La gomma è un materiale, naturale o sintetico, caratterizzato da elevata elasticità, ossia in grado di deformarsi sotto l'azione di una forza esterna cessata la quale può tornare alla forma originale.
La gomma - e in generale tutti gli elastomeri - sono chimicamente costituiti da polimeri (ossia macromolecole aventi un peso molecolare di alcune decine di migliaia di unità di massa atomica); tali macromolecole in condizioni di riposo sono ripiegate su loro stesse, mentre quando sottoposte a trazione sono capaci di distendersi, per poi riprendere la configurazione originaria al cessare della sollecitazione.
A differenza delle macromolecole dei polimeri termoplastici, le macromolecole che compongono la gomma hanno un certo grado di reticolazione, cioè le macromolecole non hanno una struttura a catena lineare, ma risultano più o meno intrecciate tra loro (come una rete); questo vincola le macromolecole a muoversi attorno a dei punti fissi (i nodi della rete) e ciò ripristina la configurazione originale quando la sollecitazione meccanica viene meno. La vulcanizzazione, che viene eseguita per migliorare le caratteristiche meccaniche della gomma naturale, consiste nel trattare la gomma naturale con lo zolfo. Gli atomi di zolfo legano più macromolecole di gomma diverse creando la reticolazione responsabile del comportamento elastico.
Storia
Le gomme sintetiche di più antico impiego sono il cloroprene (neoprene), la gomma stirolica e la gomma nitrilica, introdotte inizialmente in Germania con il nome di Buna-S e Buna-N.
Classificazione Vi sono attualmente in commercio due tipi di gomme, ma molte sigle che differenziano i vari sottotipi:
Le gomme naturali, secondo la normativa UNI 7703, si ottengono coagulando il lattice ricavato da alcune piante tropicali (in particolare Hevea brasiliensis) e raccolte tramite incisione del tronco. Hanno ottime caratteristiche meccaniche, ma scarsa resistenza agli agenti atmosferici, alla temperatura ed a molti composti chimici. Le gomme sintetiche vengono prodotte a partire da semplici idrocarburi generando tramite polimerizzazione lattici artificiali successivamente coagulati, sono attualmente disponibili molti elastomeri artificiali, aventi caratteristiche meccaniche e di resistenza chimica assai diversificate.
Per la classificazione degli elastomeri si fa riferimento alla DIN/ISO 1629, la quale deriva dalla ASTM D 1418-79. Tale norma suddivide le gomme sintetiche in 5 gruppi: gruppo M: polimeri che contengono catene polimeriche sature di polietilene. Fanno parte di questo gruppo: EPDM, ACM, CSM, FEPM, FFPM, FPM gruppo O: polimeri che contengono atomi di ossigeno. Fanno parte di questo gruppo: CO, ECO; gruppo Q: polimeri che contengono atomi di ossigeno e silicio. Fanno parte di questo gruppo: FMQ, MQ, PMQ, PVMQ, VMQ; gruppo R: polimeri che contengono carbonio insaturo. Fanno parte di questo gruppo: BIIR, BR, IIR, CR, IIR, IR, NBR, SBR; gruppo U: polimeri che contengono carbonio, ossigeno e azoto. Fanno parte di questo gruppo: AU, EU.
Polimeri e copolimeri dienici
Polimeri dell'isoprene
Il poliisoprene naturale è anche detto gomma naturale o caucciù. Lattici gommosi si possono ottenere da numerose piante: se ne contano più di trecento, tutte viventi nei territori tropicali. Quella di gran lunga più importante è Hevea brasiliensis, originaria del bacino del Rio delle Amazzoni (Parà), attualmente coltivata in tutte le regioni tropicali e sub-tropicali adatte, che da sola fornisce circa il 90% della produzione mondiale di gomma naturale.
La gomma naturale, pur avendo molte utili proprietà, presenta anche alcuni inconvenienti. Un tempo i manufatti di gomma risultavano appiccicaticci e maleodoranti, rammollivano con il caldo e indurivano con il freddo. Si cercò allora, mediante trattamenti meccanici e miscele di opportuni additivi, di render stabili le proprietà della gomma. Un primo successo si ottenne con il masticatore a cilindri concentrici di Th. Hancock che, snervando il materiale, lo rendeva plastico e idoneo ad assorbire gli additivi (1820); ci si rivolse quindi alla ricerca di metodi di lavorazione chimico-fisici delle mescole e, con solventi idonei (etere, trementina, petrolio), si giunse a ottenere soluzioni gommose relativamente stabili adatte a impermeabilizzare tessuti (Ch. MacIntosh, 1823) e a ottenere fili elastici (Th. Hancock, 1837).
La completa stabilità delle proprietà della gomma fu ottenuta nel 1839 da Charles Goodyear che inventò la vulcanizzazione, un processo mediante il quale si creano delle reticolazioni fra le catene polimeriche per riscaldamento della gomma in presenza di zolfo. Le reticolazioni aumentano la resistenza della gomma e fungono in un certo senso da "memoria" che aiuta il polimero a riprendere la forma originale dopo uno stiramento.
L'organizzazione di una piantagione di Hevea richiede notevoli capitali, sia per la vastità dei terreni necessari sia per la preparazione di questi, la semina, il trapianto delle piantine; così pure la raccolta del lattice è assai complessa e richiede l'impiego di personale specializzato. Ciascuna pianta produce quasi 3 kg di gomma essiccata all'anno, alternando periodi di produzione a periodi di riposo. In media su 1 ettaro si piantano tra i 250 e i 300 alberi e la relativa produzione si aggira quindi sui 500/600 chilogrammi all'anno di caucciù, ma in alcuni casi, con colture particolarmente selezionate, si possono raggiungere i 2.000 kg/ettaro.
L'estrazione del lattice si ottiene incidendo un sottile e stretto strato di corteccia lungo un tracciato per lo più a lisca di pesce, ossia con una linea centrale longitudinale e varie altre oblique a essa convergenti da ambo i lati; il lattice che cola dai diversi tagli si raccoglierà alla base del tratto verticale con un recipiente fissato al fusto. L'operazione viene ripetuta periodicamente su ciascuna pianta, ma sempre in zone diverse, avendo cura di non ritornare sullo stesso tracciato prima di 6-7 anni. Il lattice estratto dalle piante viene coagulato con fumi di legni resinosi per ottenere la “para”, oppure con aggiunta di acido acetico o acido formico e successivamente essiccate a caldo per ottenere il “crèpe”.
La gomma essiccata si ricava per diluizione del lattice al 15% e acidificazione con acido formico con conseguente coagulazione e precipitazione sul fondo; un successivo passaggio attraverso una calandra a cilindri rotanti le impartisce la forma di fogli lisci o crespati. Il prodotto è poi inviato all'essiccamento in stufe in presenza di fumo di legna. Negli ultimi tempi la gomma è stata immessa sul mercato anche sotto forma di balle ricavate per granulazione del coagulo, essiccamento e compressione in stampi.
La gomma essiccata, in balle, se ha subito un lungo processo di immagazzinamento che può aver indotto cristallinità, viene tagliata e riscaldata a 30 °C e quindi inviata ad un masticatore dove viene sminuzzata sia per poterla mescolare ad altre qualità di gomma sia per ridurne la viscosità che durante l'immagazzinamento può essersi eccessivamente innalzata a causa dei processi di reticolazione. Segue una fase di miscelazione, che permette di aggiungere i componenti necessari a ottenere la resilienza e la resistenza meccanica proprie della gomma: i riempitivi per diminuire il costo e impartire resistenza meccanica (nero di carbone, silicato d'alluminio); antiossidanti e antiozonanti (arilammine, fenoli, diarilammine) per ridurre l'effetto dell'invecchiamento; plastificanti (acido stearico); oli per diminuire la viscosità; composti di zolfo e acceleranti necessari per la vulcanizzazione.
Per sopravulcanizzazione si ottiene l'ebanite, sostanza rigida e fragile, assai resistente agli agenti chimici.
Polibutadiene
Gomma stirolo (o stirene)
Meglio note come gomme SBR (dall'inglese Styrene-Butadiene Rubber). Hanno discrete caratteristiche meccaniche, sono utilizzate, per il loro basso costo, in applicazioni relativamente non impegnative in sostituzione della gomma naturale, principalmente per pneumatici.
Gomma nitrile Mostrano elevata resistenza all'azione degli idrocarburi alifatici (meno agli aromatici), dei solventi non polari, degli oli e dei grassi, e resistenza alla temperatura anche fino a 130 °C. Sono sensibili all'ossidazione. Le gomme nitriliche, secondo la ISO 1629, sono identificate dalla sigla NBR.
Copolimeri butadiene-vinilpiridina
Hanno caratteristiche analoghe alle nitriliche, ma comportamento assai migliore alle basse temperature (al di sotto di – 30 °C)
Polimeri del clorobutadiene (neoprene)
Hanno caratteristiche meccaniche leggermente inferiori a quelle della gomma naturale, ma miglior resistenza all'ossidazione, agli idrocarburi, alla temperatura. Il mix di caratteristiche, pur se ciascuna in assoluto non eccellente, li rende adatti a moltissime applicazioni. Viene utilizzato nell'industria e per la produzione dei tessuti delle mute subacquee.
Polimeri e copolimeri di monoolefine
Polimeri dell'isobutilene
Il più usato è un copolimero con piccole quantità (max. 5%) di isoprene, che prende il nome di "gomma butile", le mescole basate su questo polimero hanno resistenza a trazione modesta, ma buona resistenza all'abrasione, al taglio, alla temperatura e soprattutto permeabilità ai gas particolarmente bassa, pertanto sono usate per fabbricare camere d'aria, membrane per autoclavi, isolanti per cavi ecc.
Elastomeri da polietilene
Si usano soprattutto due famiglie di materiali:
Un polimero ottenuto per solfoclorurazione del polietilene (HYPALON), dotato di buona resistenza alla trazione, buon comportamento a freddo e a caldo, ottima resistenza all'ossidazione.
I terpolimeri butadiene-etilene-propilene (EPDM), che hanno avuto una larga diffusione in quanto, a fronte di costi contenuti, offrono discrete caratteristiche meccaniche, buona resistenza alla temperatura ed ai solventi polari e, soprattutto, insensibilità all'ossidazione.
Elastomeri da fluoro-olefine
I composti organici altamente fluorurati sono caratterizzati da elevatissima resistenza chimica, comparabile al politetrafluoroetilene omopolimero. Tuttavia la sua elevata cristallinità lo rende più affine ad una materia plastica che a un elastomero. Alcuni copolimeri del perfluoropropene presentano discrete caratteristiche meccaniche, ottima resistenza alla temperatura (inferiore solo alle gomme siliconiche) e al creep, e soprattutto resistenza alle aggressioni chimiche e agli idrocarburi anche aromatici che non ha paragoni, la resistenza non è buona nei confronti dei solventi polari (acetone ecc).
Normalmente questo tipo di gomme viene utilizzato in ambienti particolarmente aggressivi, come le atmosfere ossidanti o ricche di ossigeno. Alcuni di questi polimeri necessitano di un processo di vulcanizzazione diverso da quello termico, si usano perciò perossidi in combinazione con alcuni catalizzatori. Questo genere di polimeri è generalmente molto costoso e dedicato ad applicazioni particolari. Storicamente il primo elastomero fluorurato è stato prodotto da DuPont: si tratta di un terpolimero TFE HFP VDF, il cui nome è Viton.
Elastomeri acrilici
Polimeri e copolimeri dell'acrilato di etile e dell'acrilato di butile
Hanno buona resistenza all'ossigeno e all'ozono anche a temperature elevate, e alla degradazione da raggi UV, sono utilizzati specialmente per rivestimenti e per conferire resistenza all'urto ad alcune materie plastiche.
Polimeri dei fluoroacrilati
Hanno buona resistenza a carburanti, lubrificanti, fluidi idraulici. Sono assai costosi e utilizzati prevalentemente in applicazioni aeronautiche.
Gomme al polisolfuro
Questi materiali (Thiokol) sono preparati per reazione tra cloruro di etilene e polisolfuro di sodio e vulcanizzati generalmente con ossido di zinco. Hanno un'ottima resistenza agli oli ma caratteristiche meccaniche alquanto scadenti.