Refuerzo de elastómeros - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

El refuerzo de elastómeros mediante rellenos particulados se ha estudiado extensamente en el pasado, particularmente en las décadas de 1960 y 1970. La primera razón es, naturalmente, los cambios drásticos en las propiedades mecánicas que inducen el refuerzo de los rellenos: muchas de las aplicaciones habituales de los elastómeros no podrían concebirse sin el uso de rellenos particulados. La otra razón nos parece de naturaleza muy diferente, y probablemente reside en el “misterio” del mecanismo de refuerzo que ha fascinado a muchos científicos y permanece, a pesar de sus esfuerzos, principalmente no entendido hoy. Es necesario definir con precisión qué es refuerzo, porque esta palabra cubre significados muy diferentes cuando se aplica a termoplásticos, termoestables o elastómeros. La confusión se debe principalmente a que el refuerzo califica un aumento en las propiedades mecánicas, pero lo que se espera como propiedades mecánicas es muy diferente considerando las diferentes matrices y aplicaciones. Para los plásticos, el refuerzo da como resultado un aumento del módulo y la dureza. El efecto de los rellenos de partículas es bastante claro: reemplazan una parte de la matriz. Por lo tanto, el módulo aumenta, pero la deformación en la rotura disminuye al mismo tiempo. La situación es muy diferente para los elastómeros: el uso de cargas de refuerzo induce un módulo de aumento simultáneo y una deformación en la rotura. Curiosamente, la sustitución de una parte de la matriz deformable por objetos sólidos no reduce su deformabilidad. El aumento de estas dos propiedades antagónicas caracteriza el refuerzo elastomérico. Esta fascinante paradoja, a pesar de no entenderse completamente, explica la capacidad de proporcionar de los elastómeros reforzados. Rellenos no reforzantes Como se discutirá más adelante, el tamaño del relleno es probablemente una de las propiedades más importantes para el refuerzo. Por tanto, las cargas en partículas obtenidas por trituración de minerales o por precipitación gruesa suelen ser cargas no reforzantes debido a su tamaño: son demasiado grandes. Dichos rellenos pueden incluso utilizarse en elastómeros, pero simplemente les confieren un ligero aumento del módulo y se produce una caída muy significativa de las propiedades de rotura.

La gran mayoría de los estudios posteriores al tratamiento con negro de humo se han realizado para aumentar la resistencia / calidad del refuerzo. Por tanto, las modificaciones químicas que se han probado están fuertemente ligadas a las diferentes teorías previstas para el refuerzo. En la década de 1960, la interacción negro de carbón-elastómero se consideraba el resultado de un enlace químico entre las funciones ácidas de la superficie y los restos alcalinos del caucho natural. Se han realizado muchos estudios para aumentar la actividad del negro de humo por oxidación superficial: oxígeno a altas temperaturas, H2O2, ozono, ácido nítrico. El tipo de oxidación utilizado determina el número y el tipo de funciones obtenidas; Es interesante subrayar que tales modificaciones químicas se utilizan a escala industrial para negros de humo especiales (tintas, pigmentos). A principios de la década de 1980, Danneberg propuso el mecanismo de deslizamiento molecular  y los postratamientos se volvieron hacia el injerto químico de cadenas poliméricas en la superficie del negro de humo. Más recientemente, la necesidad de compuestos de baja histéresis ha reactivado los estudios de modificación química. Se han propuesto muchos procesos de modificación: funcionalización, recubrimiento superficial de negro de humo con sílice y alúmina.

El uso de sílice en mezclas de caucho no puede considerarse nuevo en absoluto, porque este relleno se ha utilizado en formulaciones de caucho desde principios del siglo XX. Las sílices no son rellenos de refuerzo en el sentido correcto, porque las mezclas reforzadas con sílice exhiben propiedades mecánicas mucho más bajas, particularmente considerando el módulo de rotura y la resistencia a la abrasión. Por tanto, las sílices no se utilizaron como rellenos de refuerzo, sino principalmente en asociación con el negro de humo. Dos avances importantes han transformado este producto de instalación en un relleno de refuerzo que puede lograr todas las propiedades de mezclas de negro de humo con, además, una histéresis disminuida de gran interés para las aplicaciones de neumáticos. El primer paso lo dio Wolff en la década de 1970, quien propuso un agente de acoplamiento de silano específico, el TESPT. El segundo paso ocurrió en la década de 1990 con la patente de Rauline, que introdujo el uso de sílice de precipitación específica, elastómeros y condiciones de mezcla para lograr el refuerzo.