Caratterizzazione di mescole crude a base di gomma

Le proprietà fisiche e chimiche dei materiali sono di fondamentale importanza per la progettazione, la produzione e il controllo della qualità dei prodotti. Di conseguenza, non sorprende che un gran numero di metodi di prova sia stato ideato per misurare queste proprietà. Sebbene ogni settore merceologico abbia prove specifiche, quello dei prodotti in gomma, vista la sua complessità, presenta un numero di test particolarmente elevato.

Tutti gli articoli a base gomma sono costituiti da una o più mescole. In genere il termine gomma viene usato erroneamente per indicare sia un ingrediente, detto elastomero, sia i prodotti finiti; ma in realtà l’elastomero è presente nel prodotto insieme agli ingredienti, ovvero tutti quegli elementi aggiuntivi che rafforzano o attenuano determinate caratteristiche specifiche degli articoli. L’insieme della gomma e degli ingredienti costituisce la mescola che è il vero materiale con cui vengono realizzati gli articoli in gomma.

La gomma è un materiale altamente elastico; l’ingrediente di base che conferisce questa proprietà alla mescola è l’elastomero. Tuttavia, la gomma è altamente elastica solo quando la mescola viene sottoposta al processo di vulcanizzazione. Per processo di vulcanizzazione si intende un trattamento in temperatura che rende stabili e irreversibili i legami che si creano tra le catene molecolari di elastomero in presenza di specifici ingredienti. Tale processo permette la realizzazione di una struttura tridimensionale definitiva. Le proprietà esposte di seguito sono riferite a mescole allo stato crudo. Le proprietà tecnologiche delle mescole, ottenute con un’accurata scelta del tipo di polimero e/o tramite la ricetta impiegata, devono essere determinate sia sul crudo (inteso come mescola prima della vulcanizzazione) sia sul vulcanizzato.

Figura 1 - Gomma naturale e mescole crude

Sono strumenti per misurare la viscosità degli impasti; cioè mescole senza il sistema vulcanizzante. La prova consiste nello schiacciare tra due piani paralleli il provino, quindi rimuovere la forza applicata per misurane il ritorno elastico. Esistono diversi tipi di plastometro come, ad esempio, il plastometro Scott e il plastometro rapido Pirelli. Un plastometro a piani paralleli molto diffuso è il Wallace che ha la particolarità di utilizzare un provino molto sottile, con uno spessore di 3 mm e un diametro di 10 mm, per permettere tempi di riscaldamento molto brevi. In questo plastometro il provino viene introdotto fra una cavità e un penetratore riscaldati a 100 °C, quindi forzato allo spessore di 1 mm in 2 secondi, preriscaldato per 15 secondi e sottoposto alla forza di 100 N per 15 secondi che ne misura lo spessore finale. Rispetto ai viscosimetri e ai reometri, oggi questo plastometro è meno utilizzato.

Lo strumento tradizionale per valutare la vulcanizzazione è il viscosimetro Mooney che può essere dotato di due tipologie di rotori: un rotore zigrinato con un diametro di 38,1 mm e un’altezza di 5,5 mm (ML, Mooney Large) oppure di un rotore più piccolo, con un diametro di 30,5 mm e un’altezza di 5.5 mm (MS, Mooney Small) per viscosità più elevate. In ogni caso il rotore viene fatto ruotare alla velocità di 2 giri/min da un dispositivo torsiometrico con micrometro misuratore. Questo sistema è tarato convenzionalmente di modo che a 100 divisioni del micrometro corrisponda una coppia applicata al rotore di 8,3 Nm. Il rotore ruota entro una camera zigrinata avente dimensioni interne pari a 50,9 mm di diametro e un’altezza di 10,6 mm, normalmente termostatata a 100 °C. La camera è apribile in modo da poter introdurre 2 provini di circa 25 cm3 di mescolanza inseriti uno sotto e l’altro sopra il rotore per poi essere chiusa con 12 kN di forza. Introdotto il provino e chiusa la camera, si effettua un preriscal-

damento di 1 minuto, si mette in moto il rotore e dopo 4 minuti si legge l’indicazione del micrometro. Il viscosimetro Mooney permette inoltre lo studio della reticolazione utilizzando il metodo Mooney Scortch. Il test consiste nel riscaldamento di 1 minuto, dopo il quale ha inizio la rotazione, che viene protratta fino a che non si comincia a registrate un aumento di viscosità; la temperatura solitamente utilizzata è di 121°C. Questo aumento di viscosità è indice di un’incipiente vulcanizzazione. Di fatto, la prova consiste nel registrare il tempo (preriscaldamento compreso) al quale si è avuto un aumento standard di 5 punti Mooney rispetto al minimo (T5) e di 35 punti Mooney sempre rispetto al minimo (T35). Infatti, il Mooney, avendo una rotazione continua, fornisce alla gomma una deformazione indefinita e questo è possibile solo con le mescole crude; non è possibile proseguire la prova fino alla vulcanizzazione significativa perché non si avrebbero più scorrimenti viscosi, ma scivolamenti della gomma rispetto alla camera e/o al rotore, che potrebbero causare anche gravi problemi allo strumento.

Figura 2 - Immagine interana di un viscosimetro Mooney

Figura 3 - Schema reometro ODR (da dispensa “Tecnologia della Gomma”, R. Gilotta)

Legenda 1 Riscaldatori 2 Semicamera superiore 3 Semicamera inferiore 4 Guarnizione 5 Asta cilindrica 6 Rotore biconico 7 Piastra superiore 8 Sensori di temperatura tarati 9 Piastra inferiore

Per avere informazioni complete sull’andamento della vulcanizzazione si ricorre all’uso del reometro a disco oscillante ODR (Oscillating Die Rheometer). In questo tipo di reometro il disco (o rotore) ha un’oscillazione di +/- 1° oppure di +/- 3° a 100 cicli/minuto alle temperature tipiche della vulcanizzazione (140 - 200 °C). La curva reometrica viene elaborata considerando la coppia minima ML (indice del modulo elastico del crudo) e MH (indice del modulo elastico del vulcanizzato). Il valore di coppia viene espresso in lb oppure in daNm. Dalla curva di vulcanizzazione ottenuta è possibile rilevare i tempi necessari per raggiungere determinati gradi di vulcanizzazione, valutati mediante la coppia letta. Uno dei parametri più utilizzati è il t 90, ovvero il tempo in cui la coppia raggiunge un valore pari a ML più il 90% della differenza tra MH e ML. Per valutare il tempo di inizio della vulcanizzazione si usa il parametro ts1, tempo al quale la coppia è risalita di 1 lb rispetto al minimo, quando si lavora con un angolo di oscillazione di +/- 1°, mentre il parametro ts2 viene utilizzato quando si lavora con un angolo di +/- 3°.

Un progresso rispetto al reometro a disco oscillante ODR è il reometro a camera oscillante MDR (Moving Die Rheometer). In questo strumento non è prevista la presenza del rotore. La metà superiore della camera è ferma e collegata al dispositivo di lettura della coppia, mentre la metà inferiore oscilla. Questa soluzione offre il vantaggio di una migliore termostatazione della mescola grazie all’eliminazione del rotore. Nel reometro ODR il rotore non è termostatato e può quindi presentare variabilità nella sua temperatura a inizio prova. Oltre a ciò, la camera del reometro MDR contiene meno mescola con spessori più sottili, che permetta la riduzione del tempo necessario al raggiungimento della temperatura di prova della mescola.