La vulcanisation (ou curage) est le procédé chimique consistant à incorporer un agent vulcanisant (soufre, le plus fréquemment) 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 dispositif 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 d'origine (élasticité) lorsque la contrainte est supprimée, grâce à la présence des ponts (il s'en forme particulièrement peu) assimilables à des «ressorts».

Un caoutchouc brut (cru, non vulcanisé) flue au cours du temps. Si 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 auparavant constituée 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), qu'on retrouve au sein du polymère en assurent la cohésion. Cependant, si on prend le temps de tirer doucement sur le spaghetti, on peut l'extraire.

Pour diminuer le phénomène de fluage, accroître la cohésion et les propriétés mécaniques, on peut introduire du soufre^[1] (associé à des activateurs et accélérateurs). Il est mélangé au caoutchouc, et la cuisson apporte l'énergie indispensable à l'établissement des liaisons électroniques (schématiquement, un échange d'électrons) entre le soufre et les sites réactifs des chaînes moléculaires. Cela permet par conséquent le pontage entre les chaînes et ainsi une cohésion durable du caoutchouc.
Il apparaît mais aussi le dosage du soufre est essentiel : trop de soufre et le caoutchouc ne sera plus élastique (trop de chaînes polymères seront liées ensemble ce qui donnera de l'ébonite), pas suffisament 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^[2].

C'est le cœur de l'art et la science de la fabrication des pneumatiques, mais également de la fabrication de la majorité des becs de clarinette et de saxophone taillés dans l'ébonite.

Histoire

Charles Goodyear a découvert la vulcanisation par hasard en 1839 ; son nom provient du dieu romain Vulcain, un forgeron.

La première marque à utiliser cette technique en habillement est Puma qui, dès 1960, s'en sert dans l'élaboration des chaussures de sport. En 1853, l'américain Hiram Hutchinson achète le brevet de Charles Goodyear sur les perfectionnements apportés à la confection de bottes, chaussures et souliers en latex. Il démarre la fabrication à Châlette-sur-Loing. La "Compagnie européenne de caoutchouc souple" produit à grande échelle des chaussures et des vêtements imperméables. La marque "À l'aigle", hommage à l'animal-emblème de l'Amérique, est déposée^[3].

Fabrication du caoutchouc vulcanisé

L'élastomère est le composant principal d'un mélange qui peut comporter entre 10 et 20 ingrédients différents^[4]. 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^[5] des ingrédients se fait "par voie sèche", c'est-à-dire sans aucun solvant, par broyage mécanique ce qui génère un échauffement des ingrédients facilitant l'adsorption des produits entre eux. Cet échauffement est néfaste au mélange, dans la mesure où il ne doit pas vulcaniser tant que le produit n'a pas été mis en forme^[6] ; donc les machines utilisées (mélangeurs internes type «Banbury», ou malaxeurs à pales en Z) sont équipées d'un système 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 le plus souvent un procédé discontinu (mélangeur vide ; chargement des ingrédients ; mélangeage ; vidange du mélangeur ; mélange suivant) quoique des procédés continus aient été développés depuis les années 1990 surtout 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 perfectionnent son aspect. Le noir de carbone augmente la résistance à l'abrasion.

Valorisation du caoutchouc vulcanisé

On ne sait pas recycler le caoutchouc vulcanisé. La vulcanisation est une réaction quasi-irréversible, c'est-à-dire que le réseau tridimensionnel créé par le soufre ne peut être "démonté" facilement par action chimique, ou par action thermique pour remodeler une pièce en caoutchouc et lui donner une autre forme. Cela veut dire qu'un article en caoutchouc, une fois vulcanisé est soit conforme et par conséquent utilisable, soit non conforme et dans ce cas l'article est rebuté.
En réalité, il est envisageable de réutiliser la matière, grâce au circuit spécifique des sociétés de recyclage dans lesquelles les produits vulcanisés subissent à la fois un traitement chimique et thermique particulièrement agressif (à haute température) lors duquel le réseau tridimensionnel est démantelé (réversion ou dépolymérisation).
Le déchet obtenu, nommé caoutchouc régénéré (reclaim en anglais), possède des caractéristiques physiques moins performantes que le produit d'origine, surtout en raison du traitement subi ; mais son réemploi à des taux variables (moins de 10 % à plus de 50 %) est envisageable pour certaines fabrications, générant une économie non négligeable ; mais en particulier donnant la possibilité d'un «recyclage» d'un matériau particulièrement spécifique disponible en particulièrement grande quantité sur la totalité de la planète à cause de ses multiples applications.

La chimie des polymères est particulièrement diversifiée ; la chimie de leur vulcanisation l'est aussi (par exemple, le soufre utilisé pour vulcaniser de très nombreux caoutchoucs et le noir de carbone sont incompatibles avec les caoutchoucs silicone, empêchant leur vulcanisation).

Notes et références

Voir aussi

• Élastomère
• Ébonite

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