Universidad Nacional de San JuanEscuela IndustrialDomingo Faustino Sarmiento

- caucho -

2º Industrias de procesos

PROFESORA:Ing. Claudia PRATO

INTEGRANTES: Nicolás BARRIOSJuan Francisco SILVA

FECHA: 01-09-10

CAUCHO

RESEÑA HISTÓRICA:

Algunas propiedades y usos del caucho ya eran conocidas por los indígenas del continente americano mucho antes de que, en 1492, los viajes de Colón llevaran el caucho a Europa. Los indios peruanos lo llamaban cauchuc, que se traduce como 'impermeable', de ahí su nombre. Las civilizaciones americanas usaron el caucho sobre todo del hule para la fabricación pelotas de goma de caucho, zapatos de goma, tiras para sostener instrumentos de piedra y metálicos, mangos de madera, etc. Aunque los antiguos mesoamericanos no contaban con procesos de vulcanización, desarrollaron métodos orgánicos para tratar el caucho con resultados similares, mezclando el látex crudo con varias savias y jugos de otras enredaderas.

Durante muchos años, los españoles intentaron imitar los productos resistentes al agua de los nativos sin éxito.

A principios del siglo XVIII, Pedro Vicente Maldonado descubrió la planta, que luego entregó a Charles de La Condamine, quien posteriormente descubrió que el caucho natural estaba compuesto por cadenas de hidrocarburo, con lo que dejó abierta la posibilidad de producir caucho sintético.

La primera aplicación comercial del caucho la inició en 1791 el fabricante inglés Samuel Peal, que patentó un método para impermeabilizar tejidos, tratándolos con caucho disuelto en trementina. Charles Macintosh, químico e inventor británico, fundó en 1823 una fábrica en Glasgow para manufacturar tejidos impermeables y ropa para la lluvia, que lleva desde entonces su nombre.

Después, John Dunlop inventará los neumáticos en 1887, el caucho pasó a ser el oro blanco de la selva sudamericana.

Durante la I Guerra Mundial los químicos alemanes fabricaron caucho sintético a partir de dimetil butadieno, en vez de isopreno, y para 1925 abarataron el proceso usando butadieno, que a su vez se obtenía del butano y butileno, subproductos del petróleo que se convirtió en la principal materia prima para la obtención del caucho. A partir de 1945 la producción de caucho sintético supera la de caucho natural, el cual sin embargo ha permanecido en el mercado, logrando importancia en épocas de precios altos del petróleo.

Extracción de látex de un árbol tropical.

FÓRMILA MOLECULAR:

El caucho natural desde el punto de vista químico es un hidrocarburo de naturaleza olefinica, con gran número de enlaces etílicos que forman una cadena de isoprenos cuya formula es: C5H8

H H ---- C---- H

H H H C === C -- C ==== C

El producto que se obtiene del árbol, es una solución del caucho natural (30-40%), aminoácidos, minerales y otros elementos en los que sobresale el boro, el magnesio, carbono, bario y el agua (60-70%) esta solución se conoce como látex y fluye al abrir los haces de vasos laticíferos que posee la planta al interior de la corteza y cercana al cambio, mediante el proceso de sangría, aprovechando la calidad que tiene la hevea a responder a las heridas infringidas en el árbol.

Por polimerización de Isopreno

Estructura Molecular

OBTENCIÓN:

Existen diferentes tipos de cauchos, y estos se pueden clasificar en dos grandes grupos: el caucho natural y el caucho sintético. La principal diferencia entre ambos radica en el origen de las materias primas. A continuación se explica cada uno de ellos:

Caucho Natural: Este se obtiene a partir de un fluido lácteo llamado látex hallado en muchas especies vegetales típicas de regiones tropicales. Caucho Sintético: Este se obtiene a partir del procesamiento de hidrocarburos.

Caucho Natural

En estado natural, el caucho aparece en forma de suspensión coloidal en el látex de plantas productoras de caucho.

El caucho en bruto obtenido de otras plantas suele estar contaminado por una mezcla de resinas que deben extraerse para que el caucho sea apto para el consumo.

Para recoger el látex de las plantaciones, se practica un corte diagonal en ángulo hacia abajo en la corteza del árbol. El látex exuda desde el corte y se recoge en un recipiente. La cantidad de látex que se extrae de cada corte suele ser de unos 30 ml. Después se arranca un trozo de corteza de la base del tronco para volver a tapar el corte, normalmente al día siguiente. Se plantan unos 250 árboles por hectárea, y la cosecha anual de caucho bruto en seco suele ser de unos 450 kg por hectárea.

El látex extraído se tamiza, se diluye en agua y se trata con ácido para que las partículas en suspensión del caucho en el látex se coagulen. El caucho natural suele vulcanizarse, proceso por el cual se calienta y se le añade azufre o selenio, con lo que se logra el enlazamiento de las cadenas elastómeros, para mejorar su resistencia a las variaciones de temperatura y elasticidad

Se prensa con unos rodillos para darle forma de capas de caucho de un espesor de 0,6 cm, y se seca al aire o con humo para su distribución.

Caucho Sintético

Puede llamarse caucho sintético a toda sustancia elaborada artificialmente que se parezca al caucho natural. Se obtiene por reacciones químicas, conocidas como condensación o polimerización, a partir de determinados hidrocarburos insaturados. Los compuestos básicos del caucho sintético llamados monómeros, tienen una masa molecular relativamente baja y forman moléculas gigantes denominadas polímeros.

El origen de la tecnología del caucho sintético se puede situar en 1860, cuando el químico británico Charles Hanson Greville Williams descubrió que el caucho natural era un polímero del monómero isopreno, cuya fórmula química es CH2-C(CH3)CH-CH2.

El Caucho Estireno Butadieno más conocido como caucho SBR es un copolímero (polímero formado por la polimerización de una mezcla de dos o más monómeros) del Estireno y el 1,3-Butadieno. Este es el caucho sintético mas utilizado a nivel mundial.

Producción de caucho SBR

Materias primas:

1,3-Butadieno: Se obtiene principalmente a partir de los gases del petróleo según diferentes procesos.

Estireno: También llamado vinilbenceno, se prepara a partir del benceno y acetileno.

Métodos de Producción del Caucho SBR

A continuación se encuentra un cuadro comparando las propiedades de cauchos SBR obtenidos por ambos procesos:

Las proporciones respectivas de butadieno y estireno en el copolímero son de aproximadamente 75% y 25% en peso para un caucho SBR Sintético. Este tipo de goma es fabricado generalmente mediante el proceso de polimerización en emulsión en frio.

Este proceso se lleva a cabo por medio de radicales libres en emulsión en agua y a baja temperatura. Notar que el método de polimerización en caliente (goma caliente) que usaba persulfatos como iniciadores, se descartó en favor de la polimerización en frío, que se difundió con la adopción de sistemas redox.

Propiedades Emulsión en Frío

Resistencia a la tensión (Kg/cm2) 211

Elongación a la rotura (%) 380

Módulo (300%) (Kg/cm2) 155

Resistencia al desgarro (lb/in a 20ºC) 320

Procesos de Emulsión en Frío

Esta es la técnica más usada, y representa el 90% de la capacidad de producción mundial. Todos los procesos son continuos y generalmente están altamente automatizados. Tienen la capacidad de producir muchos tipos de SBR.

Preparación de reactivos

Los monómeros son tratados con soda cáustica en tanques agitados para remover los inhibidores de polimerización usados para el transporte y almacenamiento de monómeros. A continuación los efluentes son lavados con agua para remover cualquier vestigio de cáustica. Los dos monómeros, parte de los cuales representa la corriente de reciclaje luego de la reacción, son mezclados en proporciones en peso de butadieno/estireno de 3 a 1.

Se usan tanques de peso y de preparación para preparar las diferentes emulsiones y soluciones requeridas para las secciones de reacción o bien de acabado del producto.

Solución de jabón

Este es usado como provisión emulsificadora. Su composición depende del tipo de producto final deseado. Usualmente es una solución de jabón de ácidos grasos o sales ácidas carboxílicas, tales como ácido benzoico.

Iniciador

Todos los procesos usan sistemas redox. Como agente reductor frecuentemente se utiliza sulfoxilato de sodio. El agente oxidante es hidroperóxido de parametano, que permite velocidades de reacción mayores, dada su capacidad para descomponerse rápidamente. El quelato (compuesto que contiene iones metálicos) es sulfato ferroso.

Terminación abrupta

En la abrumadora mayoría de los casos, la conversión de monómeros es menor del 65%, dado que la elevada conversión causa una transformación parcial del polímero en gel. Para garantizar una calidad uniforme del producto, la reacción se detiene apenas se alcanza la conversión deseada. Se usan varios inhibidores en solución, tales como dimetilditiocarbanato de sodio.

Estabilizadores

Estos son emulsiones que se agregan al látex antes de la coagulación para prevenir la degradación por oxidación y el entrecruzamiento del polímero durante las operaciones de acabado y almacenamiento. Se usan varios estabilizadores, incluyendo N-fenil alfa-naftilamina.

Coagulantes

La polimerización genera un látex, es decir una masa viscosa en emulsión. Si se desea un elastómero sólido, el látex debe ser coagulado mediante el agregado de sustancias químicas. El coagulante principal es una solución de cloruro de sodio conteniendo ácido sulfúrico.

Reguladores del peso molecular

El peso molecular del producto final se regula mediante mecaptanes como dodecil mercaptán, que ayuda a limitar el peso molecular originando transferencias de cadenas.

Reacción de polimerización

La reacción transcurre en una serie de reactores agitados, a una temperatura de 5ºC y una presión de 1 a 4 bares para mantener el butadieno en estado líquido. El tiempo de polimerización es de 10h.

Cada reactor, con una capacidad de 15 a 20 m3, se mantiene en una atmósfera inerte para evitar cualquier entrecruzamiento. Estos reactores cuentan con una camisa externa, y están equipados con una bomba de circulación de salmuera fría (amoníaco). Una instalación con una capacidad de producción de 40.000 t/año de polímero seco requiere diez reactores en serie.

La emulsión pasa a través de cada reactor en flujo ascendente durante 1 h antes de pasar al reactor siguiente. Por lo tanto, para la conversión total del 60%, la conversión de monómero por reactor deberá ser del 6%.

Se introduce una solución de dodecil mercaptán en el reactor final para detener la polimerización. Se usa un aditivo como hidracina o un derivado de la hidroxilamina para evitar la formación de espuma cuando el látex es calentado.

El látex se bombea a un tanque de amortiguamiento mantenido a una presión de 4 bares a 50ºC por inyección abierta de vapor.

Recuperación de monómeros

El 40% de los monómeros no reaccionante debe ser recuperado y a continuación, reciclado.

El butadieno es vaporizado en dos tanques de acción rápida en serie. Los últimos restos de butadieno son removidos por medio de una bomba de vacío. Este es enfriado, recomprimido, y luego enviado a un decantador, donde se separa del agua. A continuación es bombeado a un tanque de almacenamiento en presencia de un inhibidor.

El látex libre de butadieno es bombeado a una columna de bandejas en la base de la cual se inyecta vapor (5 bares) para desalojar el monómero de estireno. Este es enfriado y enviado a un tanque de decantación, donde se separa del agua arrastrada. Luego es bombeado al tanque de almacenamiento.

Coagulación y secado

El látex que abandona el fondo de la columna es enfriado y luego almacenado en tanques de homogeneización (volumen unitario 800 m3). El número de estos tanques depende del rango de gradaciones de SBR que la unidad debe producir (generalmente entre tres y seis). El antioxidante N-fenil alfa-naftilamina (aproximadamente 1% en peso) se agrega al látex, el que entonces se coagula por el agregado sucesivo de sal y ácido sulfúrico diluido. Rompiendo la emulsión, el ácido permite al copolímero precipitar en forma de migajas, las que se enjuagan con agua para remover impurezas inorgánicas.

A continuación el polímero, que contiene aproximadamente 50% de agua, es secado (horno de túnel) y prensado en forma de fardos de 40 kg.

Proceso de Emulsión en Frío

PODUCCIÓN Y COMERCIO MUNDIAL:

Durante la mayor parte del siglo XIX, los árboles tropicales de América del Sur (abarca territorio venezolano, colombiano, ecuatoriano y brasileño) continuaron siendo la fuente principal de obtención del

caucho. En 1885, los ingleses recolectaron semillas del Hevea brasiliensis y, lograron sacarlas de contrabando fuera de Brasil. Consiguieron germinarlas con éxito y las emplearon para establecer plantaciones en la zona subtropical de África (Liberia y Congo), en la India, en Ceilán (hoy Sri Lanka) y en varias zonas del sudeste asiático (Malaysia e Indonesia), convirtiéndola en la mayor productora de caucho natural del mundo. Hacia 1915 se comercializaron las primeras partidas de caucho de estas plantaciones a precios sin competencia posible para los caucheros de la Amazonia lo que provocó su debacle económica de la región y la de los caucheros.

La importancia política y económica del caucho natural se puso en evidencia durante la II Guerra Mundial cuando se disminuyo notablemente el suministro. Este fenómeno aceleró el desarrollo del caucho sintético en algunos países. En 1990, la producción mundial de caucho superó los 15 millones de toneladas métricas, de las cuales 10 millones fueron de caucho sintético.

Actualmente, las zonas de mayor producción de caucho natural son Malasia, La India, Tailandia, Vietnam y Brasil. Hubo grandes plantaciones de Heveas en África tropical, Guinea, Liberia y Congo, Pero actualmente el predominio de la producción pertenece al Sudeste asiático. Con respecto al caucho sintético los mayores productores son Estados Unidos, China, Japón, Rusia, Corea del Sur, Alemania y Francia.

Producción mundial de caucho natural y sintético en los últimos años (fuente: Banco Mundial)

CARÁCTERÍSTICAS Y PROPIEDADES:

El caucho bruto en estado natural es un hidrocarburo blanco o incoloro.

El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8. A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC, el caucho puro es un sólido duro y transparente. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. Al amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC, el caucho adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone.

El caucho puro es insoluble en agua, álcalis o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono. Con agentes oxidantes químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente.

Propiedades físicas

• A bajas temperaturas, se vuelve rígido, y cuando se congela en estado de extensión adquiere estructura fibrosa. • Calentando a más de 100 ºC, se ablanda y sufre alteraciones permanentes. • El caucho bruto adquiere gran deformación permanente debido a su naturaleza plástica. • La plasticidad del caucho varía de un árbol a otro y también depende de la cantidad de trabajo dado al caucho desde el estado látex, de las bacterias que lo acompañan e influyen en su oxidación y de otros factores. La plasticidad puede modificarse dentro de ciertos límites por la acción de productos químicos.

• La densidad del caucho a 0 ºC es de 0.950 a 20 ºC es de 0.934. • Cuando el caucho bruto ha sido estirado y deformado durante algún tiempo, no vuelve completamente a su estado original. • Si se calienta, la recuperación es mayor que a la temperatura ordinaria. Este fenómeno se denomina deformación residual o estiramiento permanente y es propio del caucho.• Gran variedad de sustancias son solubles o pueden dispersarse en caucho bruto, tales como el azufre, colorantes, ácido esteárico, N-fenil-2-naftilamina, pigmentos, aceites, resinas, ceras, negro de carbono y otras. • Se deteriora por la acción de la luz.

Propiedades químicas

• La solubilidad del caucho bruto en sus disolventes más comunes no es muy elevada.• Los disolventes más usados son el benceno y la nafta, el tricloroetileno, tetracloroetano, pentacloroetano, tetracloruro de carbono, cloroformo, tolueno, xileno, keroseno y éter. El caucho se hincha primero poco a poco hasta las consistencias de gel y después éste se dispersa formando una solución. El caucho bruto aumenta de 10 a 40 veces su propio peso en disolventes que a la temperatura ordinaria forman gel con el caucho. • La viscosidad de la solución del caucho bruto es grande. • El caucho bruto calentado hasta 200 ºC se ablanda y sus soluciones tienen menor viscosidad, pero el número de dobles enlaces se conserva sin alteración. • Cuando la temperatura se eleva hasta 250 ºC., los enlaces dobles se separan y tiene lugar la formación de anillos. El cambio a caucho cíclico eleva la densidad y la solubilidad, el producto obtenido es una dura y frágil resina.

APLICACIONES Y USOS COMERCIALES:

Sus principales usos son:

Fabricación de tubos

Los tubos y mangos de caucho pueden clasificarse en tres grupos: 1- Tubos fabricados exclusivamente de caucho, que muy utilizados para alimentar aparatos portátiles con gas, agua, aire comprimido, mecheros Bunsen, etc. 2- Tubos de tela interpuesta de una o varias capas de caucho y telas de lana intercaladas con el fin de que puedan resistir grandes presiones. 3- Tubos de caucho trenzados de los cuales la camisa interior es de caucho de excelente calidad, se reviste exteriormente de uno o dos trenzados de hilo de algodón, lino, seda, etc., según su aplicación.

Fabricación de correas

Las correas de caucho no se componen únicamente de este material sino de numerosas tela de algodón de alta calidad cauchotadas y superpuestas hasta obtener el espesor exigido por el esfuerzo mecánico que la correa ha de transmitir.

Fabricación de esponjas de caucho

Las esponjas de caucho son resistentes a la mayoría de los productos químicos, propiedad de la que carecen las esponjas naturales. Además conserva siempre su flexibilidad y elasticidad. Se pueden fabricar en formas regulares y todas las dimensiones. También pueden emplearse corno aislantes del calor, electricidad, y sonido. Añadiendo materiales colorantes se pueden fabricar esponjas de todos los colores.

Fabricación de sondas y tubos de cirugía

Para la fabricación de sondas se emplean mandriles del diámetro interior de la sonda, el mandril es sumergido varias veces en la solución de caucho hasta alcanzar el espesor de 1mm.

Fabricación de tejidos impermeables

Para la fabricación de tejidos se emplean dos procedimientos, el más económico consiste en adoptar una película de la materia impermeabilizante al tejido que se quiera impermeabilizar, extendida uniformemente con ayuda de una calandra. El segundo procedimiento es más lento, complicado, y costoso, este consiste en la evaporación del disolvente de una capa fina aplicada en forma de barniz sobre la tela por medio de máquinas de engomar llamadas SPREANDING. Las telas impermeables de alta calidad y resistencia son usadas para aviación, aeronáutica, neumáticos, trajes de buzos, etc.

Fabricación de neumáticos

El caucho bruto se amasa en molinos de masticación y mezcla, que consiste en dos rodillos girando a diferentes velocidades. El caucho se ablanda, probablemente a causa de la rotura de sus largas moléculas en otras más cortas.

Después de ser amasado se agregan: negro de carbón, óxido de zinc, azufre, caucho, regenerado y ablandadores, cada uno de estos ingredientes cumple una finalidad determinada. El negro de carbón, sirve para aumentar la resistencia a al abrasión. El óxido de zinc es un acelerador de vulcanización, y el caucho regenerado se utiliza para disminuir el costo del neumático acabado. Los productos químicos que actúan como aceleradores se incorporan para acortar el tiempo de vulcanización y para proteger el caucho acabado del envejecimiento por la acción de la luz y del aire.

Debido a las todas las propiedades que posee el caucho, nombradas anteriormente también se utiliza para la fabricación de: mangueras, cámaras de aire de los neumáticos (bicicletas y motos), rodillos para una amplia variedad de máquinas, globos, colchones, revestimientos de tanques de almacenamiento, guantes protectores, zapatos y mantas. El caucho duro se usa para las carcasas de teléfonos, piezas de aparatos de radio, medidores y otros instrumentos eléctricos.

VARIEDADES:

Neopreno

Uno de los primeros cauchos sintéticos fue el neopreno, el polímero del monómero cloropreno, de fórmula química CH2-C(Cl)CH-CH2. Las materias primas del cloropreno son el etino y el ácido clorhídrico. El neoprenoes resistente al calor y a productos químicos como aceites y petróleo. Se emplea en tuberías de conducción de petróleo y como aislante para cables y maquinaria.

Buna o caucho artificial

La buna es obtenida por copolimerización, que consiste en la polimerización de dos monómeros denominados comonómeros.

La palabra Buna se deriva de las letras iniciales de butadieno, uno de los comonómeros, y natrium (sodio), empleado como catalizador. En el Buna-N, el otro comonómero es el acrilonitrilo (CH2-CH(CN)), que se produce a partir del ácido cianhídrico. El Buna-N es muy útil en aquellos casos que se requiere resistencia a la acción de aceites y a la abrasión.

Caucho de butilo

Este tipo de caucho, se obtiene por copolimerización de isobutileno con butadieno o isopreno. Es un plástico y puede trabajarse como el caucho natural, pero es difícil de vulcanizar. Aunque no es tan flexible como el caucho natural, es muy resistente a la oxidación y a la acción de productos corrosivos. Debido a su baja permeabilidad a los gases, se utiliza en los tubos interiores de las llantas de automóviles.

Otras clases de cauchos especiales

Se han desarrollado numerosos tipos de cauchos con propiedades específicas para aplicaciones y usos especiales. Uno de estos cauchos especiales es el coroseal, un polímero de cloruro de vinilo (CH2-CHCl). Estos polímeros son resistentes al calor, la corrosión y la electricidad, y no se deterioran por la acción de la luz ni por un almacenamiento prolongado. El coroseal no se puede vulcanizar, pero mientras no se le someta a altas temperaturas, se muestra más resistente a la abrasión que el caucho natural o el cuero.

Otro tipo de caucho especial es el tiocol, que se obtiene por copolimerización de dicloruro de etileno (CHCl-CHCl) y tetrasulfuro de sodio (Na2S4). Puede trabajarse y vulcanizarse como el caucho natural y es resistente a la acción de los aceites y los disolventes orgánicos usados en barnices; se emplea para aislamientos eléctricos pues no se deteriora con la luz ni la electricidad.

IMPACTO AMBIENTAL:

Las combinaciones de caucho natural y sintético se usan en la fabricación de productos de caucho, y el procesamiento puede traducirse en emisiones de compuestos orgánicos volátiles, que contaminan el ambiente.

El caucho 100% natural si es biodegradable. Pero no todos los cauchos, dado que existen diferentes tipos de cauchos. De todas maneras al caucho natural siempre le agregan algunos otros elementos que funcionan como un socio que mejora sus propiedades y rendimiento en el tiempo. En el proceso de vulcanización le agregan compuestos de azufre para hacerlo más resistente y eso lo convierte en un residuo contaminante peligroso, que seguramente van a dejar rastro en los suelos. Además actualmente el caucho se combina con otros plásticos derivados del petróleo. Son muy pocas las empresas que fabrican caucho natural 100%, ya que al durar poco seria no rentable para aquel que lo produce.

Voluminosos residuos como los neumáticos también tienen un efecto perjudicial sobre el media ambiente. En Europa su enterramiento está prohibido y, sin embargo, en España se paralítica en vertederos que solucionan parcialmente el dilema. Según el Consorcio Nacional del Caucho, los neumáticos en un vertedero son unos residuos flexibles y no compactables, lo que limita su rehabilitación. Además, como están fabricados para resistir condiciones mecánicas y meteorológicas extremas son prácticamente indestructibles al paso del tiempo. Su forma es un refugio ideal para insectos y roedores. Los mosquitos que transmiten fiebres y encefalitis por picaduras, se reproducen 4.000 veces más rápidamente en el agua estancada de un neumático que en su entorno natural. En cuanto al riesgo de incendios su impacto es alarmante. El más grande hasta ahora ha sido el de Seattle (Washington, Estados Unidos), donde ardieron más de un millón de neumáticos durante tres meses, liberando monóxido de carbono, dióxido de carbono, dióxido de azufre y hollín en grandes cantidades.

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