Dans un composé de bande de roulement de pneu typique, le polymère de caoutchouc ne représente qu'environ 47 % du poids total. Le reste arrive au mélangeur sous forme de noir de carbone, d’huile de traitement, d’oxyde de zinc, de soufre, d’accélérateurs et d’antidégradants. Cette proportion unique est le moyen le plus rapide de répondre à la question de savoir de quoi est fabriqué le caoutchouc, car le matériau que les gens coupent, moulent et vendent n’est pas une seule substance. Il s’agit d’un polymère auquel s’ajoute un ensemble de produits chimiques soigneusement pesé.
30-40% Teneur en hydrocarbures du caoutchouc du latex frais
100 pces Le poids de référence fixe sur lequel chaque recette est construite
1,5-2,5 pce Soufre dans un système de cure conventionnel
La réponse courte : un squelette polymère et un package de composition
Le caoutchouc est fabriqué à partir d'un polymère à longue chaîne combiné à des charges, des huiles, des agents curatifs et des produits chimiques protecteurs. Le polymère lui-même est soit du cis-1,4-polyisoprène extrait de l'arbre Hevea brasiliensis, soit une chaîne synthétique construite dans un réacteur à partir de monomères récupérés du pétrole et du gaz naturel. Tout le reste de la recette existe pour rendre cette chaîne exploitable, durable et prévisible en service.
Le caoutchouc est un réseau polymère élastique plutôt qu’une substance unique. Son comportement caoutchouteux provient des réticulations qui lient les longues chaînes de polymères les unes aux autres ; sans ces liaisons croisées, les mêmes chaînes se ramollissent et coulent lorsqu'elles sont chauffées.
L'isoprène, le monomère à cinq carbones du caoutchouc naturel, est une petite molécule. La polymérisation relie tête-bêche des milliers de ces unités en une chaîne dont le poids moléculaire peut atteindre plusieurs centaines de milliers de grammes par mole. Cette longueur permet au matériau de s'étirer jusqu'à plusieurs fois sa longueur d'origine et de récupérer, à condition que les chaînes soient ancrées les unes aux autres.
Un polymère brut à lui seul est presque inutile sur une chaîne de production. Le caoutchouc naturel non vulcanisé est collant par temps chaud et cassant par temps froid, et perd rapidement sa résistance au-dessus de 60 degrés Celsius. Le package de composition corrige ces faiblesses, c’est pourquoi presque toutes les spécifications que vous lirez décrivent un composé, pas un polymère.
Caoutchouc naturel : ce qui sort de l'arbre
Le caoutchouc naturel est fabriqué à partir de latex de champ, une suspension laiteuse composée d'environ 30 à 40 pour cent de polyisoprène, de 55 à 65 pour cent d'eau et d'une fraction petite mais importante de protéines, de lipides, de sucres et de sels minéraux. La fraction non caoutchouteuse est infime en poids, mais elle détermine le comportement de guérison, les odeurs, le vieillissement et le risque d'allergie.
| Composant | Part typique | Pourquoi c'est important |
| cis-1,4-polyisoprène | 30 à 40 pour cent | L'épine dorsale élastique du matériau |
| Eau | 55 à 65 pour cent | Phase porteuse, éliminée lors de la coagulation et du séchage |
| Protéines | 1 à 2 pour cent | Stabilise le latex dans l'arbre et provoque une allergie au latex de type I chez l'homme |
| Lipides et résines | 1 à 2 pour cent | Agir comme antioxydants naturels et influencer le durcissement |
| Glucides | Environ 1 pour cent | Nourrir les bactéries, c'est pourquoi de l'ammoniaque ou un autre conservateur est ajouté |
| Cendres et sels minéraux | Moins de 1 pour cent | Restent sous forme de résidus et sont signalés comme teneur en cendres sur la fiche technique |
La récolte commence lorsqu'un arbre a environ cinq à sept ans. Un saigneur rase une fine spirale d'écorce, le latex coule dans une tasse et le liquide est conservé avec de l'ammoniaque pour l'expédition. En usine, le latex est coagulé avec de l'acide formique puis transformé en l'une des trois formes commerciales suivantes : feuilles non fumées, feuilles fumées nervurées ou caoutchouc granulé vendu sous des qualités techniquement spécifiées.
Les noms de grades contiennent des informations sur la composition. Les marques telles que SVR 10, SIR 20 ou SMR 20 font référence à la teneur en saleté maximale autorisée en parties par cent, de sorte qu'un caoutchouc de qualité 20 est autorisé à environ deux fois la contamination d'un matériau de qualité 10.
Pour une comparaison plus approfondie des deux voies polymères, la répartition de latex naturel et polymères synthétiques vaut la peine d'être lu parallèlement aux spécifications des matières premières que vous recevez de votre fournisseur.
Caoutchouc synthétique : ce qui sort de la raffinerie
Le caoutchouc synthétique est fabriqué à partir de monomères récupérés à partir du pétrole et du gaz naturel, puis polymérisés dans un réacteur dans des conditions contrôlées de température, de pression et de catalyseur. Étant donné que les ratios de monomères peuvent être ajustés dans des fenêtres étroites, le polymère résultant est beaucoup plus cohérent d’un lot à l’autre que le caoutchouc de plantation.
| Famille | Monomères de départ | Propriété remarquable | Pièces typiques |
| SBR | Styrène et butadiène | Adhérence sur sol mouillé et résistance à l’abrasion | Bandes de roulement de pneus, semelles de chaussures |
| BR | Butadiène | Flexibilité à basse température | Parois latérales, cache-courroies |
| EPDM | Éthylène, propylène et un diène tel que l'ENB | Résistance à l'ozone et aux intempéries | Toiture, tapis extérieurs, tuyau |
| NBR | Acrylonitrile et butadiène | Résistance à l'huile et au carburant | Joints, durite d'essence, joints |
| CR | Chloroprène | Résistance aux flammes et stabilité aux intempéries | Ceintures, gaines de câbles |
| IIR | Isobutylène avec quelques pour cent d'isoprène | Très faible perméabilité à l'air | Chambres à air, poches de polymérisation |
| Silicone | Polydiméthylsiloxane | Large plage de températures de service | Joints, pièces en contact avec les aliments |
Le caoutchouc butyle ne contient qu'environ 1 à 2 pour cent d'isoprène en poids. Cette infime fraction d’unités insaturées est ce qui permet à une chaîne autrement inerte d’être vulcanisée.
Le système de dénomination ISO 1629 regroupe ces matériaux selon la structure de leur squelette. Les qualités avec un suffixe R, telles que NR, SBR, BR, NBR et CR, ont des chaînes carbonées insaturées et durcissent facilement avec du soufre. Les qualités avec un suffixe M, y compris l'EPDM et le silicone, ont des chaînes saturées et nécessitent normalement du peroxyde, de la résine ou un système de durcissement similaire.
Contenu d'autre : la recette de composition
Pour 100 parties de caoutchouc, un composé à usage général contient généralement 40 à 60 pce de noir de carbone, 5 à 30 pce d'huile de traitement, 3 à 5 pce d'oxyde de zinc, 1 à 2 pce d'acide stéarique, 1,5 à 2,5 pce de soufre, 0,8 à 2 pce d'accélérateur et 1 à 3 pce d'antidégradant. Ces chiffres correspondent à la plage de fonctionnement d'un composé conventionnel durci au soufre, et ils changent considérablement une fois que la résistance à la chaleur, la résistance à l'huile ou la faible déformation rémanente à la compression entrent dans les spécifications.
Machine Banbury en caoutchouc pour le mélange de caoutchouc et de plastique Mélangeur haute performance avec commande hydraulique et rotor optimisé pour disperser le noir de carbone, l'huile de traitement et les additifs dans les mélanges de caoutchouc. Voir le produit → Chaque nombre dans cette phrase est mesuré en phr, qui signifie parties pour cent de caoutchouc. Le poids de référence est toujours de 100 parties de polymère, jamais le poids du composé fini, de sorte qu'une recette peut être augmentée ou réduite sans recalculer les ratios.
Le noir de carbone est rarement inférieur à 40 pce dans un produit mécanique en caoutchouc. Coupez-le en dessous de ce niveau et la résistance à la traction et à la déchirure diminue rapidement, même si le composé devient plus facile à traiter et moins cher à mélanger.
Les familles d'ingrédients se répartissent en cinq groupes fonctionnels :
- Les charges, principalement du noir de carbone et de la silice précipitée, ajoutent résistance, dureté et résistance à l'abrasion.
- Les plastifiants et les huiles de traitement adoucissent le mélange, améliorent l'écoulement et abaissent la température de mélange.
- Des activateurs tels que l'oxyde de zinc et l'acide stéarique convertissent l'accélérateur en sa forme active.
- Les curatifs, soufre ou peroxyde, créent les réticulations qui rendent le caoutchouc élastique.
- Les antidégradants, notamment les amines, les phénols et les cires, ralentissent le vieillissement par l'oxygène, l'ozone et la chaleur.
Du polymère au produit : quatre étapes de traitement
Transformer ces ingrédients en une partie utilisable suit quatre étapes, et la composition change à chacune d'elles. Des erreurs de pondération de quelques grammes dans un lot de 50 kilogrammes suffisent à décaler la dureté de plusieurs points sur l'échelle IRHD.
Machine de calandre en caoutchouc à 3 rouleaux pour le revêtement et le calandrage Calandre à trois rouleaux avec commande PLC et espacement réglable des rouleaux pour le revêtement de câbles, de toiles ou de calandrage de feuilles de doublure intérieure de pneus techniques. Voir le produit → Composition
Les ingrédients sont pesés selon la recette phr et mis en sac. Les balles de polymère sont coupées, chauffées et souvent pré-masticées pour amener la viscosité Mooney dans la plage avant que les charges n'entrent.
Mélange
Un mélangeur interne ou un broyeur ouvert incorpore le noir de carbone et l'huile dans le polymère. La température de déversement est le point de contrôle critique, car un mélange trop chaud roussira ou durcira partiellement dans le mélangeur.
Façonner
Le calandrage produit une feuille de calibre contrôlé, l'extrusion forme des profils et des tuyaux, et le moulage par compression ou par injection remplit une cavité. Le composé est encore thermoplastique à ce stade et peut être retravaillé.
Vulcanisation
La chaleur déclenche le système de durcissement et verrouille la forme de manière permanente. Une pièce épaisse peut rester dans une presse pendant 20 minutes à une température de 150 à 160 degrés Celsius, tandis qu'un mince profilé extrudé peut être durci en continu.
Le soufre à lui seul peut prendre des heures pour guérir une section épaisse. Les accélérateurs réduisent ce délai à quelques minutes, c'est pourquoi pratiquement aucun composé commercial n'est durci avec du soufre seul.
Comment la composition apparaît sur une feuille de données
Une fiche technique sur le caoutchouc indique l'identité du polymère, les ratios de monomères, les limites de contamination et le comportement de traitement, ce qui transforme la chimie invisible en chiffres que vous pouvez comparer. La lecture de ces chiffres par rapport à l'application est le moyen le plus rapide de détecter une inadéquation avant que le matériau n'atteigne la ligne.
- La teneur en acrylonitrile du NBR varie d'environ 18 pour cent pour une faible résistance à l'huile jusqu'à 42 pour cent pour un contact sévère avec le carburant.
- Le styrène lié dans le SBR est généralement d'environ 23,5 % dans la qualité d'émulsion standard, et une teneur plus élevée en styrène augmente l'adhérence sur sol mouillé et l'accumulation de chaleur.
- Le rapport éthylène et propylène ainsi que la teneur en ENB définissent la manière dont un EPDM durcit et dans quelle mesure il tolère l'ozone.
- La viscosité Mooney ML(1 4) à 100 degrés Celsius se situe généralement entre 40 et 80 pour un composé mixte.
- La teneur en cendres, en matières volatiles et en saletés impose un plafond à la sélection des qualités de caoutchouc naturel.
Deux fournisseurs peuvent proposer le même nom de qualité et livrer des matériaux différents. La variation d'un lot à l'autre dans le caoutchouc naturel est une réalité dans les plantations, tandis que les qualités synthétiques restent dans des fenêtres de spécifications étroites.
Caoutchouc naturel
- Source : latex d'hévéa
- Très haute résistance à la traction et à la déchirure
- Excellente flexibilité à basse température
- Mauvaise résistance à l’huile et au carburant
- Les prix évoluent en fonction des conditions météorologiques et des cycles de plantation
Caoutchouc synthétique
- Source : monomères de raffinerie
- Propriétés ajustées par rapport aux monomères
- Résistance à l'huile, à la chaleur et à l'ozone disponible
- Cohérent d'un lot à l'autre
- Prix lié aux coûts des matières premières et de l’énergie
Là où les spécifications comptent le plus, les données du composé doivent être vérifiées par rapport à la pièce finie, et non au polymère seul. Le même raisonnement s’applique partout produits industriels en caoutchouc , depuis les feuilles et les tapis jusqu'aux revêtements de tuyaux et aux composés de courroies.
Caoutchouc récupéré : composition après une seconde vie
Le caoutchouc récupéré est fabriqué à partir de déchets broyés, principalement des pneus en fin de vie, qui sont dévulcanisés et raffinés pour devenir une feuille transformable. Le matériau contient toujours des hydrocarbures de caoutchouc, mais il contient également du noir de carbone, de l'huile, des cendres et des résidus de durcissement qui se trouvaient dans le composé d'origine.
Machine de recyclage de pneus usagés pour la production de poudre de caoutchouc Système de concassage, de criblage et de séparation magnétique qui prépare de la poudre de caoutchouc de 10 mailles et de -40 mailles à partir de pneus en fin de vie. Voir le produit → Le processus commence par le meulage, puis la séparation magnétique de l'acier et l'élimination des fibres textiles. S'ensuit une dévulcanisation, soit thermomécanique, chimique ou assistée par micro-ondes, et le raffinage produit finalement une feuille lisse. Une récupération typique contient environ 40 à 50 pour cent d’hydrocarbures de caoutchouc, le reste étant constitué de noir de carbone et de charges minérales.
La récupération est normalement chargée à 5 à 20 phr dans un composé technique. Au-dessus de ce niveau, la résistance à la traction et la déformation rémanente à la compression se dégradent sensiblement, bien que la vitesse de durcissement augmente souvent.
L'ajout de récupération réduit le coût des matières premières et évite la mise en décharge des déchets, c'est pourquoi ils apparaissent régulièrement dans les tapis, les cales de roue et autres biens non critiques. Il ne convient pas aux joints dynamiques ou aux applications à haute température où une déformation constante de la compression compte plus que le prix.
Foire aux questions
Le caoutchouc est-il fabriqué à partir de pétrole ?
En partie. Le caoutchouc synthétique est fabriqué à partir de monomères tels que le butadiène, le styrène et l'isoprène provenant du pétrole et du gaz naturel. Ce n’est pas le cas du caoutchouc naturel, puisqu’il provient du latex de l’arbre Hevea brasiliensis. La plupart des produits industriels en caoutchouc utilisent l’un ou l’autre, et beaucoup utilisent les deux dans un seul composé.
Quelle est la différence entre le caoutchouc naturel et synthétique au niveau moléculaire ?
Le caoutchouc naturel est du cis-1,4-polyisoprène presque pur, une chaîne régulière qui cristallise sous contrainte et confère une très grande résistance. Les qualités synthétiques sont constituées de deux monomères ou plus, de sorte que la chaîne porte différents groupes latéraux sur toute sa longueur. Ces groupes latéraux créent une résistance à l’huile dans le NBR ou une résistance aux intempéries dans l’EPDM.
Que signifie phr dans une recette de caoutchouc ?
Phr signifie parties pour cent de caoutchouc. Chaque ingrédient est exprimé par rapport à 100 parties en poids de polymère de caoutchouc, donc un composé contenant 50 pce de noir de carbone contient deux fois moins de noir que le polymère. Il s'agit d'un système de ratio et non d'un pourcentage du mélange fini.
Le caoutchouc peut-il être fabriqué sans soufre ?
Oui. L'EPDM, le silicone et de nombreuses qualités spéciales sont durcis avec des peroxydes, des résines phénoliques ou des oxydes métalliques au lieu du soufre. Le soufre reste le curatif le plus courant car il est peu coûteux et fonctionne bien avec les chaînes insaturées telles que NR, SBR et NBR.
L'histoire de la composition se termine là où commence l'application : un composé n'est correct que lorsque son polymère, sa charge de charge et son système de durcissement correspondent à la chaleur, à l'huile et à la flexion de la pièce.
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