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 Le gomme sintetiche vengono preparate partendo da liquidi a basso peso molecolare detti monomeri per formare, tramite reazioni chimiche, sostanze a peso molecolare elevato, i polimeri, immaginabili come catene di monomeri collegati tra loro da legami chimici.
Le proprietà elastiche di una gomma sintetica vengono ottenute mediante l’inserimento nella matrice polimerica di additivi e mediante il successivo riscaldamento del compound, ovvero mediante vulcanizzazione.
Durante la vulcanizzazione le catene molecolari si ancorano tra loro mediante legami chimici ed evitano lo scorrimento reciproco delle catene.
Al contrario della gomma allo stato crudo, la gomma vulcanizzata è in grado di deformarsi pressoché elasticamente e di riprendere la forma e le dimensioni originarie, una volta rimosso il carico responsabile della deformazione.
In generale, i polimeri possono essere suddivisi in quattro famiglie, in funzione delle loro proprietà allo stato solido.
I plastomeri, detti anche termoplastici, sono formati da gomitoli di macromolecole lineari o ramificate, tenute
assieme da legami intermolecolari.
A causa di questi legami deboli, le macromolecole sono in grado di scorrere le une sulle altre e, di conseguenza, le deformazioni dei manufatti non sono reversibili.
Al variare della temperatura e nell’ambito di un range caratteristico per ogni materiale, avvengono nel materiale cambiamenti di carattere fisico, e di conseguenza gli sfridi ed i pezzi difettosi possono essere riutilizzati.
Come già anticipato, gli elastomeri e quindi le gomme sintetiche sono materiali con recupero quasi completamente elastico ed inoltre sono pressochè insolubili e infusibili.
Queste proprietà uniche sono dovute al fatto che le macromolecole sono raggomitolate e legate tra loro da legami chimici forti (covalenti).
Questi ponti tra le molecole impediscono scorrimenti reciproci tra le molecole quando il manufatto è sollecitato e impediscono la dissoluzione in solventi o la fusione per cessione di calore.
Gli elastomeri termoplastici posseggono proprietà simili a quelle degli elastomeri tradizionali, dalla temperatura ambiente ai 70 °C circa.
Le proprietà elastiche sono dovute a legami deboli (legame idrogeno) tra le molecole, legami che si annullano sopra ad una certa temperatura, per riformarsi al decrescere della stessa.
Gli elastomeri termoplastici possono essere ottenuti senza vulcanizzazione e “riprocessati” se necessario.
I polimeri termoindurenti sono materiali rigidi, prodotti utilizzando particolari reagenti.
Fornendo calore, avviene un cambiamento nella struttura chimica, simile alla vulcanizzazione degli elastomeri, ma comunque, il numero ed il tipo di legami che si creano nella struttura sono tali da irrigidire il materiale a talpunto da non concedere un comportamento simile a quello degli elastomeri.
Come gli elastomeri, in funzione della struttura similare, essi sono infusibili e insolubili e non possono quindi essere riprocessati.
Per base elastomerica si intende un polimero non vulcanizzato, da utilizzarsi come matrice, a cui aggiungere
altri ingredienti, per la produzione di prodotti elastomerici.
Il primo passo per la produzione di un compound consiste nell’ammorbidire la base attraverso il passaggio in un
mescolatore, onde facilitare la successiva addizione di ingredienti specifici nel mescolatore stesso.
Gli ingredienti addizionali possono essere suddivisi, in accordo alla loro funzione specifica, come cariche, plasticizzanti, antidegradanti, agenti vulcanizzanti ed ingredienti speciali.
Le cariche nere consistono essenzialmente di nerofumo, le cariche bianche includono, ad esempio, Carbonato di Calcio o silicati.
Le cariche vengono impiegate con un duplice scopo tecnologico ed economico, alcune per incrementare la densità del compound e renderlo meno costoso, altre per rinforzarlo.
Per rinforzo si intende l’incremento delle proprietà meccaniche come ad esempio la resistenza a trazione o all’abrasione.
I plasticizzanti possono essere liquidi o solidi ed essere incorporati nel compound per scopi diversi: per incrementare la densità e rendere il compound meno costoso, per facilitare il processo di trasformazione del manufatto, per modificare alcune proprietà del manufatto vulcanizzato. Gli oli a base petrolifera sono i plasticizzanti più utilizzati sia per aumentare la densità che per facilitare il processo. Altre sostanze utilizzate possono essere grassi, oli vegetali, alcune cere, saponi e resine.
Gli antidegradanti sono sostanze organiche
aggiunte in piccola percentuale
per ritardare il deterioramento causato
dagli agenti esterni, incrementando la
vita utile del manufatto.
Essi proteggono il compound dagli
effetti dell’ossigeno e dell’ozono, dal
calore, dalla luce del sole e dall’umidità,
nonché dalle radiazioni ad alta frequenza.
Tra i più utilizzati vanno citati gli
antiossidanti, che proteggono dall’ossidazione
e dal calore e gli antiozonanti,
che ritardano l’apparizione di cricche
sulla superficie del manufatto
causate dall’ozono quando il manufatto
viene esposto in tensione all’aria.
Gli agenti vulcanizzanti sono responsabili
della reticolazione del compound.
Lo Zolfo è il principale agente
vulcanizzante per quelle basi elastomeriche
contenenti un numero sufficientemente
elevato di doppi legami
nella loro struttura.
Per ottenere un livello di vulcanizzazione
corretto è necessario comunque
utilizzare sostanze dette acceleranti e
attivatori.
La combinazione di agente vulcanizzante,
acceleranti e attivatori è detto
sistema vulcanizzante.
Gli elastomeri saturi non possono
essere reticolati dai tradizionali sistemi
allo Zolfo a causa dell’assenza di
doppi legami nelle macromolecole
della base elastomerica.
Essi vengono quindi vulcanizzati utilizzando
perossidi organici, eventualmente
assistiti da co-agenti o promotori
per incrementare l’efficienza dei
perossidi stessi.
La lavorazione delle mescole viene effettuata
con l’ausilio di un mescolatore,
aperto o a rotori compenetranti.
Il mescolatore di tipo aperto consiste
in due cilindri in acciaio, cavi e raffreddati
ad acqua, lisci e rotanti in senso
opposto. Uno dei cilindri ruota più
velocemente dell’altro per generare frizione tra i due cilindri stessi.
 L’azione di mescolamento è un’azione
di taglio, indotta nell’intercapedine
regolabile esistente tra i due cilindri.
Il mescolatore a rotori compenetranti è
invece composto da due rotori sagomati,
anch’essi raffreddati ad acqua,
che durante la rotazione in senso
opposto, creano una sorta di camera a
profilo variabile in funzione della posizione
reciproca dei rotori stessi.
In entrambi i casi gli ingredienti vengono
caricati tra i due cilindri, il compound
viene masticato e successivamente
estratto quando la dispersione
degli ingredienti risulta uniforme ed
omogenea.
Dopo il mescolamento, il compound deve essere preformato in modo da poter essere maneggiato in modo adeguato per alimentare le macchine che dovranno trasformarlo definitivamente in manufatto. A tale scopo vengono impiegati calandre o estrusori.
A questo punto il compound può essere trasformato utilizzando la tecnologia conveniente allo scopo, stampaggio in pressa o estrusione, e subire il processo di vulcanizzazione, detto curing, in grado di reticolare le macromolecole e garantire al manufatto le necessarie proprietà fisiche, chimiche e meccaniche.
Come precedentemente anticipato, tutti gli elastomeri sono costituiti da combinazioni di ingredienti.
La base elastomerica fornisce al compound le caratteristiche principali, come ad esempio la resistenza ad oli e all’ozono, la flessibilità a bassa temperatura e così via, ma anche gli altri ingredienti come i plasticizzanti, le cariche o gli antidegradanti contribuiscono alla definizione del comportamento del compound e, di conseguenza, risulta chiaro che é sviluppabile un numero pressochè infinito di compounds aventi caratteristiche diverse e che quindi esiste la possibilità di produrre mescole per impieghi specifici.
Le basi elastomeriche sono identificate da abbreviazioni in accordo alla norma ISO 1629-87.
• Gruppo M, con catena satura di polimetilene.
• Gruppo N, con azoto nella catena polimerica, ma non ossigeno o fosforo.
• Gruppo O, con ossigeno nella catena polimerica.
• Gruppo Q, con silicio e ossigeno nella catena polimerica.
• Gruppo R, con catena con carbonio insaturo.
• Gruppo T, con zolfo nella catena polimerica.
• Gruppo U, con carbonio, ossigeno e azoto nella catena polimerica.
• Gruppo Z, con fosforo e azoto nella catena polimerica.
Ogni gruppo comprende differenti elastomeri, identificabili inserendo altre lettere davanti alla designazione del gruppo di appartenenza.
Gli elastomeri possono essere ulteriormente classificati in gruppi a seconda del comportamento o delle caratteristiche chimiche, ad esempio secondo la resistenza agli oli, oppure secondo le prestazioni in servizio.
Gli elastomeri possono essere classificati secondo le prestazioni in servizio in tre gruppi distinti.
• Elastomeri per impieghi generici, come NR ed SBR, che si deteriorano in ambienti aggressivi come aria calda, oli minerali, carburanti, ossidanti, ozono. Il principale vantaggio di questi materiali è costituito dalla loro economicità e dalle loro discrete prestazioni a bassa temperatura.
• Elastomeri ad elevate prestazioni, come CR, NBR ed EPDM, in grado di fornire prestazioni soddisfacenti anche in ambienti aggressivi a discapito di un lieve incremento di prezzo rispetto a NR ed SBR.
• Elastomeri speciali, Come FFKM, FPM, FMQ e VMQ, forniscono prestazioni realmente rispondenti ai bisogni specifici del progettista in funzione dell’applicazione. L’incremento di costo risulta però elevato.
Durezza: è definita come la resistenza offerta dalla superficie da misurare alla penetrazione di un puntale calibrato di forma definita, mediante l’applicazione di un determinato carico.
In realtà, quindi, tale grandezza si rileva come uno spostamento.
Esistono differenti scale di durezza, ovvero:
• IRHD (International Rubber Hardness Degrees).
• Shore hardness degrees, suddivisi in Shore A e Shore D.
 Il test IRHD si basa sulla misurazione della profondità di penetrazione nel pezzo in esame di una sferetta in acciaio dopo l’applicazione di un carico costante.
I durometri Shore, invece, applicano un carico attraverso una molla. Nel tipo A il puntale è conico smussato e la scala arriva a 90 Sh A. Nel tipo D il puntale non è smussato ed è utilizzabile sopra i 90 Sh A.
La scala Shore A è simile alla scala IRHD, ma non esiste una perfetta correlazione.
Nella maggior parte delle applicazioni tecniche le durezze variano da 40 a 90 ShA.
Le proprietà meccaniche includono la resistenza a trazione, l’allungamento e il modulo di resistenza a trazione e sono determinate sottoponendo a trazione monoassiale provini standardizzati secondo metodologie di prova ben definite, utilizzando un dinamometro.
Resistenza a trazione: è lo sforzo, espresso in MPa o N/mm2, richiesto per portare a rottura un provino standard sottoposto a trazione, con allungamento imposto costante.
Tale caratteristica può variare generalmente dai 5 N/mm2 ai 50 N/mm2 circa, a seconda della base elastomerica e degli additivi inseriti nel compound. ( rif. 6 “grafico resistenza a
trazione”)
 Allungamento: è definito come la deformazione mostrata in senso assiale dal provino per effetto del carico applicato durante il test ed è espresso percentualmente rispetto alla dimensione assiale iniziale.
L’allungamento a rottura è determinato in corrispondenza del carico di rottura.
Esso in genere varia dal 100% circa ad anche più del 1.000%, a seconda del compound. ( rif. 7 grafico “allungamento a rottura”)
 Modulo di resistenza a trazione: è definito per gli elastomeri come la forza necessaria a produrre un determinato allungamento. E’ espresso in N/mm2 ed è tipicamente riferito ad allungamenti del 100% o del 300%.
Quindi, se ad esempio 8 N/mm2 sono richiesti per produrre un allungamento del 100%, il materiale in esame sarà caratterizzato da un modulo pari a 8 N/mm2 al 100% di allungamento.
Il modulo può essere considerato come un indice del grado di vulcanizzazione di un compound ed è determinato nel corso della prova di trazione.
Esso può variare mediamente da valori pari ad 1 N/mm2 sino a circa 13 N/mm2, a seconda della composizione chimica del compound.
I manufatti in gomma sintetica possono cedere in servizio a causa del propagarsi di intagli, specialmente in corrispondenza di recessi o spigoli.
Resistenza alla lacerazione: è definita come la forza per unità di spessore richiesta per strappare il provino in due parti. E’ comunemente espressa in N/mm.
Attrito ed abrasione: sono fenomeni correlati in quanto l’abrasione consiste nell’asportazione di particelle di materiale dalla superficie per attrito. In assenza di attrito, non avviene abrasione.
In un elastomero il coefficiente d’attrito dipende da svariati fattori, quali forma, composizione, temperatura,
pressione e finitura superficiale.
L’attrito genera calore ed un riscaldamento eccessivo o prolungato può causare un invecchiamento precoce dell’elastomero.
L’attrito può essere ridotto mediante l’inserimento nel compound stesso di additivi specifici o mediante trattamento superficiale dei manufatti.
Gli elastomeri sono materiali viscoelastici e si comportano in parte come liquidi viscosi e in parte come solidi elastici.
Deformazioni prolungate portano ad un certo grado di deformazione permanente, il che significa che parte della deformazione viene immagazzinata dalla struttura e parte viene restituita elasticamente. Le caratteristiche definite come set, rilassamento e creep sono effetti dovuti a prolungate applicazioni di
sforzo o deformazione.
Set: è definita la deformazione residua dopo aver rimosso la sollecitazione imposta. Se l’elastomero viene stirato e, dopo aver rimosso il carico, viene rilevata una deformazione, tale allungamento, espresso percentualmente rispetto alla dimensione originaria, è definito Tension Set.
Se invece l’elastomero viene sottoposto ad uno stato di compressione, l’omologa deformazione è definita Compression Set. Un compression set pari al 100% significa completa deformazione residua e nessun ritorno elastico, pari allo 0% significa nessuna deformazione.
Il compression set è funzione della temperatura e dell’entità nonché della durata della deformazione.
Bassi valori di compression set sono essenziali per garantire una corretta azione di tenuta alla temperatura di servizio della guarnizione, in quanto proprio la tendenza al recupero elastico dell’elastomero garantisce la forza necessaria per tale scopo.
Rilassamento: è definito come la variazione, o meglio il decremento, delle caratteristiche resistenziali dell’elastomero quando esso è sottoposto a deformazione costante per un determinato periodo di tempo.
Questa caratteristica è fondamentale nel caso delle guarnizioni di tenuta.
Creep: è l’inverso del rilassamento, ovvero rappresenta l’incremento di deformazione a carico applicato costante per un determinato periodo di tempo.
 Rebound resilience: il concetto di resilienza applicato agli elastomeri attraverso la grandezza definita come rebound resilience non è altro che la misura della capacità degli stessi a ritornare velocemente alla forma iniziale dopo una temporanea deflessione ovvero, mentre il compression set indica il grado di recupero elastico, la rebound resilience ne indica la velocità.
Come per ogni bilancio energetico, l’energia che in questo caso viene spesa per deformare un elastomero è restituita in parte sotto forma di calore, quindi dissipata per attrito all’interno del materiale, e in parte sotto altra forma, in questo caso lavoro meccanico, ovvero come resilienza del materiale.
Quando la deformazione risulta da un singolo impatto, il rapporto tra l’energia restituita e quella applicata è detto quindi rebound resilience. Essa può variare per i differenti elastomeri, a temperatura ambiente, dal 5% al 75% circa, a seconda del tipo di compound.
Isteresi: come precedentemente definito, quando un manufatto in elastomero viene deformato e rilasciato, parte dell’energia ad esso ceduta viene trasformata in calore.
Questa energia spesa, ad ogni ciclo di deformazione imposta, è definita isteresi ed è pari al 100% meno la resilienza percentuale.
L’accumulo di calore è dato dall’incremento di temperatura nel manufatto ed è il risultato di una rapida deformazione imposta per cicli e del fatto che gli elastomeri sono generalmente cattivi conduttori di calore. Quando un elastomero viene deformato ciclicamente, il calore sviluppato non riesce ad essere dissipato, e ciò porta ad accrescere la temperatura stessa dell’elastomero, soprattutto nelle sezioni più spesse. Questo può portare ad un invecchiamento precoce dell’elastomero e talvolta alla totale distruzione dello stesso.
Un rimedio consiste nell’utilizzare per le applicazione di questo tipo (ad es. per antivibranti) materiali ad elevata resilienza o nel dimensionare in maniera accurata le sezioni del pezzo.
Permeabilità: in generale tutti gli elastomeri sono permeabili ai gas e ai vapori, anche se in modo differente a seconda del tipo di elastomero, e ciò riveste estrema importanza quando i manufatti sono, ad esempio, tubi o membrane.
In genere il Silicone ha la più elevata permeabilità ai gas, seguito da NR, EPDM, SBR, CR, NBR, FPM, ECO ed IIR Comunque compound differenti aventi la base elastomerica in comune possono avere caratteristiche nettamente distinte in funzione degli ingredienti incorporati nel compound.
Ad esempio, talune cariche abbassano la permeabilità in funzione della loro concentrazione, e in genere i plastificanti la innalzano.
Il processo di diffusione di un gas attraverso un elastomero avviene in due fasi: nella prima fase il gas si dissolve nel materiale da un lato, generalmente nell’ambiente a pressione o concentrazione più elevata e in funzione della solubilità del gas stesso nell’elastomero, e nella seconda fase si diffonde nell’altro ambiente.
Come facilmente intuibile, la permeabilità aumenta al crescere della temperatura.
Conduttività termica: sebbene essa vari in funzione degli ingredienti del compound, le gomme sintetiche sono da considerarsi generalmente cattivi conduttori di calore.
Questa caratteristica implica che i manufatti che debbano essere impiegati, ad esempio, come smorzatori di vibrazioni, o sottoposti a cicli di flessione o ad attriti, debbano essere disegnati e dimensionati in modo da garantire un sufficiente scambio termico.
Il coefficiente di espansione termica di un elastomero è da considerarsi circa 10 volte maggiore di quello di un acciaio.
Questa caratteristica, come facilmente intuibile, assume importanza fondamentale se l’elastomero opera a temperature estremamente elevate o, all’opposto, estremamente rigide, date le differenze dimensionali a cui l’elastomero stesso può andare incontro in un range di temperature nel quale invece gli acciai e i metalli di uso comune non subiscono variazioni dimensionali di rilievo.
Le proprietà fisiche degli elastomeri dipendono molto dalla temperatura e, anche se normalmente tutti i test vengono svolti a temperatura ambiente, può risultare interessante effettuare esperimenti anche a temperature diverse.
In genere, la resistenza a trazione, il modulo e la durezza decrescono, se i test vengono svolti a temperature superiori all’ambiente; l’allungamento a rottura invece presenta un punto di massimo, crescendo sino ad un certo punto, per poi diminuire a temperature più elevate; la rebound resilience cresce sino ad un valore massimo.
Bisogna comunque effettuare una distinzione tra gli effetti dovuti a breve e lunga permanenza a temperature elevate. Gli effetti a breve termine sono soprattutto fisici e reversibili al ritorno della temperatura al valore ambiente.
Gli effetti a lungo termine sono quelli permanenti e comportano modifiche nella struttura chimica del materiale, normalmente verificabili in perdite di prestazioni meccaniche.
A causa dell’esposizione di un elastomero a basse temperature, avvengono dei cambiamenti nel comportamento dello stesso, alcuni immediatamente, altri dopo esposizione prolungata.
Al diminuire della temperatura si osserva un incremento nel valore della durezza, del modulo, della resistenza a trazione, mentre diminuisce l’allungamento.
La rebound resilience decresce, raggiunge un minimo, e poi subisce un incremento, sino ad un certo punto, in corrispondenza del quale l’elastomero mostra un comportamento di tipo fragile e vetroso.
Questa temperatura è detta Temperatura di transizione vetrosa,Tg.
La cristallizzazione dovuta a bassa
temperatura non è in genere pericolosa
per applicazioni dinamiche, in quanto
il movimento produce in genere calore
tale da sciogliere i cristalli.
Può invece causare fragilità e perdita
di elasticità in applicazioni statiche.
Quando si parla di range di temperature
di utilizzo bisogna sempre considerare
che, pur prendendo ad esempio lo
stesso elastomero, differenti compound
possono presentare caratteristiche
diverse ed, inoltre, esiste una
forte dipendenza dalla variabile tempo.
In particolare, per quanto riguarda il
limite inferiore di temperatura di utilizzo,
è sempre consigliabile una verifica
funzionale mediante test di laboratorio.
Per quanto riguarda il limite superiore,
invece, divengono importanti il periodo
di servizio e le condizioni operative.
Ad esempio, per un NBR standard, il
limite superiore può essere considerato
100°C, con servizio a lungo termine
in olio minerale. Ciò significa che sotto
i 100°C le aspettative di durata possono
essere superiori.
Lo stesso compound può comportarsi
in modo soddisfacente per 100 ore a
150°C o per qualche minuto a 300°C.
Di conseguenza, le temperature di utilizzo
consigliate dai produttori di
materie prime, possono essere incrementate
per applicazioni a breve termine,
o ridotte se l’ambiente è costituito
da fluidi aggressivi.
Caratteristiche dielettriche: gli elastomeri sono normalmente buoni isolanti con resistività elettrica relativamente elevata.
Gli elastomeri non polari (non resistenti all’olio) sono di solito migliori isolanti degli elastomeri polari (resistenti all’olio).
In ogni caso le proprietà elettriche sono più dipendenti dagli additivi inseriti nel compound, che non dalla base elastomerica. I compounds contenenti carbon black devono essere evitati se è richiesta un’elevata resistenza elettrica ed in questo caso il materiale più idoneo è il Silicone.
E’ possibile rendere gli elastomeri antistatici o addirittura conduttivi incorporando nel compound sufficienti quantità di grafite, tipi speciali di carbon black o polveri metalliche, ma in ogni caso la conduttività di questi compound non sarà confrontabile con quella dei metalli.
Linee guida per la conservazione dei manufatti in gomma vulcanizzata:
parecchi elastomeri sono suscettibili di cambiamento delle loro caratteristiche fisiche durante lo stoccaggio e possono divenire inservibili a causa di un eccessivo indurimento o di screpolature o di altro deterioramento superficiale. Tutto ciò può essere dovuto a combinazioni
di fattori che devono essere
minimizzate adottando idonei sistemi
di imballaggio (ISO 2230).
• Temperatura: sotto i 25°C, possibilmente
15°C.
• Umidità: impedire sviluppo di condensa.
• Ossigeno e ozono: proteggere da circolazione
d’aria con imballo adeguato,
soprattutto se il rapporto massa/volume
è elevato (es. espansi). Tenere lontano
da eventuali fonti di produzione di
ozono, come motori elettrici e lampade
fluorescenti.
• Deformazione: le guarnizioni devono
essere stoccate in condizioni di riposo,
non compresse, né in tensione. Se
impossibile, ridurre al minimo le sollecitazioni.
• Contatto con metalli: non mettere a
contatto con metalli in genere, proteggere
con carta o polietilene, evitare
film in PVC.
• Contatto con altri elastomeri: evitare
contatto con elastomeri di altra natura.
• Contatto con liquidi o vapori: evitare
contatti con fluidi di qualsiasi tipo.
• Radiazioni: evitare esposizione a
qualsiasi forma di radiazioni.
• Pulizia: lavare eventualmente con
acqua e sapone neutro. Non utilizzare
abrasivi o solventi. Lasciare asciugare
a temperatura ambiente.
I manufatti in gomma sintetica, se
stoccati in condizioni adeguate, possono
rimanere in condizioni tali da
poter essere utilizzati anche a distanza
di anni.
Gli elastomeri saturi possono durare
dai 10 ai 20 anni, quelli insaturi da 2 a
più di 5.
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