Cómo se fabrica el caucho: proceso de fabricación, extrusiones, moldeado y clave

Materia prima de caucho: fuentes naturales y sintéticas

El caucho comienza como una de dos materias primas fundamentalmente diferentes: el caucho natural extraído de árboles vivos o el caucho sintético derivado de materias primas petroquímicas. Ambas rutas producen un polímero elastomérico, un material capaz de sufrir una gran deformación y recuperación elástica, pero difieren en la estructura molecular, el perfil de rendimiento, el costo y la dinámica de la cadena de suministro.

caucho natural

El caucho natural se origina como látex, una suspensión coloidal lechosa de cis-1,4-poliisopreno partículas de polímero en agua, producidas en la corteza del Hevea brasiliensis árbol (el árbol del caucho). El golpeteo implica cortar un surco diagonal a través de la corteza exterior para estimular el flujo de látex, que se recoge en copas adheridas al árbol. Un árbol de caucho maduro produce aproximadamente 2-3 kg de caucho seco por año , y los árboles productivos permanecen en cosecha durante 25 a 30 años. La gran mayoría del suministro mundial de caucho natural (más de 90% — proviene de plantaciones de pequeños agricultores en Tailandia, Indonesia y Vietnam, que en conjunto representan aproximadamente el 70% de la producción mundial.

El látex recolectado en el campo contiene aproximadamente entre un 30% y un 40% de sólidos de caucho en peso. Se procesa en los centros de recolección mediante uno de dos métodos: coagulación con ácido fórmico o acético para producir láminas de caucho (RSS - lámina ahumada acanalada - o TSR - bloque de caucho técnicamente especificado), o concentración por centrifugación para producir un concentrado de látex al 60% para productos que requieren caucho líquido. Las principales ventajas del caucho natural sobre las alternativas sintéticas son su Resistencia a la tracción excepcional (hasta 30 MPa sin relleno), excelente resistencia a la fatiga y baja acumulación de calor bajo carga dinámica. — propiedades que lo hacen insustituible en neumáticos grandes para camiones, aviones y equipos todoterreno.

Caucho Sintético

Los cauchos sintéticos se producen polimerizando monómeros petroquímicos, y cada tipo de polímero está diseñado para un perfil de rendimiento específico. Las principales familias de caucho sintético utilizadas en aplicaciones industriales y de automoción son:

• Caucho de estireno-butadieno (SBR): El caucho sintético de mayor volumen a nivel mundial; Se utiliza en neumáticos para turismos, cintas transportadoras y calzado. Buena resistencia a la abrasión a menor costo que el caucho natural pero con propiedades dinámicas inferiores bajo cargas severas.
• EPDM (Monómero de etileno propileno dieno): Excelente resistencia a la intemperie, al ozono y a los rayos UV; el material dominante para sistemas de sellado de automóviles, membranas para techos y perfiles de caucho para exteriores. Rango de temperatura de funcionamiento de –50 °C a 150 °C.
• Caucho de nitrilo (NBR): Excepcional resistencia a aceites de petróleo, combustibles y fluidos hidráulicos; el material estándar para sellos de aceite, mangueras de combustible y juntas tóricas en aplicaciones automotrices e industriales.
• Neopreno (CR — Caucho de cloropreno): Combinación equilibrada de resistencia al aceite, resistencia a la intemperie y retardo de llama; Se utiliza en trajes de neopreno, revestimientos de cables y mangueras industriales.
• Caucho de silicona (VMQ): Rango de temperatura extrema (–60°C a 230°C), biocompatibilidad y aislamiento eléctrico; Se utiliza en dispositivos médicos, aplicaciones en contacto con alimentos, sellos de alta temperatura y electrónica.
• Viton (FKM - Caucho de fluorocarbono): La mayor resistencia química y a la temperatura de cualquier elastómero comercial; Se utiliza en sistemas de combustible aeroespaciales, sellos de procesamiento químico y aplicaciones automotrices de alto rendimiento.

Cómo se fabrica el caucho: el proceso de producción

Independientemente de si el material de partida es caucho natural o sintético, la fabricación de caucho industrial sigue una secuencia de etapas de procesamiento que transforman el polímero en bruto en un compuesto terminado con propiedades diseñadas con precisión. Cada etapa agrega o modifica características de desempeño específicas en el producto final.

Etapa 1: Masticación

El caucho en bruto, en particular el caucho natural, llega en forma de fardos o migajas con un peso molecular muy alto que lo hace demasiado rígido y elástico para procesarlo o combinarlo de manera efectiva. La masticación es un proceso de descomposición mecánica que se lleva a cabo en mezcladores internos (mezcladores Banbury) o rodillos de molino abiertos a temperaturas controladas, utilizando fuerzas de corte para romper cadenas moleculares y reducir la viscosidad a un nivel procesable. Se mide la viscosidad Mooney del caucho para confirmar una masticación adecuada antes de continuar. Los cauchos sintéticos a menudo se suministran premasticados a grados de viscosidad listos para el proceso, lo que reduce o elimina este paso.

Etapa 2: capitalización

La composición es la etapa técnicamente más compleja de la fabricación de caucho: el punto en el que un polímero en bruto se transforma en un material diseñado con dureza, resistencia a la tracción, alargamiento, deformación por compresión, resistencia química y comportamiento de procesamiento específicos. Los ingredientes agregados durante la preparación incluyen:

• Agentes vulcanizantes: Azufre (para cauchos naturales y la mayoría de los cauchos diénicos) o peróxidos (para cauchos EPDM, silicona y fluorocarbonos) que forman enlaces cruzados entre cadenas de polímeros durante el curado: el proceso químico que transforma el caucho crudo pegajoso y propenso a fluir en un sólido elástico fuerte.
• Aceleradores: Compuestos orgánicos (tiazoles, sulfenamidas, tiuramos) que reducen drásticamente el tiempo y la temperatura de curado; Sin aceleradores, la vulcanización con azufre requeriría horas a alta temperatura.
• Rellenos: negro de humo (el relleno de refuerzo más eficaz, que mejora la resistencia a la tracción entre 5 y 10 veces y la resistencia a la abrasión en órdenes de magnitud) o sílice (utilizada en las bandas de rodadura de neumáticos de alto rendimiento para una menor resistencia a la rodadura y un mejor agarre en mojado); carbonato de calcio y arcilla utilizados como rellenos extensores no reforzantes para reducir costos
• Plastificantes y aceites de proceso: Mejorar el flujo de procesamiento, reducir la dureza del compuesto y reducir los costos; Aceites parafínicos, nafténicos y aromáticos seleccionados en función de la compatibilidad con el polímero base.
• Antidegradantes: Antioxidantes y antiozonantes que protegen el caucho curado del ataque oxidativo y del ozono durante la vida útil.
• Activadores: Óxido de zinc y ácido esteárico, que activan el sistema de vulcanización acelerador-azufre y están presentes en prácticamente todos los compuestos curados con azufre.

Etapa 3: Conformado (Extrusión, Moldeo o Calandrado)

Al compuesto mezclado se le da forma hasta su geometría final o casi final utilizando uno de los tres procesos de formación principales: extrusión, moldeado o calandrado. Cada uno se adapta a diferentes geometrías de productos y volúmenes de producción, y se describe en detalle en las secciones siguientes.

Etapa 4: Vulcanización (Curado)

La vulcanización es la reticulación química de cadenas de polímeros de caucho que le da al caucho curado sus propiedades definitorias: elasticidad, resistencia y resistencia a la deformación permanente. Sin vulcanización, el caucho sigue siendo termoplástico y se arrastra bajo carga. La vulcanización se lleva a cabo aplicando calor (normalmente 150–200°C ) durante un período de tiempo controlado (el tiempo de curado) en una prensa, autoclave, horno o línea de curado continuo, según el tipo de producto. El curado excesivo (reversión) ablanda el caucho al degradar los enlaces cruzados; el curado insuficiente deja una densidad de reticulación insuficiente y produce un producto débil y pegajoso. El control preciso de la temperatura, el tiempo y la presión de curado es fundamental para lograr una calidad constante del producto.

Extrusiones de caucho para automóviles y perfiles de caucho extruidos

La extrusión de caucho es un proceso de formación continua en el que un compuesto de caucho compuesto se fuerza a través de una matriz bajo presión utilizando una extrusora de tornillo giratorio, produciendo un perfil de sección transversal constante a alta velocidad. Luego, el perfil extruido se vulcaniza, ya sea de forma continua (en un baño de sal, microondas o túnel de curado con aire caliente inmediatamente después de la matriz) o en trozos cortados en una prensa o autoclave, para producir el producto terminado.

La extrusión es el proceso dominante para producir productos de caucho de sección transversal larga, continua o repetitiva. Su principal ventaja es la velocidad de producción y la rentabilidad para perfiles de gran volumen: una vez fabricado un troquel, se producen metros lineales de perfil a velocidades de 5 a 50 metros por minuto dependiendo de la complejidad del perfil y el método de curado, en comparación con la economía del moldeo con tiempo de ciclo limitado.

Aplicaciones de extrusión de caucho para automóviles

La industria del automóvil es el mayor consumidor de perfiles de caucho extruido, y un vehículo de pasajeros moderno contiene 200–400 componentes individuales de extrusión de caucho en sistemas de sellado, acristalamiento, burletes y debajo del capó. Las categorías clave incluyen:

• Sellos de puertas y ventanas: Perfiles coextruidos de EPDM que combinan caucho denso para una función estructural y caucho esponjoso (celular) para un sellado compatible; correr continuamente alrededor de las aberturas de las puertas y los marcos de las ventanas para evitar la entrada de agua, viento y ruido.
• Canales de vidrio: Perfiles de sección en U que recubren el canal del marco de la ventana a través del cual se desliza el vidrio de la puerta; Requieren una superficie de baja fricción, precisión dimensional y retención a largo plazo de las propiedades elásticas.
• Sellos de carrocería y sellos de maletero: Perfiles de EPDM huecos o esponjosos que proporcionan el principal sellado contra la intemperie entre los paneles de la carrocería, el capó y las tapas del maletero.
• Mangueras debajo del capó: Mangueras extruidas de NBR, EPDM o silicona para sistemas de refrigeración, vacío y admisión de aire; a menudo reforzado con trenza textil o hélice de alambre para resistir la presión
• Protección de molduras y bordes: Perfiles de canal en U con clips de soporte metálicos integrados en los bordes del panel de la carrocería; Proteger contra la corrosión y proporcionar un acabado estético.

La extrusión automotriz moderna utiliza con frecuencia coextrusión – extruir simultáneamente dos o más compuestos de caucho con diferente dureza, color o propiedades de deslizamiento a través de un solo troquel – para producir perfiles multifuncionales en una sola pasada. Las extrusiones de vulcanizado termoplástico (TPV) están reemplazando cada vez más a los perfiles tradicionales de EPDM termoestable en aplicaciones seleccionadas, ofreciendo reciclabilidad y moldeabilidad por inyección junto con un rendimiento de sellado comparable.

Productos de caucho moldeados y piezas moldeadas de caucho

El moldeado de caucho se utiliza para producir componentes con geometría tridimensional compleja, tolerancias dimensionales estrictas o características (como canales internos, labios y bridas) que no se pueden formar mediante extrusión. Tres procesos de moldeo dominan la fabricación de componentes de caucho, cada uno con distintas herramientas, tiempos de ciclo y características de aplicación.

Moldeo por compresión

Se coloca una carga de caucho preformada (en bruto o preforma) en una cavidad de molde abierta; el molde se cierra bajo presión hidráulica, obligando al caucho a llenar la cavidad; el calor cura el compuesto hasta darle la forma de la cavidad. El moldeo por compresión es el proceso más simple y con menor costo de herramientas, adecuado para Piezas de complejidad media en volúmenes moderados. . La rebaba (el exceso de caucho exprimido de la línea de separación) se recorta después del moldeo. Las aplicaciones típicas incluyen sellos, juntas, ojales, soportes vibratorios y juntas tóricas con diámetros demasiado grandes para un moldeo por inyección eficiente.

Moldeo por transferencia

El compuesto de caucho se carga en un recipiente de transferencia situado encima del molde cerrado. Un émbolo fuerza el caucho a través de bebederos y canales hacia las cavidades del molde. El moldeo por transferencia produce Piezas más limpias con menos rebaba que el moldeo por compresión. , permite un mejor control de la uniformidad del relleno en herramientas de múltiples cavidades y permite el moldeado de piezas unidas por metal (moldeo por inserción) donde el caucho se une a sustratos metálicos en una sola operación. Común para juntas tóricas complejas, diafragmas y componentes antivibración unidos.

Moldeo por inyección

El compuesto de caucho se plastifica en un cilindro de tornillo calentado y se inyecta a alta presión en un molde cerrado y caliente, esencialmente el equivalente de caucho del moldeo por inyección termoplástico. El moldeo por inyección ofrece la tiempos de ciclo más cortos, mayor consistencia dimensional y menores costos de mano de obra por pieza en grandes volúmenes, pero requiere la mayor inversión en herramientas y es más rentable para piezas complejas en volúmenes superiores a 50.000-100.000 piezas por año. El proceso dominante para sellos automotrices de precisión, tapones médicos y componentes complejos de múltiples cavidades.

Fuelles de goma : Diseño, función y aplicaciones

Un fuelle de caucho es un componente de caucho flexible, plisado en acordeón o enrollado diseñado para adaptarse al movimiento axial, la deflexión angular, el desplazamiento lateral o la vibración mientras mantiene un recinto sellado alrededor del mecanismo que protege. La geometría corrugada (una serie de circunvoluciones o pliegues) permite que el fuelle se comprima, se extienda y se flexione repetidamente a lo largo de millones de ciclos sin fallar por fatiga, a diferencia de un tubo simple que se pandearía o agrietaría bajo un desplazamiento equivalente.

Los fuelles de goma cumplen dos funciones simultáneas en la mayoría de las aplicaciones: acomodación mecánica (absorbiendo el movimiento relativo entre componentes conectados sin transmitir carga) y sellado ambiental (excluyendo suciedad, agua, contaminantes y humedad del mecanismo interior protegido). Esta combinación hace que los fuelles sean indispensables en cualquier conjunto donde las piezas móviles deban protegerse del entorno de servicio.

Aplicaciones de fuelles de caucho para automóviles

• Botas de junta homocinética (fuelles de junta homocinética): La aplicación de fuelle para automóviles más común: una cubierta que retiene la grasa y excluye la contaminación sobre la junta homocinética en cada extremo del eje de transmisión. Normalmente EPDM o elastómero termoplástico (TPE); debe soportar rotación continua, deflexión angular de hasta 45°, temperaturas de funcionamiento de –40°C a 120°C e intervalos de servicio de 150.000 km.
• Fuelles de cremallera de dirección: Botas de acordeón que protegen el mecanismo de piñón y cremallera expuesto de la suciedad y el agua de la carretera; típicamente EPDM o neopreno en un diseño simple de múltiples convoluciones
• Guardapolvos para amortiguadores: Fuelles protectores que protegen la varilla pulida del amortiguador de la contaminación abrasiva; Previene el desgaste prematuro del sello y de la varilla.
• Polainas de cambio y freno de mano: Fuelles internos de la cabina que brindan cobertura estética y exclusión de suciedad alrededor de las penetraciones de las palancas a través del piso o la consola.

Aplicaciones de fuelles de caucho industriales

• El camino de la máquina herramienta cubre: Fuelles que protegen los rieles guía lineales y los husillos de bolas en máquinas CNC del refrigerante, virutas y residuos de rectificado
• Juntas de dilatación: Fuelles de caucho de gran diámetro en sistemas de tuberías que absorben la expansión térmica, la vibración y la desalineación entre secciones de tuberías rígidas; Utilizado en HVAC, procesamiento químico y sistemas de escape marinos.
• Botas de cilindros neumáticos e hidráulicos: Protección de las varillas del actuador de la contaminación ambiental en entornos industriales al aire libre, de lavado y químicamente agresivos.
• Fuelles del brazo robótico: Cubiertas flexibles perfiladas a medida para juntas de robots industriales; Debe mantener un rango completo de movimiento sin restringir el movimiento y al mismo tiempo evitar la entrada de salpicaduras de soldadura, pintura o polvo.

Los fuelles de caucho generalmente se producen mediante moldeo por compresión o transferencia, con la geometría de convolución formada directamente en la cavidad del molde. La selección de materiales depende del entorno de servicio: EPDM para aplicaciones en exteriores y expuestas a la intemperie, NBR para exposición a aceites y combustibles, silicona para servicios a altas temperaturas y neopreno para un perfil equilibrado de uso general. La uniformidad del espesor de la pared en todas las circunvoluciones es el parámetro crítico de calidad de fabricación. — los puntos delgados concentran el estrés y se convierten en sitios de inicio de fatiga que terminan prematuramente con su vida útil.

Usos del caucho en todas las industrias

La combinación única del caucho de elasticidad, amortiguación, capacidad de sellado, aislamiento eléctrico y resistencia química lo hace funcionalmente irreemplazable en una gama más amplia de industrias que casi cualquier otro material de ingeniería. Ningún sustituto sintético ha replicado todas las propiedades del caucho vulcanizado; el resultado es que el consumo mundial de caucho continúa creciendo en paralelo con la producción industrial y automotriz, superando actualmente 30 millones de toneladas métricas por año de caucho natural y sintético combinados.

• Neumáticos y ruedas: La categoría de aplicación más grande, que consume aproximadamente 70% de todo el caucho natural y 55% de caucho sintético. producido a nivel mundial. Los compuestos de neumáticos son estructuras complejas de múltiples capas que utilizan diferentes formulaciones de caucho en las áreas de la banda de rodadura, la pared lateral, el revestimiento de la correa, el revestimiento interior y el talón, cada una optimizada para un requisito funcional distinto.
• Sellos, juntas y juntas tóricas: La tecnología fundamental de prevención de fugas en prácticamente todos los sistemas de manejo de fluidos, desde plomería doméstica y electrodomésticos hasta sistemas hidráulicos aeroespaciales y equipos submarinos de producción de petróleo. La capacidad del caucho para adaptarse elásticamente bajo compresión a superficies irregulares lo hace excepcionalmente eficaz como material sellador.
• Antivibraciones y aislamiento acústico: Los soportes de motor, los casquillos de suspensión, los soportes de máquinas y las almohadillas amortiguadoras de ruido aprovechan la alta amortiguación interna del caucho para absorber la energía vibratoria y evitar su transmisión entre estructuras conectadas. Un turismo moderno contiene 50–80 componentes antivibraciones de caucho .
• Mangueras y tubos: Transporte de fluidos flexible desde mangueras de jardín y tuberías médicas hasta mangueras hidráulicas de alta presión y líneas de transferencia de productos químicos industriales. El refuerzo con capas de trenza textil, trenza de alambre o hélice de alambre extiende la capacidad de presión mucho más allá del caucho no reforzado.
• Cintas transportadoras: La columna vertebral del manejo de materiales a granel en minería, agregados, agricultura y logística: bandas de caucho en anchos de hasta 3 metros y longitudes de kilómetros, con una selección de compuestos adaptada a la abrasividad, temperatura y naturaleza química del material transportado.
• Médico y sanitario: Guantes, catéteres, tubos, tapones, diafragmas y componentes de dispositivos médicos: predominan el látex de caucho natural y el caucho de silicona, con estrictos requisitos de biocompatibilidad y esterilización que rigen las especificaciones del material.
• Aislamiento eléctrico: Los revestimientos de cables y alambres, el aislamiento de aparamenta y los componentes de equipos de alto voltaje aprovechan las excelentes propiedades dieléctricas del caucho; EPDM y EPR son materiales de aislamiento estándar para cables de alimentación de media tensión.
• Calzado: Suelas, entresuelas y calzado de alto rendimiento especializado: caucho natural y SBR que brindan agarre, resistencia a la abrasión y amortiguación en aplicaciones que van desde botas de trabajo y calzado deportivo hasta calzado militar y de seguridad.
• Construcción: Almohadillas de soporte para puentes, sellos para juntas de expansión, membranas impermeables y soportes de aislamiento de vibraciones para servicios de construcción: componentes de caucho que protegen las estructuras de cargas dinámicas, movimientos térmicos y la entrada de agua durante vidas útiles medidas en décadas.