Vulcanisation - Définition

Introduction

La vulcanisation (ou curage) est le procédé chimique consistant à incorporer un agent vulcanisant (soufre, le plus souvent) à un élastomère brut pour former après cuisson des ponts entre les macromolécules. Cette opération rend le matériau moins plastique mais plus élastique.

Technique

La vulcanisation est un exemple de réticulation. Après polymérisation, en présence d’un système de vulcanisation et d'énergie thermique, les macromolécules linéaires de l'élastomère réactif forment un réseau tridimensionnel sans direction privilégiée. Sous une contrainte appropriée, ce réseau se déforme. Il revient à l’état initial (élasticité) quand la contrainte est supprimée, grâce à la présence des ponts (il s'en forme très peu) assimilables à des « ressorts ».

Un caoutchouc brut (cru, non vulcanisé) flue au cours du temps. Si l'on en fait une bille et qu'on la pose sur un support plan, elle va s'écouler. Cette expérience dure plusieurs 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.

La représentation la plus visuelle pour expliquer ce phénomène est le plat de spaghetti. Une chaîne moléculaire peut être comparée à un spaghetti. Si on a un plat de spaghettis, on ne peut pas saisir un seul spaghetti, les forces de van der Waals (forces de type électrostatique), que l'on retrouve au sein du polymère en assurent la cohésion. Toutefois, si l'on prend le temps de tirer doucement sur le spaghetti, on peut l'extraire.

Pour réduire le phénomène de fluage, accroître la cohésion et les propriétés mécaniques, on peut introduire du soufre (associé à des activateurs et accélérateurs). 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 sites réactifs des chaînes moléculaires. Cela permet donc le pontage entre les chaînes 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 liées ensemble), pas assez de soufre et la cohésion sera insuffisante. L'introduction d'un excès de soufre diminue, à terme, l'effet des forces de van der Waals.

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.

Fabrication du caoutchouc vulcanisé

L'élastomère est le composant principal d’un mélange qui peut comporter entre 10 et 20 ingrédients différents. Certains sont indispensables pour former les ponts (soufre, peroxyde organique, ...), d’autres permettent d’en accélérer le processus (éviter ceux générant des nitrosamines). Certains autres protègent (antioxygènes, ignifugeants, ...), ramollissent (huiles, graisses, acides gras, etc.), font gonfler, colorent (oxyde de zinc, lithopone, ...) ou encore parfument. Le mélangeage des ingrédients se fait "par voie sèche", c'est-à-dire sans aucun solvant, par broyage mécanique ce qui génère un échauffement des ingrédients 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 », ou malaxeurs à pales en Z) sont équipées d'un 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 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 thermoplastiques (vulcanisables ou non).
Le mélangeage par voie humide (avec solvants non chlorés) est spécifique à la fabrication de dissolutions, c'est-à-dire les colles à base de caoutchouc (colle néoprène par exemple).

Les charges telles le carbonate de calcium ou la barite améliorent son aspect. Le noir de carbone augmente la résistance à l'abrasion.