanti attorno agli alberi rotanti in scatole del cambio, assali, pompe e motori elettrici. Il labbro di tenuta mantiene il contatto dinamico con la superficie dell'albero.
• Diaframmi: Membrane di gomma flessibili che separano due camere trasmettendo pressione o movimento. Utilizzato in regolatori di pressione, pompe, valvole e servofreno per autoveicoli.
• Profili estrusi e guarnizioni contro le intemperie: Profili in gomma estrusi su misura utilizzati per sigillare gli spazi vuoti di porte, finestre, portelli e involucri da aria, acqua, polvere e rumore. Comunemente prodotto in EPDM o neoprene.

Selezione dei materiali per le guarnizioni in gomma

La mescola di gomma utilizzata in una tenuta deve essere adattata attentamente all'ambiente di servizio. L'uso del materiale sbagliato porta a rigonfiamento, indurimento, fessurazione o dissoluzione chimica, tutti fattori che causano guasti alla tenuta e perdite del sistema potenzialmente catastrofiche.

Oltre alla selezione del materiale, le prestazioni della tenuta dipendono dal durometro (durezza), dalla finitura superficiale delle parti accoppiate, dalla resistenza alla compressione e dalla presenza di lubrificanti o rivestimenti. Per le applicazioni critiche (aerospaziale, sottomarina, idraulica ad alta pressione), la progettazione delle tenute prevede l'analisi degli elementi finiti dello stress da contatto e test di invecchiamento accelerato per verificare le prestazioni durante la durata di servizio richiesta.