Marcas, identidad, comunicación, formación: Gestión integral de la comunicación y el conocimiento
Se cumplen cien años del descubrimiento de un material clave en la industria actual

El centenario del caucho sintético

Pascual Bolufer, físico del Instituto Químico de Sarriá25/11/2009

25 de noviembre de 2009

El pasado 12 de septiembre, el caucho sintético celebró su centenario. Desde que Friedrich Hofmann lo descubriera, se ha impuesto como material clave en la industria, sin eclipsar a su homólogo natural.

Fritz (Friederich) Hofmann nació en Kölleda, Weimar, Alemania, el 2 noviembre de 1866, y estudió como farmacéutico en la Universidad de Berlín. Pero no le bastó, y se matriculó en la Universidad de Rostok, para estudiar química, y se doctoró cum laude en 1895. Durante dos años impartió clases en la Universidad de Aquisgrán hasta 1897, año en que ingresó en la fábrica de Bayer & Co., en Elberfeld.

La contribución más importante de Hofmann a la Ciencia fue el desarrollo del caucho sintético. A comienzos del siglo XX escaseaban los productos fabricados a base de caucho natural. Además, éste no era lo suficientemente resistente al calor y casi no se podía someter a modificaciones químicas.

El 12 de septiembre de 1909, Friedrich Hofmann patentó un caucho metilo como alternativa sintética al caucho natural para aplicaciones en neumáticos y para la industria eléctrica

A partir de 1906, en Farbenfabriken Bayer, Hofmann empezó a buscar una alternativa sintética al caucho natural para aplicaciones en neumáticos y para la industria eléctrica. En menos de 3 años logró desarrollar un caucho metilo, que fue patentado en la Oficina Imperial de Patentes de Alemania el 12 de septiembre de 1909. Lo registró como ‘Procedimiento para la fabricación de caucho artificial’. Hoy día posee gran cantidad de aplicaciones: desde la fabricación de neumáticos hasta balones y guantes. El pasado 12 de septiembre, se organizó el primer día mundial del caucho con motivo del centenario de su descubrimiento.

En 1912, su investigación sobre el caucho le valió la medalla de oro Emil Fischer, que otorga la Asociación de Químicos Alemanes, y en 1941 recibió la Medalla Goethe de las Artes y de las Ciencias. En el mismo año, la Academia Real Sueca le otorgó la Medalla Laval a las Ciencias por su síntesis del caucho. Además, con motivo de su 70 aniversario, Hofmann fue nombrado Ciudadano de Honor de Breslau y Kölleda.

foto
Autobuses de Gran Canaria (izquierda, de 1914; derecha, de 1930). El neumático antiguo era sólido, pero en la década de 1930 ya incorporaban cámara. Foto: Cicop.

El caucho natural

El caucho natural es un hidrocarburo polietilénico que, con las resinas y las materias proteicas, forma una emulsión acuosa llamada látex, segregada por algunas plantas tropicales. La especie vegetal más explotada es un árbol de 30 a 40 metros lladado hevea brasiliensis, común en Brasil. El nombre cahuchu, de los indios mainas, significa madera que llora, ya que la recolección del látex se efectúa por sangría, practicando una incisión oblicua en la corteza del árbol, para seccionar los canales lechosos. Fue observado ya por Colón en las Indias Occidentales, y permaneció prácticamente sin valor hasta 1839, cuando Charles Goodyear descubrió que amasando bien el caucho con azufre y calentándolo a una temperatura superior a los 100 °C, el azufre se combinaba químicamente con el caucho, y se obtenían propiedades mucho más útiles: no se deformaba con el calor, no era quebradizo en frío, y sobre todo, no era pegajoso.

foto
El vulcanizado permite al neumático realizar trabajos duros. Foto: Lanxess.

La vulcanización consiste en una fijación del azufre en los dobles enlaces de la cadena macromolecular, con una formación de enlaces entrecruzados. La temperatura es de 130-150 °C. Además, si se estira un trozo, recupera después de la tensión su forma primitiva. Durante la vulcanización el azufre se combina con los dobles enlaces de las moléculas de caucho formando puentes de cadenas de azufre de una molécula de caucho a la otra, dando lugar a una trama total.

Diversas substancias, como el negro de humo y los óxidos de cinc y plomo actúan de acelerantes de la vulcanización y logran un caucho más tenaz y duradero. El caucho natural se considera un polímero del isopreno.

En 2007, la producción mundial de caucho natural fue de 9,7 millones de toneladas, y en 2010 tendrá seguramente 2 cifras, según el Sindicato Nacional del Caucho y sus Polímeros, de Francia.

La producción está localizada en los países que tienen un clima apto para la planta del caucho hevea brasiliensis. El 94% de la producción procede de Asia. Pero sólo representaba el 43% del caucho sintético en 2007.

foto
Desde 1910, Continental fabrica sus neumáticos con caucho sintético.

El caucho de síntesis

Fritz Hofmann tuvo éxito al polimerizar el metilisopreno, calentándolo durante semanas y meses hasta lograr el caucho butilo. Las aplicaciones aparecieron enseguida, y desde 1910, Continental fabrica sus neumáticos con caucho sintético, que va mejorando con el paso de los años.

foto
Las diversas clases de cauchos artificiales se basan ahora en la polimerización del butadieno, el isopreno y el cloropreno.

Resiste la corrosión y las temperaturas relativamente altas, es elástico y acumula muchas propiedades sin eclipsar al caucho natural. Es el fruto de un siglo de investigación. Pero los comienzos fueron duros.

Volvamos a la I Guerra Mundial. Alemania no puede lograr caucho natural porque los Aliados en la guerra no lo toleran. Farbenindustrie de Bayer fabrica caucho sintético a partir de 2,3-dimethyl butadieno y con metil isopreno.

En 2007 se fabricaron más de 13 millones de toneladas de caucho sintético, un 7% más que en el año anterior

En 1912, el resultado es presentado al Kaiser Guillermo II, quien queda impresionado por el logro: un automóvil ha recorrido 6.500 kilómetros sin un pinchazo. Pero los neumáticos eran sólidos, sin aire y sin posibilidad de pinchazos. Ocurre que el caucho de metilo se degrada en presencia de oxígeno (la atmósfera), y avería la llanta del coche. A medio plazo el caucho de metilo fue un fracaso. Los alemanes recurrieron al butadieno, para resolver el problema, y crearon el B-metil caucho. Lo llaman Buna: el butadieno fabricado por los alemanes de la Bayer, que copiaron los procesos de Lébedev, y usaron su catalizador de sodio. Buna significa: Butadien y Natrium (sodio en alemán). Debemos a los alemanes la adición de estireno para mejorar las propiedades del caucho sintético. Habían inventado el caucho estireno-butadieno, al que bautizaron como Buna-S.(25% de estireno). Buna-S fue un éxito, pero no sirve para todo. Con el paso de los años han ido apareciendo diversas clases de caucho sintético.

En 2007 se fabricaron más de 13 millones de toneladas de caucho sintético, un 7% más que en el año anterior. Sus cualidades aumentan sin cesar y también les llamamos elastómeros. Los nuevos cauchos responden a aplicaciones específicas. En el campo de la aeronáutica y espacial se fabrican elastómeros fluorados, para tolerar temperaturas muy elevadas y, con ello, se genera una nueva demanda. Por supuesto, en la industria del neumático el caucho sintético representa más del 50%.

foto
El caucho natural, cuya producción mundial no es suficiente, se recoge una semana después de haber sangrado al árbol.

Tiene muchas propiedades, pero se recicla mal. La vulcanización, que tanto favorece las propiedades del caucho, presenta el efecto perverso de no permitir la pulverización del polímero, como ocurre, por ejemplo, con el plástico. La reutilización del caucho en forma de polvo crea una materia secundaria: integrar en un caucho nuevo el caucho usado. Todos salimos ganado y el planeta también, dice Bruno Martin, de Elastopôle. Después de un siglo de existencia el caucho sintético ha de lograr nuevas aplicaciones.

Clases de caucho sintético

Estos polímeros se derivan de monómeros obtenidos por el craqueo de la nafta mediante vapor. Su característica más común es la doble ligadura residual, que favorece la vulcanización.

SBR

Los SBR se clasifican en diferentes categorías. Así, los SBR serie 1000 se obtienen por copolimerización en caliente, mientras que los SBR serie 1500 se obtiene por copolimerización en frío. Sus propiedades dependen de la temperatura de la reacción y del contenido de estireno y emulsificante. Son cambios que afectan al peso molecular y a las propiedades de la mezcla vulcanizada. Por último, en los SBR series 1600 y 1800 se mezcla negro de carbón con goma SBR 1500, para conseguir una dispersión acuosa de negro de carbón con el látex SBR.
Diferencias entre el SBR y el caucho natural:
  • SBR es inferior a la goma natural en resistencia a la tracción y a la rotura.
  • SBR es superior en permeabilidad, resistencia al calor y al desgaste.
  • La vulcanización de SBR requiere menos azufre, pero más acelerador.
  • El efecto reforzador del negro de carbón es mucho más pronunciado en SBR que en el caucho natural.

El polibutadieno, caucho Buna 85

Da a los neumáticos gran resistencia a la abrasión, excelente resistencia a bajas temperaturas y muy buen comportamiento de envejecimiento. Pero tiene baja adherencia a una superficie húmeda. El monómero 1,3-butadieno es un dieno conjugado, con dos dobles enlaces, separados por un simple enlace. Estos dobles enlaces constituyen la clave para obtener sus propiedades elásticas. Si no tuviera dobles enlaces, el polibutadieno tendría una estructura muy similar al polietileno, con largas cadenas poco unidas entre sí, y por ello se comportaría como un termoplástico, que se deforma permanentemente al someterlo a un esfuerzo. Los dobles enlaces de hecho forman puentes entre las moléculas. Al sufrir un esfuerzo, el material sigue deformándose, pero los puentes hacen, que al cesar el esfuerzo, recupere su forma inicial. Esos puentes son los que convierten en elástico el material.

La formación masiva de puentes entre moléculas se denomina reticulación. Hace que la elasticidad desaparezca, porque las moléculas quedan rígidamente unidas entre sí. El material apenas se deforma, ante un esfuerzo, y al superar cierto límite de tensión, se rompe de modo frágil.

El químico ruso Sergei Lébedev fue el primero en polimerizar el butadieno en 1910; hoy día, gran parte del caucho sintético es un polímero del butadieno
El polibutadieno para la industria tiene un peso molecular superior a los 100.000 g/mol. Como todos los polímeros, tiene mayor resistencia mecánica cuanto mayor sea el peso molecular. Hay que evitar un grado excesivo de vulcanización en el butadieno porque el material se volverá rígido y quebradizo.

El químico ruso Sergei Lébedev fue el primero en polimerizar el butadieno en 1910, sólo un año más tarde que la síntesis de F.Hofmann en 1909, cuando logró el caucho butilo a base de polimerizar el metilisopreno. Hoy día, gran parte del caucho sintético es un polímero del butadieno.

La molécula de 1,3-Butadieno puede polimerizar de 3 maneras distintas, originando 3 isómeros llamados cis, trans y vinilo. Las propiedades del butadieno son diferentes según la proporción de cada uno de esos isómeros. Así, por ejemplo, el polibutadieno alto-cis tiene alta elasticidad, mientras que el denominado alto-trans es un plástico cristalino sin ninguna aplicación útil. Según el catalizador usado se pueden obtener diferentes tipos de butadieno, con sus propiedades específicas: con catalizador neodimio o cobalto se consigue el cis, y con el catalizador de litio se consigue un trans y vinilo.

Lébedev fue también el inventor en 1926 del proceso para obtener butadieno a partir de etanol. En 1928, descubrió un catalizador a base de sodio para la obtención del butadieno. En 1930, la Unión Soviética apostó por el butadieno como alternativa al caucho natural, y construyó una planta piloto, que consumía el etanol producido a partir de patatas. El experimento fue un éxito y en 1936 la URSS creó la primera planta de polibutadieno del mundo, que se obtenía a partir del petróleo. En 1940, la producción rusa alcanzó las 50.000 toneladas al año. En 2000, con una producción mundial de 2,1 millones de toneladas, el polibutadieno era el segundo caucho sintético en volumen, por detrás del SBR (caucho estireno-butadieno). Su principal aplicación es la fabricación de neumáticos, que consume el 70% de la producción.

Otros cauchos sintéticos

Copolímero SBR estireno-butadieno

Es el caucho sintético más usado. Contiene un 75% de butadieno y un 25% de estireno. Es un polímero formado por la polimerización de una mezcla de dos o más monómeros: estireno y 1,3-Butadieno.

Buna S

Se obtiene a partir del butadieno y estirol.

Cis-1,4 poli-isopreno

Es una réplica casi perfecta de la goma natural. El isopreno se obtiene a partir de los pentanos del petróleo y se forma como subproducto en la preparación catalítica del butadieno, a partir de las fracciones del petróleo.

Copolímeros de etileno/propileno y gomas EP

Para la vulcanización con azufre se usa hexadieno y diclicopentadieno.

Goma de butilo

Es un copolímero de isobuteno, con un 2% de isopreno. Su mejor cualidad: es impermeable a los gases.

Neopreno o policloropreno

Neopreno es la marca comercial de DuPont para una familia de gomas sintéticas, basadas en el policloropreno. Wallace Carothers y Nieuwland hicieron reaccionar el monovinilacetileno con HCl, y obtuvieron el cloropreno. Neopreno es la primera goma sintética producida a escala mundial. Su inercia química lo hace útil en recubrimientos resistentes a la corrosión. Un uso común del neopreno es la fabricación de trajes para buceo y botas para pescadores con mosca, ya que es un excelente aislante térmico. La polimerización del cloropreno es exotérmica, con un calor de 62,8 a 75,3 kJ/mol. La polimerización se logra por emulsión en reactores batch, y el neopreno es aislado mediante procedimientos de secado en frío. Es muy resistente a los aceites y solventes. Se logra por polimerización del cloropreno. Fue el primer substituto del caucho natural en EE UU.

Goma de nitrilo

Se trata de un copolímero de butadieno/acrilonitrilo, con un 75% de butadieno en peso. Presenta una excelente resistencia a aceites y solventes aromáticos, pero su procesado es difícil.

Elastómeros termoplásticos

Son copolímeros estireno/butadieno/estireno, o bien, estireno/isopreno/estireno. Tienen propiedades de elastómeros, pero pueden procesarse como termoplásticos sin vulcanización.

Referencias

Felton, M. 'Petroleum and downstream products'. Enterprise of Chemical Sciences. 2005.

Kaita, S. 'Butadiene Polymerization'. Macromelecules 39. 2004.

Maruchitch, R. 'Un siècle de caoutchouc synthétique ne chasse pas le naturel'. Info-Chimie Magazine. Septiembre de 2009.

Sheppard, L. 'How a tire is made'. Rubber Technical Center. 2005.

VÍDEOS DESTACADOS

TOP PRODUCTS

ENLACES DESTACADOS

ExposólidosAndaltec

ÚLTIMAS NOTICIAS

OPINIÓN

OTRAS SECCIONES

SERVICIOS