U 7 Elastomeros - Pedro Mendoza

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Ing. Ana Ettorre - Año 2015 Guía de Estudio U 7 – Elastómeros 
U – 7 ELASTÓMEROS 
 
 
Diversos materiales poliméricos conocidos con el nombre de hule, caucho, gomas, rubbers, 
elásticos, látex, etc. se estudian bajo la denominación genérica de elastómeros. Un 
elastómero es un material con la propiedad mecánica de poder sufrir gran 
deformación dimensional bajo esfuerzo (tensión) que la mayoría de los materiales y aun así 
retornar a su tamaño original sin sufrir deformación permanente al cesar el esfuerzo 
deformante. 
Son ampliamente utilizados en la fabricación de neumáticos, artículos impermeables, 
aislantes térmicos y eléctricos y especialmente en aplicaciones donde se requiera su 
capacidad para sufrir deformación y absorber vibraciones. Son repelentes al agua y 
resistentes a la acción química de ácidos y álcalis. Se disuelven con facilidad en 
hidrocarburos derivados del petróleo. Numerosos polímeros presentan estas características, 
entre ellos: 
– Caucho natural (poliisopreno natural) 
– Caucho sintético (poliisopreno sintético) 
– Caucho de estireno butadieno – SBR (copolímero) 
– Acrilonitrilo butadieno (cauchos de nitrilo) – NBR (copolímero) 
– Policloropreno (neoprene) 
– Polisiloxanos (siliconas) 
 
Origen 
El caucho natural se obtiene a partir de la savia del árbol Hevea brasiliensis, fig. 1, árbol que 
existía y se cultivaba en Brasil, en la zona amazónica próxima a la ciudad de Manaos a 
fines del siglo XlX y principios del XX. 
 
 
Fig. 1: Plantaciones de Hevea brasiliensis Fig. 2 Recolección de latex (savia) 
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Hoy aún se cultiva en zonas tropicales del sudeste asiático, como Malasia e Indonesia. 
La fuente del caucho natural es un líquido lechoso conocido como látex, donde el 
polímero se encuentra en estado de pequeñas gotitas formando una emulsión en la savia 
vegetal. 
El látex líquido se recolecta de los árboles, fig. 2, y se lo lleva a los centros de procesamiento 
donde se lo diluye en agua y se lo coagula con ácido fórmico. El material coagulado se 
comprime a través de rodillos para eliminar el agua sobrante y producir un material en 
forma de láminas. Las láminas se secan mediante corrientes de aire caliente o se tratan con 
humos provenientes de hogueras. 
El caucho sintético se obtiene como derivado del petróleo a partir de moléculas 
insaturadas con dobles enlaces como el butadieno adecuadamente polimerizadas. 
 
Estructura química 
El monómero del caucho natural es el cis- 1,4 isopreno, C5H8, fig. 3. El polímero es, 
principalmente, cis-1,4 poliisopreno y está mezclado con pequeñas cantidades de 
proteínas, lípidos, sales inorgánicas y gran número de otros compuestos presentes en la 
savia vegetal. Es una cadena larga, cuyo peso molecular promedio puede ser de 100.000 
g/mol, aproximadamente. Se obtiene por polimerización del monómero como se muestra 
en la fig. 3. 
 
 
 
 Isopreno poliisopreno (hule) 
Fig. 3 Estructura química del poliisopreno 
 
El prefijo cis- indica que el grupo metilo unido al átomo de C2 y el átomo de H unido al 
átomo de C3 están del mismo lado del doble enlace C=C, como muestra el círculo de 
guiones en la fig. 4 
 
 
Fig. 4 Unidad estructural, monomérica, que se 
repite para el caucho natural 
El 1,4 indica que los monómeros están unidos entre sí a través de los átomos de carbono 
primero y cuarto. Las cadenas del polímero de caucho natural son largas, están enredadas 
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y enrolladas y a temperatura ambiente se encuentran en un estado de agitación continua. 
La curvatura y enrollamiento de las cadenas poliméricas se atribuyen al impedimento 
estérico del grupo metilo y al átomo de H que están del mismo lado del doble enlace C=C. 
La distribución de los enlaces covalentes en la cadena del polímero se muestra 
esquemáticamente en la fig. 5. 
 
 
Fig. 5 Segmento de una cadena polimérica de caucho natural 
 
Hay otro isómero estructural del poliisopreno, C5H8, el trans-1,4 poliisopreno, llamado 
gutapercha, el cual no posee propiedades elastoméricas. En este isómero el grupo metilo y 
el átomo de H unidos a los átomos de C 2 y 3 del doble enlace se encuentran en lados 
opuestos del doble enlace de cada monómero, ver en la fig. 6 el círculo de guiones: 
 
 
 
Fig. 6 trans-1,4 poliisopreno 
 
 
En esta estructura el grupo metilo y el átomo de H enlazados al doble enlace C=C no 
interfieren entre sí y, como resultado, la molécula trans-1,4 poliisopreno es más simétrica, 
puede cristalizar y da un material rígido carente de propiedades elastoméricas, fig. 7. 
 
 
Fig. 7 Segmento de 
cadena polimérica de 
gutapercha 
 
El prefijo cis, deriva de una voz latina y significa del mismo lado mientras que el prefijo trans significa 
del otro lado. 
 
Comparación entre el caucho natural y el sintético 
El caucho natural es en su mayoría isopreno polimerizado con un pequeño porcentaje de 
impurezas. Esto limita las propiedades que puede presentar el material. También, hay 
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limitaciones en las proporciones de los dobles enlaces cis y trans resultantes de los métodos 
de polimerización del látex natural. Esto también limita el rango de las propiedades 
disponibles del caucho natural, aunque la adición de azufre y la vulcanización son usadas 
para mejorar las propiedades como se verá más adelante. 
 
El caucho sintético puede ser hecho a partir de la polimerización de una variedad 
de monómeros incluyendo al isopreno (2-metil-1,3-butadieno), 1,3-butadieno, 
cloropreno (2-cloro-1,3-butadieno), e isobutileno (metilpropeno) con un pequeño 
porcentaje de isopreno para la reticulación. Estos y otros monómeros pueden ser 
mezclados en varias proporciones deseables para ser copolimerizados para un amplio 
rango de propiedades físicas, mecánicas y químicas. Los monómeros pueden ser 
producidos puros y la adición de impurezas o aditivos puede ser controlada por diseño 
para brindar propiedades óptimas. La polimerización de monómeros puros puede ser 
controlada para dar una proporción deseada de dobles enlaces cis y trans. 
 
El caucho sintético sirve como un sustituto del caucho natural, especialmente, cuando se 
requieren propiedades mejoradas. 
 
PROPIEDADES Caucho natural SBR 
Rango de Dureza 20-90 40-90 
Resistencia a la rotura buena regular 
Resistencia abrasiva excelente buena 
Resistencia a la compresión buena excelente 
Permeabilidad a los gases regular regular 
 
 
Comportamiento esfuerzo-deformación 
Los materiales poliméricos presentan tres tipos distintos de comportamiento esfuerzo-
deformación (fig. 8). La curva A corresponde al comportamiento esfuerzo-deformación de 
un polímero frágil, ya que se rompe cuando se deforma elásticamente. El comportamiento 
del material representado por la curva B es parecido al de los metales: después de la 
deformación elástica inicial el material fluye y luego se deforma plásticamente. Finalmente, 
el comportamiento descripto por la curva C es totalmente elástico. La elasticidad de la 
goma (grandesdeformaciones recuperables producidas por pequeños esfuerzos) es propia 
de los polímeros elastoméricos. 
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Fig. 8 Comportamiento esfuerzo-deformación de los polímeros. 
 
Enlaces cruzados en los polímeros. Vulcanizado (curado) 
Las propiedades elastoméricas de los polímeros pueden graduarse introduciendo enlaces 
químicos entre las cadenas poliméricas, como se ilustra en la fig. 9. La formación de 
enlaces entre las cadenas paralelas se denomina entrecruzamiento. Cuanto mayor sea el 
número de entrecruzamientos de un polímero, más rígido es el material. 
Mientras que los materiales termoplásticos consisten en cadenas poliméricas 
independientes, unidas entre sí por débiles fuerzas de van der Waals, los elastómeros 
forman enlaces cruzados al calentarse y por ello cambian sus propiedades. 
 
 
Fig. 9. Enlaces cruzados de cadenas poliméricas. 
Los grupos de enlace cruzado limitan los 
movimientos relativos de las cadenas del 
polímero y hacen que el material sea más rígido, 
menos flexible y más resistente al ataque 
químico. 
 
Un ejemplo importante de entrecruzamiento es la vulcanización del caucho natural, 
proceso descubierto y desarrollado por Charles Good Year en 1839. 
 
El caucho natural es un material poco útil porque es demasiado blando y demasiado 
reactivo químicamente. Goodyear descubrió que, si se le agrega azufre y luego se calienta 
la mezcla, el caucho se vuelve más duro, en el sentido de tenacidad, y menos susceptible 
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a la oxidación u otro ataque químico. El azufre convierte al caucho en un polímero menos 
elástico, menos pegadizo y más resistente al ataque químico. El entrecruzando de las 
cadenas poliméricas mediante reacciones en algunos dobles enlaces, como muestra la fig. 
10, mediante átomos de azufre, crea un caucho flexible y elástico, menos pegadizo y más 
estable. Cuando el caucho se estira, los enlaces cruzados ayudan a evitar que las cadenas 
resbalen y conserven su elasticidad. 
 
 
Fig. 10. Estructura de una sección de caucho natural polimérico. Se han agregado cadenas de 
cuatro átomos de azufre entre dos cadenas poliméricas por la apertura de dobles enlaces C-C en 
cada cadena. 
 
La reacción del azufre con el caucho aún en la actualidad se ve compleja y difícil de 
interpretar. A pesar de esto, se comprende que algunos dobles enlaces de las moléculas 
de poliisopreno se rompen y forman enlaces cruzados de átomos de azufre, fig. 11. 
 
En la fig. 12 se muestra cómo se incrementa la resistencia a la tensión del caucho natural 
por medio de la vulcanización. Debido a que el caucho y el azufre reaccionan muy 
lentamente, incluso a elevadas temperaturas, para acortar el tiempo de curado se 
mezclan generalmente sustancias químicas aceleradoras (catalizadores) junto con otros 
aditivos como cargas, plastificantes y antioxidantes. 
 
Normalmente, los cauchos blandos endurecidos contienen cerca de 3% en peso de azufre 
y para su vulcanización se calienta hasta 100 – 200ºC. Si se incrementa el contenido de 
azufre, los enlaces entrecruzados se incrementarán también, produciendo un material muy 
duro y poco flexible. Se puede producir una estructura totalmente rígida de caucho por 
agregado de 45% en peso de azufre. 
 
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Fig. 11 Ilustración esquemática de la 
vulcanización del caucho. En este proceso, los 
átomos de azufre forman enlaces 
entrecruzados entre las cadenas de 1,4 
poliisopreno. a) Cadena de cis-1,4 
poliisopreno antes que se forme el enlace 
cruzado. B) cadena de cis 1,4 poliisopreno 
después que se forman los enlaces cruzados 
con átomos de azufre. 
 
 Fig. 12 Gráficas de tensión y deformación para 
caucho natural vulcanizado y sin vulcanizar. 
 
 
El oxígeno o el ozono reaccionan también con los dobles enlaces del carbono de las 
moléculas del caucho, en forma similar a la reacción de vulcanización de azufre y 
provocan que el material se vuelva frágil. Esta reacción de oxidación puede ser retardada 
hasta cierto punto añadiendo antioxidantes cuando se fabrica el caucho. 
 
El agregado de cargas puede reducir el costo del caucho y también reforzar el material. El 
negro de humo se usa comúnmente como carga para el caucho y, en general, mientras 
más fino es el tamaño de la partícula de negro de humo, más alta será la resistencia a la 
tensión. El negro de humo aumenta también la resistencia del caucho a la rasgadura y la 
abrasión. Las arenas silíceas, por ejemplo, silicato de calcio y las arcillas alteradas 
químicamente, se usan también como cargas para reforzar el caucho. 
 
Cauchos sintéticos 
Estudiaremos a continuación los cauchos sintéticos comerciales de mayor uso en el 
mercado. 
 
Caucho estireno-butadieno (SBR) 
El caucho sintético más importante y el que más ampliamente se usa es el caucho estireno-
butadieno (SBR), un copolímero del butadieno- estireno. Después de la polimerización, este 
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material contiene un 20 a 23 % de estireno. La estructura básica del SBR se muestra en la 
fig. 13. 
 
 
Fig.13 Estructura química del copolímero de caucho sintético de estireno-butadieno. 
 
Debido a que los meros de butadieno contienen dobles enlaces, este copolímero puede 
ser endurecido con azufre por enlaces cruzados. El butadieno cuando se lo sintetiza con un 
catalizador estéreo específico para producir el isómero cis, tiene aún más elasticidad que el 
caucho natural porque el grupo metilo unido al doble enlace en el caucho natural no 
existe en el mero del butadieno. La presencia de estireno en el copolímero produce un 
caucho más tenaz y resistente. El grupo fenilo del estireno que está disperso a lo largo de la 
cadena principal, reduce la tendencia de dicho polímero a cristalizar cuando se lo somete 
a altos esfuerzos. El caucho SBR tiene un costo más bajo que el natural, y por lo tanto, se usa 
en múltiples aplicaciones en reemplazo del caucho natural. Por ejemplo, para cuerdas de 
neumáticos, el SBR tiene mejor resistencia al uso pero genera más calor. Una desventaja del 
SBR y del caucho natural es que absorben disolventes orgánicos, como nafta, gasoil, 
aceites minerales, y se hinchan. 
 
Cauchos de nitrilo (NBR) 
Los cauchos de nitrilo son copolímeros de butadieno y acrilonitrilo con proporciones que 
varían de 55 a 82 % de butadieno y de 45 a 18% de acrilonitrilo. La presencia de acrilonitrilo 
aumenta el grado de polaridad en las cadenas principales y los enlaces de hidrógeno 
entre las cadenas adyacentes. 
 
 
Acrilonitrilo 
Los grupos acrilonitrilos proporcionan buena resistencia a solventes 
orgánicos y a aceites minerales, además de mejorar la resistencia a 
la abrasión y al calor. Por otra parte se reduce la flexibilidad 
molecular. 
 
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Los cauchos de nitrilo son más costosos que los cauchos ordinarios, porlo cual el uso de 
estos polímeros se limita a aplicaciones especiales, como mangueras de combustible y 
juntas en las que se requiere alta resistencia a aceites y disolventes. 
 
Policloropreno (neopreno) 
Los cauchos de policloropreno o neopreno son similares al isopreno, excepto que el grupo 
metilo unido al doble enlace de carbono ha sido reemplazado por un átomo de cloro: 
 
 
La presencia del átomo de cloro aumenta la resistencia de los dobles enlaces al ser 
atacados por el oxígeno, ozono , calor, luz y otras condiciones ambientales. Los neoprenos 
tienen también buena resistencia a los combustibles y al aceite mineral. Sin embargo, 
tienen una flexibilidad menor a bajas temperaturas y su costo es más alto. Por estas razones, 
los neoprenos se usan en aplicaciones especiales como recubrimientos de alambres y 
cables, mangueras y cinturones industriales, sellos y diafragmas automotrices. 
 
 
 
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El neopreno se vende a sus fabricantes como un caucho sintético crudo. Antes de 
convertirlo en productos útiles, deben mezclarlo con sustancias químicas, cargas y soportes 
seleccionados para el procesado. Al compuesto resultante se le da forma o se moldea y 
vulcaniza. Las propiedades de este producto terminado dependen de la cantidad de 
neopreno crudo y de los demás ingredientes agregados a la mezcla. En la tabla anterior se 
muestra una lista de propiedades físicas básicas del policloropreno como caucho crudo, 
goma vulcanizada y productos vulcanizados con carga de negro de humo. 
 
La vulcanización de los elastómeros de policloropreno depende más de los óxidos 
metálicos que del azufre, el cual se utiliza en múltiples materiales elastoméricos. Los que se 
usan más comúnmente son los óxidos de zinc y magnesio. Se cree que el proceso de 
vulcanización se lleva a cabo conforme a la siguiente reacción: 
 
 
 
El cloruro de zinc que se forma es un catalizador activo para la vulcanización y, a menos 
que sea eliminado, puede causar problemas durante el proceso posterior. El MgO puede 
actuar como estabilizador para eliminar al ZnCl2 de la siguiente manera: 
 
 
 
Cauchos de silicona 
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El átomo de silicio, como el de carbono, tiene una valencia de 4 y es capaz de formar 
moléculas poliméricas por medio de enlaces covalentes. Sin embargo, el polímero de 
silicona tiene unidades de silicio y oxígeno que se repiten, como se muestra en la figura 14. 
Donde X y X´ pueden ser átomos de hidrógeno o grupos tales como el metilo, -CH3 , o 
fenilo, -C6H5. Los polímeros de silicona que se basan en silicio y oxígeno en la cadena 
principal, se llaman silicones. De los múltiples elastómeros de silicona, el tipo más común es 
aquel en el que la X y la X´ de la unidad que se repite son grupos metilos, fig. 15. 
 
 
Fig. 14 Fig. 15 
 
El polidimetil siloxano puede formar enlaces cruzados a temperatura ambiente mediante la 
adición de un iniciador (por ejemplo, peróxido de benzoilo), el cual hace reaccionar los dos 
grupos metilos junto con la eliminación de gas hidrógeno (H2) para formar Si – CH2 – CH2 – Si 
en forma de puentes. Otros tipos de silicones se pueden curar a altas temperaturas, por 
ejemplo 50 a 150ºC, dependiendo del producto y del uso al que se destinen. 
 
Los cauchos de silicona tienen la importante ventaja de que pueden usarse en un amplio 
rango de temperaturas, por ejemplo entre -100 a 250ºC. Poseen un alto grado de 
flexibilidad a baja temperatura (hasta -90ºC) y son estables a temperaturas altas (250ºC). 
Además, son resistentes a la degradación ambiental y a los aceites minerales. Otra 
característica atractiva de las siliconas es que se pueden vulcanizar a temperatura 
ambiente. 
 
Algunas aplicaciones de los cauchos de siliconas son: sellos, juntas, aislamiento eléctrico, 
cables de encendido y cubiertas para bujías de vehículos, enseres domésticos para 
hornear, agarraderas resistentes al calor. 
 
 
Algunas propiedades de los elastómeros seleccionados pueden verse en la Tabla siguiente. 
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Bibliografía 
• Callister, William D. Jr. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverté. 
• Shackelford, James. Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. Editorial Pearson, 
Prentice Hall. 
• Smith, William F; Hashemi, Javad. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Mc 
Graw Hill, 4º Edición. 2004. Existente en biblioteca de la Facultad Tecnológica, registrado con el 
número 26206.