Ciencia y tecnología de los Hules (cauchos)

1. 1
Ciencia y Tecnología de
los hules (Cauchos)
J. Eduardo Morales Méndez
Coordinador de la especialidad de Plásticos
Cetis No 6

2. 2
La Industria de los Hules en México
 La Industria del hule
suministra una gran variedad
de productos que sirven
como insumos y productos
de uso a numerosas
industrias. Los consumidores
más importantes incluyen las
industrias de llantas,
ensamble de automóviles,
plásticos, almacenaje,
calzado, muebles, productos
farmacéuticos y en general
todo tipo de equipo y
maquinaria (bandas,
cámaras, empaques, etc.).

3. 3
 La cadena productiva
consta de dos etapas
y son:
 El sector productor
de hules (naturales y
sintéticos)
 El sector
transformador de
hules

4. 4
Productores de hule
 Esta industria
consta de dos
sectores
importantes:
 los productores de
hule naturales, y
 productores de
hules sintéticos.

5. 5
Transformadores de hule.
 Esta industria
actualmente está
dividida en diferentes
grupos, para nuestro
estudio la dividiremos
en tres sectores
 llantas y cámaras
 vulcanización de
llantas y cámaras
 productos de hule en
general

6. 6
Situación actual
 En México la producción de
hule natural es escasa
(7,000 ton/año), y abastece
solo el 10% del consumo
total nacional
 El cultivo de hule natural es
de importancia estratégica
para México, porque su
expansión permitirá abatir
la salida de divisas por más
de 100 millones de dólares
anuales, ya que importa 70,
000 toneladas por año que
representan el 90 % de las
necesidades actuales del
país.

7. 7
 La producción de
hule SBR en el país
es de 241,048
ton/año (datos del
2002), el productor
es Industrias
Negromex, S.A
(del grupo GIRSA)

8. 8
 La industria esta
representada por
alrededor de 1738
empresas de las cuales
el 70% se encuentran
en cuatro Entidades
Federativas:
Guanajuato (31.1%),
Distrito
Federal(15.4%),
Jalisco(14.4%) y Edo.
de México (12.5%)

9. 9
PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS DE
LOS ELASTÓMEROS
 En 1920, Hermann
Stuadinger supuso la
existencia de moléculas
gigantes cuyas
dimensiones podían
aproximarse a 10, 000 Aº y
su existencia fue
demostrada
experimentalmente tanto
por el como por otros
investigadores (premio
novel de química 1953 por
este descubrimiento).
 A estas macromoléculas
se les conoce como
polímeros.

10. 10
 Existen polímeros naturales de
gran significación comercial
como el algodón, formado por
fibras de celulosas. La
celulosa se encuentra en la
madera y en los tallos de
muchas plantas, y se emplean
para hacer telas y papel. La
seda es otro polímero natural
muy apreciado y es una
poliamida semejante al nylon.
La lana, proteína del pelo de
las ovejas, es otro ejemplo. El
hule de los árboles de hevea y
de los arbustos de Guayule,
son también polímeros
naturales importantes

11. 11
 Lo que distingue a los
polímeros de los materiales
constituidos por moléculas
de tamaño normal son sus
propiedades mecánicas. En
general, los polímeros
tienen una excelente
resistencia mecánica
debido a que las grandes
cadenas poliméricas se
atraen. Las fuerzas de
atracción intermoleculares
dependen de la
composición química del
polímero y pueden ser de
varias clases.

12. 12
 Un elastómero es un
polímero, natural o
sintético, que posee
propiedades elásticas. Es
decir, es un polímero que
puede deformarse al
aplicarle una fuerza, y que
recobrará
aproximadamente sus
dimensiones originales al
retirar dicha fuerza. Existen
entre 25 y 30
clasificaciones químicas de
elastómeros; seis de estas
representan el 90% de
todos los elastómeros
empleados.

13. 13
 La elasticidad es la
principal propiedad de
estos polímeros. La
elasticidad típica del hule
(vulcanizado) puede ser
caracterizada en general
por las propiedades
siguientes
 modulo de rigidez inicial
bajo
 elevado alargamiento a
rotura bajo cizallamiento o
tracción y elevada
resistencia a tracción
 recuperación rápida y
completa desde
deformaciones grandes,
incluso si se producen
durante períodos
prolongados, y
 amplio intervalo de
temperatura en el que se
mantienen estas
propiedades

14. 14
 Existen elastómeros formados
por un solo monómero como
es el caso del hule natural
( monómero- isopreno) o
copolímeros de dos o más
monómeros como hules
sintéticos donde el hules de
Estireno-Butadieno
( monómeros- estireno y
butadieno) son los más
importantes, por su volumen
de consumo a nivel mundial.
 Todos los elastómeros para
ser considerados como tales,
deben contener en su
estructura molecular dobles
enlaces y presentar el
fenómeno de visco-elasticidad

15. 15
 En el proceso de la vulcanización de un elastómero, pasa de
su forma termoplástica débil sin propiedades mecánicas
útiles, en un hule fuerte, elástico y tenaz (ver tabla 1). La
resistencia a la tracción, rigidez e histéresis (representa una
pérdida de energía como calor) del hule natural antes y
después de la vulcanización ( ver Fig. 1).

16. 16
 El hule sin vulcanizar
experimenta una gran
cantidad de
acondicionamientos
mecánicos cuando se
expone por primera
vez a tensiones de
tracción. Al ir teniendo
lugar ciclos sucesivos,
las variaciones en
resistencia al estirado,
resistencia a la tracción
se hacen menores.

17. 17
 El comportamiento tensión-
deformación de los vulcanizados
de hule puro (sin reforzante) de los
distintos elastómeros depende
marcadamente de la estructura
molecular, polaridad y cristalinidad
de los polímeros.
 EL hule nitrilo y el SBR, que son
copolímeros de estructura
compleja e irregulares, no
cristalizan en absoluto, pero el hule
natural y el hule butilo cristalizan al
ser estirados a temperatura
ambiente.
 En estos elastómeros los cristalitos
poseen un efecto de rigidez similar
al de un relleno reforzante con el
resultado de que sus curvas
tensión-deformación se curvan
hacia arriba marcadamente a
alargamientos altos.

18. 18
 un elastómero posee un
alto grado de elasticidad
que le es característico: sus
moléculas se alinean
cuando se estira el
material. La gran diferencia
con un plástico es esta:
cuando se elimina la fuerza
de estiramiento las
moléculas de un
elastómero no permanecen
extendidas y alineadas;
vuelven a sus
conformaciones
desordenadas originales
favorecidas por la entropía.
 (Foto.Wallace Hume Carothers, ayudó a crear
el Neopreno en Du Pont)

19. 19
 De los elastómeros
sintéticos el más importante
es el SBR un copolimero
del butadieno (75%) y
estireno (25%) que se
produce por medio de
radicales libres; compite
con el caucho en el uso
mayor de los elastómeros,
o sea, la manufactura de
neumáticos para
automóviles. Puede
obtenerse polibutadieno y
poliisopreno totalmente cis
por medio de la
polimerizacion Ziegler-Natta

20. 20
 Un elastómero completo o
mayormente polidienico es,
por supuesto, altamente no
saturado. Sin embargo, lo
único que se exige de un
elastómero es una
instauración suficiente para
permitir la formación de
enlaces cruzados: por
ejemplo, en la manufactura
del caucho butilico solo se
copolimeriza un 5% de
isopreno con isobutileno

21. 21
 El polímero puede
solidificarse formando
un material amorfo o
uno cristalino. Los
polímeros con fuertes
irregularidades en su
estructura tienden a
formar sólidos amorfos
y los polímeros con
cadenas muy
simétricas tienden a
cristalizar, por lo menos
parcialmente

22. 22
 En los polímeros las cadenas
son tan largas que fácilmente
se enmarañan y, además, en el
estado fundido se mueven en
un medio muy viscoso, así que
no puede esperarse en ellos un
orden tan perfecto, algunos
polímeros exhiben
ordenamiento parcial en
regiones llamadas cristalitos.
 Una sola macromolécula no
cabría en uno de esos
cristalitos, así que se dobla
sobre ella misma y además
puede extenderse a través de
varios cristalitos como se
ilustra en la figura

23. 23
 Un polímero parcialmente
cristalino, generalmente tiene
mayor resistencia mecánica
que el mismo material con
estructura amorfa. La mayor
resistencia o mayor módulo se
debe al gran número y
espaciamiento regular de los
enlaces intermoleculares en las
estructuras cristalinas. En los
polímeros amorfos, el número
de esas interacciones es menor
y su espaciamiento es errático,
así que al aplicarles esfuerzos,
muchas secciones del polímero
se extienden o deforman
libremente.

24. 24
 Al ir enfriando al caucho, la
viscosidad aumenta y al
llegar a Tg, se convierte en
un sólido duro, rígido y
frágil. Lo que sucede es
que, conforme disminuye la
temperatura, el polímero se
contrae porque las cadenas
se mueven menos y se
atraen más.
 Evidentemente, el estado
vítreo lo alcanzan diferentes
polímeros a diferentes
temperaturas

25. 25
 Los que sean más flexibles,
con menos grupos voluminosos
o con heteroátomos en sus
cadenas, podrán girar y
permanecer flexibles a
temperaturas menores que los
otros. Por ejemplo, los
silicones, el polietileno y el
hule natural, tienen
temperaturas de transición
vítrea de – 123º C, - 120º C, -
73º C, respectivamente. En
cambio, polímeros con grupos
grandes o grupos muy polares
o polarizables, tienen de por sí
tan baja movilidad molecular
que son vítreos a la
temperatura ambiente y para
reblandecerlos se requieren
altas temperaturas.

26. 26
 La influencia de la regularidad molecular, parte de que, la
simple presencia de grupos con fuerte atracción
intermolecular no basta para producir una tendencia
pronunciada a cristalizar y eventualmente a formar dominios
ordenados lateralmente, con puntos de fusión elevados y
fuerte resistencia a la disolución

27. 27
Hule o Caucho Natural
 Hule natural (NR): la fuente
comercial más importante del
hule natural es el árbol
conocido como Hevea
Brasiliensis; aunque existen
otras variedades de árboles de
las cuales se puede obtener no
tienen potencial comercial del
anterior. El polímero que da
origen al hule natural es el
poliisopreno.
 La estructura del hule natural
es cis 1, 4, alrededor de la
doble ligadura. Su adición
cabeza-cola.
 La cadena molecular es
filiforme

28. 28
Elasticidad del Hule Natural
 Cuando una fuerza se aplica la
agitación termal de los átomos
se detiene.
 Cuando se retira la fuerza el
efecto de entropía explica el
recobrado elástico inmediato
del hule natural.
 La condición de que exista
suficiente libertad de
movimiento molecular para
permitir que las distorsiones se
realicen rápidamente, impone
dos requisitos adicionales a las
propiedades: primero, el
polímero a su temperatura de
uso debe estar por encima de
Tg; y, segundo, debe ser
amorfo por lo menos en el
estado no distorsionado.

29. 29
Hules sintéticos
 Debe hacerse notar que el término “hule sintético” no implica
un hule sintético verdadero en el sentido químico de la
palabra. El uso indebido de la palabra “sintético” se justifica
en cuanto a que la propiedad más importante ( y de hecho
esencial) del hule no es de tipo químico sino físico, o sea su
capacidad de poderse alargar varias veces con respecto a su
longitud original y de contraerse con violencia, después de
eliminar la fuerza de alargamiento hasta retornar a su
longitud original.
 Linus Pauling ha establecido que una molécula de alcanfor
podría oler del mismo modo que el del hule, cualquiera que
fuera su composición.
 Cualquier sustancia, ya sea orgánica o inorgánica, que
presente este tipo de elasticidad se denomina “hule”, y
cuando se produce químicamente se llama “hule sintético”.

30. 30
Hule SBR
 Hule Estireno-Butadieno (SBR):
Este elastómero se obtiene como
producto de la copolimerización al
azar, del estireno y el butadieno,
tanto por el proceso de solución
como el de emulsión. Los
alemanes fueron los primeros en
obtener este producto con el
nombre de Buna – S en 1930 y fue
desarrollado como sustituto barato
del hule natural.
 La copolimerización siempre
produce estructuras desordenadas
ó al azar por lo que no cristaliza.
Por esto, el SBR tiene del 10 al 15
% de fuerza tensíl que el hule
natural o cualquier homopolímero.
 Por lo que es necesario usar
reforzantes ya que estos ordenan
la estructura molecular y cristaliza
cuando es extendido.

31. 31
Hule SBR
 El SBR es un hule sintético de uso general con que los alemanes y americanos
intentaron remplazar el hule natural. Esto demostró no ser posible, y se
encontró necesario emplear el hule natural hasta cierto punto.
 EL SBR puede emplearse mezclado con hule natural.
 Las operaciones del proceso son más difíciles y lentas con el SBR, es
conveniente usar algún agente peptizante.
 Para las superficies de rodamiento de los neumáticos, la mejor resistencia a
la abrasión se obtiene con los negros de humo HAF.
 El poder de adhesión del SBR es bajo, pero cuando se mezcla con pequeñas
porciones de hule natural, dicho poder es lo suficientemente adecuado para
los propósitos prácticos.
 EL azufre es menos soluble en el SBR que en el hule natural, por lo que dicho
azufre debe dividirse finamente e incorporarse de modo uniforme.
 Es un hecho sorprendente que, aun cuando la vulcanización es más lenta que
con el hule natural, se requiere menos azufre. Los mismos aceleradores y
activadores que se usan para el hule natural pueden emplearse con el SBR.
 Los vulcanizados de SBR no son tan resistentes al desgaste por los agentes
atmosféricos como lo son los hules naturales.
 Los vulcanizados SBR con los ingredientes adecuados son en realidad mejores
que los hules naturales.

32. 32
Hule butadieno-acrilonitrilo
 Hule Nitrilo (NBR): Este hule se
obtiene por la copolimerización al
azar, en emulsión del acrilonitrilo
(9 – 50 %) y el butadieno, por eso
la designación NBR.
 En 1935 fue fabricado y
comercializado por
FARBENINDUSTRIE en Alemania
con el nombre de PERBUNAN.
 La mayoría de las estructuras de
las unidades del butadieno se
reportan en la adición trans 1,4.
 Su peso molecular predominante
es 300, 000.
 Como su copolimerización es al
azar, esta produce estructuras
desordenadas, por lo que no
cristaliza.
 Será necesario usar reforzantes, ya
que estos ordenan la estructura
cuando es extendido y cristaliza.

33. 33
 Estos hules tuvieron tanto éxito que se han producido y ofrecido con
una gran variedad de nombres registrados.
 Aunque estos hules pueden trabajarse en las máquinas de hule
ordinarias, por lo general, las operaciones son más lentas, ya que
son menos termoplásticos que el hule natural.
 Puesto que estos hules son resistentes a los aceites, es esencial el
uso de ablandadores especiales, tales como los plastificantes se éster
o los nitrilos superiores de aplicación convencional.
 Debido a su bajo grado de insaturación se requiere menos azufre o
donantes de azufre en comparación con el hule natural.
 Se ha pretendido que los vulcanizados hechos con peróxidos tienen
mejores propiedades. Estos hules pueden vulcanizarse aun con el
solo calentamiento.
 Los hules nitrilo pueden mezclarse con otros hules, plásticos de
azufre, PVC o resinas fenólicas.
 Los hules nitrilo tienen una excelente resistencia a los aceites y al
calor

34. 34
Hule Neopreno
 Los neoprenos (CR) constituyen uno de
los primeros (1931) hules sintéticos.
 Se asemeja al hule natural en mayor
grado que los otros sintéticos; por
ejemplo, dan buenas propiedades en las
cargas de hule, tienen excelente
capacidad de adherencia, y su
masticación es tan fácil que
prácticamente puede omitirse.
 El vulcanizado se efectúa con óxido de
zinc y óxido de magnesio
 Los vulcanizados de neopreno muestran
buena resistencia a los aceites que, por
lo general, es ligeramente inferior a la
de los vulcanizados de hule nitrilo.
 Son más resistentes a los productos
químicos orgánicos, tal como los
acoholes, cetonas, etc.,
 Probablemente la propiedad más
singular es la resistencia a la flama, lo
cual se debe a su contenido de cloro.

35. 35
 Es por este motivo que el neopreno se usa para la construcción de
bandas transportadoras para las minas de carbón
 Existen neoprenos para diferentes propósitos y para cada caso
existen grados especiales.
 Los neoprenos AC y CG se utilizan para fabricar adhesivos de secado
rápido, el Q para la máxima resistencia a los aceites, el S para las
suelas crepé o para endurecer otros grados, y el WHV para dilución
con aceite. Los tipos de uso general son GN, GNA, GRT, W y WRT.
 Con el neopreno GN debe emplearse aceleradores especiales
 La adición de azufre origina vulcanizados más duros con menores
elongaciones a la ruptura.
 En general, cuando se usa en mezclas con hule natural no es
necesario considerar la presencia del neopreno para definir las
cantidades para el vulcanizado del hule natural.

36. 36
Principales elastómeros comerciales

37. 37
Especificaciones para la formulación y
normalización de compuestos de hule
 Como sucede en todas las
ramas de las ciencias, el
desarrollo en los procesos
avanza al parejo de los
nuevos descubrimientos
aplicables a la misma y los
elastómeros no han sido la
excepción.
 Desde el descubrimiento
de la existencia del hule
natural, no ha cesado la
investigación para poder
aprovechar sus magníficas
propiedades en todas las
ramas.

38. 38
 Es así, como en la
actualidad encontramos
hules sintéticos con altas
prestancias y sus
aplicaciones en
prácticamente todas las
actividades de la
humanidad, desde
membranas impermeables
para almacenamiento de
agua en el campo, hasta las
sofisticadas aplicaciones en
la investigación del espacio.

39. 39
 Con el devenir de la tecnología los requerimientos
de las piezas se vuelven más sofisticados y
requieren cubrir mayores condiciones críticas de
uso. Además de las propiedades de elasticidad y
resistencia mecánica es necesario tener resistencia
a diferentes medios, tales como:
 agua, aire, aceite, grasas, ácidos, bases, oxígeno,
cloro, ozono, altas temperaturas, etc.
 O tener ciertas propiedades especiales como:
 no manchantes, inodoras, translucidas, no tóxicas,
antiestático, etc.

40. 40
 Esta gama de aplicaciones, aunada
al hecho de que un compuesto de
hule está formado por el
elastómero y una gran variedad de
materiales, que tienen una función
determinada dentro del mismo, ha
hecho que la función del formulista
se constituya por una parte en
ciencia y por otra en un arte.
 Al formular un compuesto de hule
se debe tener en cuenta
básicamente, los siguientes
aspectos:
 Cubrir una determinada
especificación
 Que no presente dificultades de
proceso
 Que sea económica

41. 41
 Para facilitar el trabajo de formular un compuesto, se presenta
la siguiente tabla, que clasifica los componentes de la
formulación, dividido en grupos y en relación a su función
dentro de la formula.

42. 42
 Toda compañía bien organizada tiene para sus materias
primas y productos terminados, normas de control y cada una
de ellas sus respectivos formatos, a fin de cuentas todas
tienen como objetivo, el establecer sistemas de calidad vía la
clasificación; mediante los cuales se pueda obtener un código
para un determinado compuesto de hule el cual a través de
números y letras describa sus propiedades fundamentales y
específicas.
 Por otro lado los ingenieros proyectistas ocupados en la
selección de artículos de hule se encaran con un problema
desconcertante. Cuando tratan con la industria del hule deben
emplear el lenguaje de los hombres del hule. Deben emplear
términos como dureza, resistencia a la tracción, alargamiento,
modulo de elasticidad, deformación retardada y otros más.

43. 43
 Estas son viejas palabras familiares, pero que tienen un nuevo y
diferente significado cuando se aplican a los artículos de hule. El
ingeniero debe acomodar su pensamiento para adaptarse a algunas
nuevas definiciones, por ejemplo, el término “módulo”, aplicado al
acero, es definido como la inclinación de la porción recta de la curva
de tensión-alargamiento. En el caso de materiales elastoméricos, el
módulo se define como el esfuerzo requerido para producir una
deformación o un alargamiento dado.
 Para homologar las funciones y requerimientos tanto de los
fabricantes de productos elastoméricos como de los usuarios de
estos, Asociaciones de Industriales se dan a la tarea de desarrollar
normas y especificaciones de estos materiales, por lo que,
presentamos el sistema ASTM – D – 2000 a SAE J – 200, que es uno
de los sistemas de normalización internacional más usados en
México; no sólo es usado en la industria automotriz, sino que
también es empleado para artículos industriales de hule en las
ramas: petrolera, petroquímica, química, farmacéutica, artículos
domésticos y otras.

44. 44
SISTEMA DE CODIFICACION ASTM D – 2000
o SAE J – 200
 Este sistema fue diseñado por la
American Society for Testing and
Materials (ASTM) en colaboración
con la Society of Automotive
Engineers (SAE). Se basa en el
supuesto de que las propiedades
de todo producto de hule pueden
ser arregladas en designaciones
características del material. Estas
designaciones están determinadas
por “tipo” basado en la resistencia
al envejecimiento por calor y
“clase” que contempla la
resistencia al hinchamiento en
aceite. Esta designación básica se
complementa con requerimientos
adicionales para poder describir la
calidad de casi cualquier material
elastomérico

45. 45
El Objetivo principal es clasificar los productos de hule en
forma amplia, clara y completa.
 Grado – está representado por el
primer número, para el ejemplo es (2)
( se refiere al requisito que debe
cumplir)
 Tipo – está representado por la primera
letra, para el ejemplo es (B), es
decir las pruebas de envejecimiento se
llevan a cabo a 100°C (se
refiere a la resistencia que tiene el hule
al calor durante 79 horas)
 Clase – esta representada por la
segunda letra, para el ejemplo es
(C),resistencia del material al aceite, lo
cuál se mide por el cambio en volumen
o hinchamiento que el aceite produce
sobre el hule, como % máximo de 125

46. 46
 Los requerimientos
básicos, los cuales
analizan las
características físicas
originales de probetas de
la mezcla vulcanizada
representativa del
producto terminado, los
valores así obtenidos
sirven de base para
comparar los resultados
encontrados después de
los ensayos de
envejecimiento acelerado
en horno y fluidos de
prueba.

47. 47

48. 48
 Requerimientos subfijos
 Como complemento a la tabla de
los requerimientos básicos existe
para tipo de hule otra tabla de
requerimientos llamados subfijos,
indicados mediante letras y
números, los cuales les indican las
desviaciones a procedimientos de
prueba ASTM; además, para cada
uno de estos subfijos la tabla
determina una serie de grados
numerados del 1 al 8, los cuales
son utilizados para hacer cambios
o adicionar mejoras a los valores
de los requerimientos básicos.
Dicho grado está especificado en la
última columna de la tabla de
requerimientos básicos (ver tabal
4). El grado No.1 indica que
solamente se analizan los
requerimientos básicos.

49. 49
PROPIEDADES FÍSICAS
 VISCOSIDAD
MÉTODO ASTM D – 1646
 Es una medida de la libertad de
movimiento que tienen las
moléculas entre sí de acuerdo a
una fuerza cortante que se le
aplica entre ellas, esto es,
resistencia a deslizarse unas
moléculas sobre otras. Pequeña en
los gases y extraordinariamente
grande en los sólidos.
 La determinación de la viscosidad
se relaza en un viscosímetro
Mooney, el cual mide la viscosidad
en función del tiempo; este
también medirá los incrementos en
el nivel de activación, aceleración,
o retardación del compuesto.

50. 50
 REOMETRIA
METODO ASTM D – 2084
 Las propiedades de la
vulcanización, se miden
actualmente utilizando el
Reómetro (de disco oscilante),
el cuál mide la respuesta
mecánica de un compuesto de
hule a un esfuerzo oscilante
como función del tiempo a una
temperatura dada de curado.
 La curva resultante (reometría)
proporciona información muy
valiosa sobre las propiedades
de procesamiento y curado de
un compuesto de hule.

51. 51
 DUREZA (Durómetro A)
METODO D – 2240 – 68
 La dureza se define
generalmente como la
resistencia a la penetración de
un punzon en un hule, los
ensayos de dureza dependen
de la resistencia a la
deformación plástica.
 Existen varios tipos de
durómetros con sus marcas
registradas como Shore A y
Wallace; todos son calibrados
con la misma escala arbitraria
de 0 a 100 (de blando a duro).

52. 52
 TRACCION
METODO ASTM D – 412 – 68
 Esta prueba también es
conocida como tensión-
elongación – modulo. Las
propiedades de tracción
constituyen la indicación
individual más importante de
la resistencia de un material de
hule.
 Con este ensayo se determina
la fuerza necesaria para
romper la pieza al estirarla y,
además la capacidad de
estiramiento antes de
romperse

53. 53
LA VULCANIZACIÓN
 Las moléculas de hule no están fijas unas a otras,
pueden moverse más o menos libremente en el
interior de la masa, es decir tienen movimiento
macrobrowniano.
 El hule es un elasto-plástico y tiene flujo
newtoniano mecánico y termodinámicamente
irreversible, por lo que no ofrece mucha resistencia
a una fuerza que actúe sobre el hule, sus módulos
son muy pequeños (la fuerza necesaria para
deformar el compuesto es conocida como módulo,
éste módulo es la tensión necesaria para una
elongación determinada

54. 54
 Un gran número de
macromoléculas son unidas por
puentes intermoleculares durante
la vulcanización y se necesita una
gran fuerza para producir una
deformación determinada. El hule
vulcanizado, ahora es un
elastómero (se formo una red
tridimensional entre sus
macromoléculas), durante la
vulcanización, las cadenas
macromoleculares se unen
mediante puentes, que están
bastante alejados entre sí. En el
hule natural, sólo una de cada cien
unidades de isopreno se unen
entre sí, en una vulcanización
normal

55. 55
Ingredientes constituyentes de los
compuestos de hule y su formulación.
 Actualmente se fabrican más de
50, 000 piezas o artículos de hule,
Todo empezó hace más de 260
años, cuando Charles Goodyear
descubrió la vulcanización.
 Cada industria desarrolla sus
propias especificaciones de
acuerdo con el uso final de la pieza
de hule
 Por mencionar algunas industrias
están:
 automotriz
 militar
 aeronáutica y espacial
 Eléctrica
 Petrolera
 Minera
 De la construcción
 Alimenticia
 Farmacéutica
 Del vestido
 Del calzado
 Del hogar
 Deportivos
 Del juguete

56. 56
 Cada una desarrolla sus
propias especificaciones. Y la
pregunta que todo Ingeniero
Formulista se hace es, ¿Cómo
formulamos un compuesto de
hule que cumpla con cada una
de las especificaciones para
cada una de las industrias ya
mencionadas?
 Para facilitar el trabajo de
formular un compuesto, se
clasifican los componentes de
la formulación (Tabla 5.1),
dividido en grupos y en
relación a su función dentro de
la formula.

57. 57
 ELASTÓMERO O POLÌMERO
BASE
 El principal componente de un
compuesto de hule es un
elastómero (hule o caucho) o
mezcla de elastómeros,
seleccionados para
aplicaciones específicas, de
acuerdo con una o varias de
sus características. El
elastómero es la base de un
compuesto y se consideran a
todos los ingredientes
proporcionales a la base
elastomérica, por lo que se
considera partes por cien de
hule (PCH).

58. 58
 CARGAS
 Los compuestos de hule
normalmente requieren un
relleno, conocido como carga,
para cumplir con dos
propósitos igualmente
importantes. El primero de
ellos está dirigido a reforzar al
elastómero base para obtener
un compuesto con ciertas
propiedades; y el segundo está
encaminado a disminuir el
costo del compuesto sin
modificar ninguna de las
propiedades del elastómero
base. Por lo tanto, existen dos
tipos de cargas: reforzantes y
no reforzantes

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 PLASTIFICANTES
 Los plastificantes más populares son los
aceites derivados del petróleo. Estos
son empleados en cantidades
considerables para controlar la
viscosidad del compuesto crudo o en
verde (como se le llama al compuesto
antes de vulcanizar) y la dureza del
compuesto vulcanizado. Los
plastificantes también son llamados
ablandadores o extendedores. El
término extendedor es usado para
indicar que el aceite es utilizado con
cargas reforzantes de manera que se
disminuya el costo del compuesto, es
decir, hasta cierto punto actúa como
una carga. El término plastificante se
aplica para resaltar la habilidad del
aceite de actuar como un lubricante
interno para propósitos de proceso, así
como mejorar la flexibilidad del
producto vulcanizado a bajas
temperaturas. Los plastificantes se usan
cuando se desea incrementar la
flexibilidad del compuesto de hule.

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 ANTIDEGRADANTES
 Los antidegradantes son conocidos
también como protectores, son
materiales que sin afectar
sensiblemente la obtención del
vulcanizado, permiten alargar la vida
útil de una determinada pieza de hule,
inhibiendo la acción de elementos que
intervienen en la destrucción química
del hule vulcanizado, como el oxígeno,
el ozono, el calor, la luz, la combinación
de elementos que componen el
ambiente (gases de motores, humedad,
etc.) y la fatiga mecánica.
 Una gran gama de antidegradantes está
disponible para el formulista
(compounder), y estos se hayan
generalmente dentro de dos grandes
clases:
 antioxidantes (capaces de aligerar la
reacción de oxidación con el hule)
 antiozonantes ( prevén la deterioración
del hule por el ataque del ozono)

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 AGENTES VULCANIZANTES
 Todos los elastómeros vulcanizables tienen una característica
en común: cierto grado de instauración dentro de su
estructura polimérica, que de una manera simple se define
como la presencia de dobles enlaces entre los átomos de
carbono, distribuidos periódicamente a lo largo del esqueleto
molecular del polímero a procesar. Los elastómeros en este
estado poseen propiedades semejantes a los polímeros
plásticos, aunque no necesariamente las propiedades útiles
que los materiales termoplásticos podrían tener. En particular,
el material se suavizará o ablandará con el calor y retornará a
su estado original cuando se enfríe; un proceso que podrá ser
repetido de manera ilimitada suponiendo que ningún otro
efecto lateral o reacción ocurrirá

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 ACELERADORES
 La vulcanización fue descubierta en 1839
por Goodyear, al calentar el hule natural
con azufre.
 Hule natural
 Azufre
 Tiempo de vulcanización 4 Horas.
 En 1906 Oenslager descubrió que:
 Hule natural
 Azufre
 Anilina
 Oxido de zinc
 Podía vulcanizar en una hora y se obtenían
artículos aceptables. Como la anilina era
muy venenosa se empezó a formular
 Hule natural
 Azufre
 Tiocarbanilina
 Oxido de zinc
 Con lo que el tiempo de vulcanización se
redujo a 24 minutos.
 Actualmente los aceleradores son
orgánicos y contienen en su estructura
molecular nitrógeno y azufre.

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 ACTIVADORES
 En 1920 fue descubierto que el óxido de zinc mejoraba la acción de
la mayoría de los aceleradores y que la acción del óxido de zinc es
mejorada por los ácidos grasos.
 La aceleración es activada por productos básicos o alcalinos, que
produzcan materiales básicos o alcalinos durante la vulcanización. La
aceleración es retardada por ácidos orgánicos.
 Existen dos tipos de activadores: orgánicos e inorgánicos
 Los activadores inorgánicos se combinan con los orgánicos y los
aceleradores, para formar compuestos complejos que actúan
directamente con el agente vulcanizante incrementando la velocidad
de la reacción.
 Existen varios productos empleados como activadores. El activador
inorgánico más empleado es el óxido de zinc, y el activador orgánico
más empleado es el ácido esteárico. Ambos se incluyen en la
formulación de un compuesto de hule.

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 INGREDIENTES VARIOS
 A menudo se necesita
recurrir a sustancias que
nos ayudan a modificar las
características finales de un
compuesto, tales como
colorantes, aromatizantes,
esponjantes, fungicidas,
fibras de refuerzo,
regeneradores y polvo de
hule vulcanizado

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Formulación o diseño de un compuesto
de hule
 Objetivos de la formulación
 Al realizar la formulación de un
compuesto de hule, el
diseñador o formulista debe
satisfacer ciertos objetivos, de
los cuales, los más importantes
están relacionados con:
 las propiedades del producto
final
 características de
procesabilidad del compuesto
 costo del compuesto
 Podemos decir que, el
formulista deberá visualizar
que los tres puntos anteriores
se mantengan en equilibrio,
manteniendolos siempre como
sus guías de acción y reacción.

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 Consideraciones
 Para que se pueda cumplir los objetivos de la formulación, antes de realizarla, el
diseñador debe responder a varias preguntas de manera que exista una guía concreta
para iniciar con esta labor. Algunas de las preguntas que debe responder son:
 ¿En qué medio ambiente va a trabajar el producto final?
 Está sometido a temperatura
 Está sometido a luz solar y ozono
 Está en contacto con solventes, ácidos o aceites
 ¿Qué propiedades físicas requiere?
 Dureza
 Elasticidad
 Módulo y Tensión
 Desgarre
 ¿Qué propiedades de proceso requiere?
 Facilidad de flujo
 Adhesión ( Tack)
 Pegajosidad (Stick)
 Tiempo de quemado (Scorch)
 ¿Cuál es su parámetro de funcionalidad?
 son sus propiedades físicas
 Es su costo
 Es su disponibilidad

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Parámetros de Mezclado
 Una vez decidida la formulación que
teóricamente satisfaga todas las
propiedades requeridas para el compuesto
crudo y vulcanizado, la operación de
mezclado es la encargada de lograr los
óptimos valores de las mismas.
 En términos generales, la cinética del
mezclado es probablemente entendida,
adoleciendo de un adecuado tratamiento
teórico; no obstante, podemos definir o
visualizar aquí cinco etapas fundamentales

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 Subdivisión de grandes aglomerados
o trozos de materiales sólidos y hules
 Incorporación de los materiales en
polvo y líquidos en el hule ya
subdividido para establecer un íntimo
contacto con éste.
 Dispersión, que implica la reducción
del tamaño de partículas individuales
hasta el mínimo posible. Esta fase es
también llamada “mezclado
intensivo” y requiere un mayor nivel
de energía y esfuerzo de corte que
la anterior. Es la etapa clave de toda
la operación.
 Mezclado simple: distribución al
“azar” de todas las partículas ya
dispersas en la mezcla. Se lo suele
llamar “mezclado extensivo o
distributivo”.
 Reducción de viscosidad: En este
punto, un exceso de trabajo o
masticación produce una reducción
de la viscosidad, adecuándola a los
procesos posteriores.

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 Todas estas etapas pueden
darse simultáneamente en
distintas proporciones de la
mezcla; como la dispersión es
la más dificultosa y la que
directamente incide sobre las
propiedades del compuesto,
podremos entonces enunciar la
regla básica de todo
procedimiento de mezclado:
 El hule se deberá masticar
para facilitar la incorporación
de los materiales, pero deberá
retener suficiente nivel de
viscosidad como para romper
las partículas de los
ingredientes y asegurar así una
dispersión satisfactoria.

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 primera etapa, donde se
genera la mezcla base o
maestra (master batch)
 segunda etapa, donde se
agregan los agentes
vulcanizantes y acelerante
 Si bien esta metodología
aumenta el tiempo global de
mezclado y el stock intermedio
de las mezclas en la fábrica,
tiene como beneficio
comprobado una mayor
consistencia “mezcla - a –
mezcla” de las finales,
especialmente si se respeta un
estacionamiento mínimo previo
de las bases.

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 Tipo de mezcladores
 El mezclado de los compuestos de
hule se puede hacer tanto en
molinos abiertos, como en
mezcladores internos (Banbury).
 Mezclador abierto
 El mezclado en molinos es el
método inicial práctico, más
común en nuestra industria.
 Los parámetros de mezclado en el
molino son:
 temperatura
 tamaño del lote o carga
 orden de incorporación de los
ingredientes
 tiempo de mezclado
 método de trabajo del operador

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 Mezclador interno
(Banbury)
 Basado en el concepto original
del Ing. Fernley H. Banbury,
las máquinas de este tipo son
frecuentemente referidas como
“Banburys” aunque sean de
otras marcas.
 Al transcurrir el tiempo se han
introducido numerosas
modificacionesde diseño pero
la idea central no ha cambiado.
 De todas partes, surgen
principalmente las siguientes,
por su incidencia directa en el
control del ciclo de mezclado