Transformations industrielles
Le caoutchouc brut, qui ne représente que la moitié du poids du produit fini, est traité mécaniquement et chimiquement jusqu'à l'obtention de produits spécifiques.
Produits de mélange
Pour la majorité des applications, le caoutchouc brut est mélangé avec différents composés pour modifier ses propriétés. Les charges qui améliorent l'élasticité du produit final, sans augmenter sa résistance, sont des produits à base de carbonate de calcium ou de sulfate de baryum. Les charges de renforcement qui améliorent la résistance du produit fini sont le noir de carbone, l'oxyde de zinc, le carbonate de magnésium ou différentes argiles. Pour la coloration, on utilise l'oxyde de zinc, le lithopone et un certain nombre de pigments organiques.
Des substances ramollissantes, nécessaires quand le mélange est trop dur pour que l'on puisse y incorporer correctement les additifs, sont généralement constituées de produits à base de pétrole, comme des huiles ou des graisses, des goudrons de pin ou des acides gras.
Enfin, pour diminuer les coûts, on peut ajouter des charges de caoutchouc de récupération.
Vulcanisation
Après fabrication, la plupart des pièces en caoutchouc sont vulcanisées à haute température (150-300!°C) et sous pression élevée (10-20 bars). De nombreux articles sont vulcanisés dans des moules mis sous pression par des presses hydrauliques, mais les pressions élevées, nécessaires pour réaliser correctement la vulcanisation, peuvent aussi être obtenues en soumettant le caoutchouc à une pression de vapeur d'eau extérieure ou intérieure pendant le chauffage. Il existe également des procédés de vulcanisation en "!bain de sels fondus!" (meilleurs transferts thermiques) ou par ondes électromagnétiques (micro-ondes ou hyperfréquences).
L'agent principal de vulcanisation est le soufre, le sélénium et le tellure étant également utilisés. Dans le procédé de vulcanisation à chaud, qui est appliqué à la plupart des articles, le soufre est broyé et mélangé avec le caoutchouc en même temps que les autres additifs secs. La proportion de soufre est plus importante pour les articles rigides. La vulcanisation à froid, utilisée principalement pour les articles souples et minces, comme les gants et les feuilles, est effectuée en exposant les articles à la vapeur de chlorure de soufre (S2Cl2). À l'origine, les accélérateurs de vulcanisation étaient uniquement des oxydes métalliques, comme la céruse et la chaux. Depuis les découvertes d'Oenslager, de nombreuses amines organiques peuvent également être utilisées à cette fin.
Propriétés physiques et chimiques
Le caoutchouc brut (latex coagulé) est un polymère naturel blanc ou incolore, dont la plus petite unité est l'isoprène, de formule C5H8. À la température de l'air liquide (environ -!195!°C), le caoutchouc brut est un solide dur et transparent!; de 0!°C à 10!°C, il est cassant et opaque!; au-dessus de 20!°C, il devient mou, élastique et translucide. Lorsque le caoutchouc est malaxé mécaniquement ou chauffé au-dessus de 50!°C, il devient plastique et collant. Il se décompose au-dessus de 200!°C.
Le caoutchouc brut est insoluble dans l'eau, les bases et les acides faibles!; il est soluble dans le benzène, le pétrole, les hydrocarbures chlorés et le sulfure de carbone. Il est facilement oxydé par les oxydants chimiques et lentement par l'oxygène de l'air.
Utilisations
Le caoutchouc vulcanisé a de nombreuses applications. Sa résistance à l'abrasion en fait un produit souple adapté pour les bandes transporteuses et, en qualité moins souple, il est utilisé dans l'équipement des pompes et pour les tuyauteries servant à la manipulation des boues abrasives.
La flexibilité du caoutchouc est souvent mise à profit pour les tuyaux, les pneus et les rouleaux intervenant dans de nombreux appareils, des essoreuses domestiques aux presses d'imprimerie!; son élasticité est adaptée à la réalisation de différents systèmes d'absorption des chocs et de diminution des vibrations.
Suffisamment imperméable aux gaz, il est utilisé pour la fabrication de tuyaux transportant de l'air, des aérostats, des balles et des coussins.
La résistance du caoutchouc à l'eau et à la plupart des produits chimiques liquides en fait un produit adapté pour les vêtements de pluie, les équipements de plongée, les tuyauteries en chimie et en médecine, les revêtements de réservoirs et les équipements de transformation de liquides.
Du fait de leurs résistances électriques, les caoutchoucs souples sont utilisés pour l'isolation et la protection dans les gants, les chaussures et les couvertures. Les caoutchoucs plus durs sont employés pour l'équipement téléphonique, les appareils de radio, les compteurs et d'autres dispositifs électriques.
Le coefficient de frottement du caoutchouc étant élevé sur des surfaces sèches, et faible sur des surfaces mouillées, on emploie ce matériau dans les équipements de transport d'électricité et dans les pompes immergées dans les puits.
Par rapport au caoutchouc vulcanisé, le caoutchouc non vulcanisé a peu d'utilisations : pour les mortiers, les adhésifs, l'isolation, les bandes subissant des frottements et sous forme de crêpe, pour les couvertures isolantes et les chaussures.
Le caoutchouc mousse est obtenu directement à partir du latex en y ajoutant les ingrédients en émulsion. Le mélange est agité mécaniquement dans un appareil spécifique jusqu'à l'obtention de millions de bulles d'air. Cette mousse est versée dans des moules où elle est vulcanisée par chauffage pour donner des articles, tels que matelas ou coussins pour sièges.
Le latex peut être transformé en articles tels que des jouets ou des gants par trempage des moules correspondants, en porcelaine ou en plâtre de moulage, dans du latex liquide concentré. Le revêtement de latex recouvre le moule dont il est ensuite séparé après vulcanisation. Les articles obtenus directement à partir du latex représentent 8 p. 100 des applications du caoutchouc naturel.
Caoutchouc synthétique Tout composé produit artificiellement et semblable au caoutchouc naturel par ses propriétés chimiques et physiques essentielles peut être appelé caoutchouc synthétique. Ce sont des élastomères, c'est-à-dire des macromolécules produites par polymérisation et dont le comportement est visco-élastique (caoutchoutique) à la température d'utilisation. Après sa fabrication, le caoutchouc synthétique est également traité par vulcanisation.
L'importance politique et économique du caoutchouc devint évidente lorsque l'approvisionnement en provenance d'Extrême-Orient fut interrompu pendant la Seconde Guerre mondiale. En raison du manque aigu de caoutchouc naturel, plusieurs pays accélérèrent le développement du caoutchouc synthétique. Ses utilisations sont les mêmes que celles du caoutchouc naturel, dont les qualités restent cependant inégalées.
Historique
En 1860, le chimiste britannique Charles Hanson Greville Williams montra que le caoutchouc naturel était un polymère de l'isoprène, de formule chimique CH2C(CH3)CHCH2. De nombreux efforts furent réalisés pendant les soixante-dix années qui suivirent pour synthétiser en laboratoire du caoutchouc à partir de cette molécule. D'autres monomères furent également expérimentés et, en 1909, le chimiste allemand F. Hofmann déposa le premier brevet pour un véritable caoutchouc synthétique.
Cependant, aucun progrès décisif dans la recherche sur le caoutchouc synthétique n'apparut jusque dans les années 1930, lorsque les chimistes américain Wallace Carothers et allemand Hermann Staudinger effectuèrent des travaux qui contribuèrent grandement à la connaissance actuelle sur les macromolécules et les polymères.
Principaux caoutchoucs synthétiques
Les caoutchoucs de synthèse sont principalement produits dans les pays les plus développés et dans l'ancien bloc soviétique. Vers les années 1980, on fabriquait dans les pays occidentaux sept grandes familles de caoutchoucs de synthèse.
Caoutchoucs Buna
En 1935, des chimistes allemands préparèrent par copolymérisation un premier groupe de caoutchoucs synthétiques, les caoutchoucs Buna. La copolymérisation est la polymérisation de plusieurs monomères différents, appelés comonomères. Le nom Buna correspond aux premières lettres de butadiène, l'un des comonomères, et de natrium, sodium en allemand, utilisé comme catalyseur.
Le SBR, copolymère du butadiène et du styrène, est très utilisé dans la fabrication des pneus : il a une grande résistance à l'abrasion. Il représente 60 p. 100 du caoutchouc synthétique produit dans le monde et 37,3 p. 100 de la production totale de caoutchouc. Le polybutadiène BR est utilisé comme produit de coupage pour les caoutchoucs naturels (10,7 p. 100 de la production totale).
EPM et EPDM
Les copolymères d'éthylène et de propylène (EPM) ont été mis au point par le chimiste italien Guilio Natta dans les années 1950. Ils présentent d'excellentes propriétés élastiques et un faible prix de revient, mais sont difficilement vulcanisables. Aussi n'occupent-ils pas une place prépondérante sur le marché. L'apparition des terpolymères EPDM — polymères obtenus par polymérisation de l'éthylène, du propylène avec un diène —, facilement vulcanisables, n'a pas encore transformé les habitudes de consommation.
Ils représentent 4,3 p. 100 de la production mondiale de caoutchouc.
Caoutchouc butyle
Le caoutchouc butyle, préparé pour la première fois en 1940, est obtenu par la copolymérisation de l'isobutène avec le butadiène ou l'isoprène. Il est plastique et peut être mis en forme et mélangé comme le caoutchouc naturel, mais il est difficile de le vulcaniser.
Bien qu'il présente une moins grande résistance aux chocs que le caoutchouc naturel ou que d'autres caoutchoucs synthétiques, il est extrêmement résistant à l'oxydation et à l'action des produits chimiques corrosifs. Du fait de sa faible perméabilité aux gaz, il est largement employé dans les chambres à air des pneus de voitures.
Il représente 4,2 p. 100 de la production mondiale de caoutchouc.
Polyisoprène de synthèse
La recherche menée aux États-Unis sur le caoutchouc synthétique à partir de la Seconde Guerre mondiale a débouché sur la synthèse d'un polymère de l'isoprène de composition chimique identique au caoutchouc naturel.
Le polyisoprène de synthèse représente 3,1 p. 100 de la production mondiale de caoutchouc.
Néoprène
Les recherches du chimiste américain Carothers conduisirent à la synthèse du Néoprène en 1931. Il s'agit d'un polymère dont le monomère est le chloroprène, de formule chimique CH2C(Cl)CHCH2. Le Néoprène présente une grande résistance à la chaleur (supérieure à 150!°C) et aux produits chimiques, comme les huiles et le pétrole. Il est utilisé dans les conduites de transport de pétrole, comme matériau isolant dans les câbles et les équipements de machines, et dans les colles.
Il représente 3,1 p. 100 de la production mondiale de caoutchouc.
Caoutchouc nitrile
Les copolymères de butadiène-acrylonitrile (NBR), ou caoutchouc nitrile, sont remarquablement résistants aux solvants, aux huiles et aux graisses.
Ils représentent 2,1 p. 100 de la production mondiale de caoutchouc.
Autres caoutchoucs de spécialités
De nombreux autres caoutchoucs synthétiques aux propriétés spécifiques ont été mis au point. Par exemple, le Koroseal est un polymère du chlorure de vinyle (CH2CHCl). Il résiste à la chaleur, à l'électricité, à la corrosion et n'est pas détérioré par l'exposition à la lumière ou par un long stockage. Le Koroseal ne peut pas être vulcanisé, mais il est plus résistant à l'abrasion que le caoutchouc naturel ou le cuir lorsqu'il reste à des températures modérées.
Le Thiokol est obtenu par la copolymérisation du 1,2-dichloroéthylène (CHClCHCl) et du tétrasulfure de sodium (Na2S4). Ce composé, qui peut être mis en forme et vulcanisé comme le caoutchouc naturel, résiste aux huiles et aux solvants organiques des vernis et est également utilisé pour l'isolation électrique, car les décharges électriques ou la lumière ne l'endommagent pas.
De nombreux autres caoutchoucs synthétiques sont produits par des méthodes voisines de celles que l'on a décrites précédemment. Certaines modifications des procédés, y compris de la polymérisation, ont amélioré la qualité et abaissé les coûts de production. Un progrès marquant a consisté à utiliser de l'huile de pétrole comme additif bon marché : les pneus fabriqués avec ce caoutchouc ont une très longue durée de vie. D'autres progrès importants ont été effectués pour la mousse de caoutchouc synthétique, utilisée principalement pour le capitonnage, les matelas, les oreillers et également pour le caoutchouc crêpe cellulaire utilisé dans l'industrie de la chaussure.
L'ensemble des caoutchoucs de spécialités représente 1,6 p. 100 de la production mondiale de caoutchouc. |
