Vulcanisation
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La vulcanisation (ou curage) est le procédé de pontage des longues molécules de caoutchouc pour le rendre moins plastique mais plus élastique.
[modifier] Technique
Après polytion, en présence d’un système réticulant, les macromolécules repliées forment un réseau tridimensionnel sans direction privilégiée les poussant à revenir à l’état initial quand la contrainte est relâchée.
La représentation la plus visuelle pour expliquer ce phénomène est le plat de spaghetti. Le polymère de caoutchouc est un spaghetti. Si on a un plat de spaghettis, on ne peut pas saisir un seul spaghetti, les Force de van der Waals (force de type électrostatique), que l'on retrouve au sein du caoutchouc en assurent la cohésion. Toutefois, si l'on prend le temps de tirer doucement sur le spaghetti, on peut l'extraire.
Pareillement le caoutchouc naturel n'a pas de consistance solide, il coule. Si l'on fait une bille de caoutchouc pur et qu'on la pose sur un support plan, elle va couler pour former une flaque de caoutchouc à la manière d'un liquide. Cette expérience dure quelques heures. Ainsi, au premier abord, le caoutchouc peut paraître élastique et d'ailleurs la bille précédemment formée rebondit très bien. Les forces de Van der Waals assurent une cohésion suffisante pour permettre une certaine élasticité.
Pour stopper le phénomène de fonte et ajouter de la cohésion, on introduit du soufre. Il est mélangé au caoutchouc, et la cuisson apporte l'énergie nécessaire à l'établissement des liaisons électroniques (schématiquement, un échange d'électrons) entre le soufre et les monomères du caoutchouc. Cela permet donc la connexion entre deux polymères et ainsi une cohésion durable du caoutchouc. Il apparaît ainsi que le dosage du soufre est essentiel : trop de soufre et le caoutchouc ne sera plus élastique (trop de chaînes polymères seront fixés ensemble), pas assez de soufre et la cohésion sera insuffisante, et la durée de vie réduite. L'introduction d'un excès de soufre diminue, à terme, l'effet des forces de Van der Waals, ces dernières jouant un rôle extrêmement important dans la tenue de route de l'automobile.
C'est le cœur de l'art et la science de la fabrication des pneumatiques, mais aussi de la fabrication de la plupart des becs de clarinette et de saxophone taillés dans l'ébonite.
[modifier] Histoire
Charles Goodyear l'a découvert en janvier 1840 et son nom provient du dieu romain Vulcain, un forgeron.
La première marque à utiliser cette technique en habillement est Puma qui, dès 1960, s'en sert dans l'élaboration des chaussures de sport. Erratum : 1853 : L'américain Hiram Hutchinson, achète le brevet de Charles Goodyear sur les perfectionnements apportés à la confection de bottes, chaussures et souliers en latex.Il démarre la fabrication à Langlée, près de Montargis.La "compagnie du caoutchouc souple" produit à grande échelle des chaussures et des vêtements imperméables.La marque "à l'aigle", hommage à l'animal emblème de l'Amérique, est déposée.(archives Aigle)
[modifier] Fabrication
L'élastomère est le composant principal d’un mélange qui peut comporter entre 10 et 20 ingrédients différents. Certains sont nécessaires pour la vulcanisation (soufre, péroxyde), d’autres permettent d’en accélérer le processus. Certains autres protègent (antioxygènes, ...), ramollissent (huiles, graisses, acides gras, ...), ou encore colorent (oxyde de zinc, lithopone, ...). Pour faciliter le mélange de ces ingrédients, on utilise un Erratum : Le mélangeage (bien que ce terme ne soit pas français il est couramment employé dans la profession au lieu du terme malaxage) des ingrédients se fait "par voie séche", c'est à dire sans aucun solvant, par broyage mécanique ce qui génère un échauffement des ingrédient favorisant l'adsorption des produits entre eux. Cet échauffement est néfaste au mélange, puisqu'il ne doit pas vulcaniser tant que le produit n'a pas été mis en forme; par conséquent les machines utilisées (mélangeurs internes, type banbury) sont équipées de dispositif de refroidissement, et le contrôle de la température du mélange durant le malaxage est une caractéristique critique de ce procédé. Cette opération de mélangeage est un généralement un procédé discontinu (mélangeur vide; chargement des ingrédients; mélangeage; vidange du mélangeur; mélange suivant) bien que des procédés continus aient été développés depuis les années 1990 notamment pour des polymères dits "thermoplastiques" (vulcanisables ou non). Le mélangeage par voie humide (avec solvants) est spécifique à la fabrication de dissolutions, c'est à dire les colles à base de caoutchouc (colle neoprene par exemple).solvant.
Les produits à base de carbonate de calcium ou de sulfate de baryum améliorent son aspect. Le noir de carbone augmente la résistance à l'abrasion.
La vulcanisation est une réaction quasi-irréversible, c'est-à-dire que le réseau tridimensionnel créé par le soufre ne peut être "démonté" aisément par action chimique, ou par action thermique pour remodeler une pièce en caoutchouc et lui donner une autre forme. Cela signifie qu'un article en caoutchouc, une fois vulcanisé est soit conforme et donc utilisable; soit non conforme et dans ce cas l'article est rebuté. En fait il est possible de réutiliser la matière, grace au circuit spécifique des sociétés de recyclage dans lesquel les produits vulcanisés subissent à la fois un traitement chimique et thermique très agressif lors duquel le réseau tridimensionnel est démantelé. Le matériau obtenu, appelé "caoutchouc régénéré" (reclaim en anglais) possède des caractéristiques physiques moins performantes que le produit d'origine, notamment en raison du traitement subi; mais son réemploi à des taux variables (moins de 10 % à plus de 50%)est réalisable pour certaines fabrications, générant une économie non négligeable; mais surtout permettant un réel recyclage d'un matériau très particulier disponible en très grande quantité sur l'ensemble de la planète en raison de ses multiples applications.
La chimie des polymères est très diversifiée; la chimie de leur vulcanisation l'est également (par exemple, le soufre utilisé pour vulcaniser de très nombreux caoutchoucs est un véritable "poison" empêchant la vulcanisation des caoutchoucs silicones)
