Joe Walter réfléchit à la manière dont les processus de durcissement et de vulcanisation des pneus pourraient être améliorés

Sep 01, 2023

L’une des avancées majeures dans l’histoire du caoutchouc a été la découverte qu’une pincée de soufre ajoutée au caoutchouc brut, puis chauffée à des températures élevées, « guérissait » ses carences apparemment insurmontables : l’adhésivité estivale et la fragilité hivernale. Ce processus irréversible de durcissement au soufre a non seulement altéré le caoutchouc, mais a également amélioré ses propriétés physiques globales via la formation de réticulations chimiques ou de « ponts de soufre tridimensionnels » entre des macromolécules à longue chaîne entrelacées. L'ajout de plus de soufre a créé davantage de liaisons croisées tandis que le caoutchouc est devenu plus dur et moins hystérétique. Il est intéressant de noter que la réticulation par d’autres mécanismes se produit dans de nombreux phénomènes courants tels que le séchage de la peinture et la friture des œufs.

Le processus de durcissement produisant la réticulation caoutchouc-soufre a ensuite été surnommé vulcanisation en l'honneur de Vulcain, le dieu mythologique du feu. Cependant, la procédure originale, découverte par Charles Goodyear en 1839 (voir Tire Legends, juillet 2016, p. 46), était longue et fastidieuse – nécessitant souvent l'application de chaleur pendant quatre heures ou plus. Depuis lors, des chercheurs du monde entier ont expérimenté des additifs chimiques combinés au caoutchouc ou à d’autres mécanismes de vulcanisation susceptibles de réduire les temps de durcissement. La combinaison de produits chimiques favorisant la réticulation est connue sous le nom de système de vulcanisation ou « package de traitement ».

L'ensemble de traitement actuel pour les composés de pneus est composé de soufre, d'un accélérateur et d'un activateur. Le soufre, utilisé à 3 phr ou moins, reste le meilleur agent de réticulation pour presque tous les composés de caoutchouc pour pneus, qu'ils soient naturels ou synthétiques. Les accélérateurs réduisent le temps de durcissement en augmentant le taux de réticulation par rapport au soufre agissant seul. Les activateurs assistent l'accélérateur en favorisant davantage la réticulation. L'ensemble de durcissement n'est ajouté au composé non vulcanisé qu'à l'étape finale ou productive du mélange en usine. Les cycles de mélange préalables, deux ou plus, sont exécutés avec la plupart des autres ingrédients de composition, notamment le noir de carbone, la silice, les antioxydants, etc. L'étape finale de mélange contenant les agents de vulcanisation est contrôlée à une température plus basse (environ 110 ºC) que les étapes précédentes (qui sont traitées à des températures plus élevées), car le composé de caoutchouc pourrait « roussir » ou se réticuler prématurément. Le contrôle de l’historique thermique des composés lors des opérations ultérieures en usine, telles que l’extrusion et le calandrage, est également crucial pour la sécurité contre le grillage. Une fois tous les composants assemblés, le pneu peut être vulcanisé, généralement dans la plage de température de 145 à 160°C pendant 10 à 15 minutes pour un pneu d'automobile. Une réduction considérable du temps de vulcanisation (en minutes et non en heures) par rapport à celui requis à l'époque de Charles Goodyear.

La principale raison de cette réduction significative du temps de vulcanisation est la découverte et l'utilisation d'un large éventail d'accélérateurs. Si le soufre élémentaire est resté omniprésent dans les composés des pneus depuis plus de 100 ans, il n’en va pas de même pour les accélérateurs, dont les matériaux ont évolué au fil du temps. Les premiers accélérateurs étaient des oxydes métalliques inorganiques de plomb ou de zinc – généralement inclus à des charges élevées. L'oxyde de zinc a également servi de principal agent de renforcement pour les composés des pneus jusqu'à ce qu'il soit remplacé par le noir de carbone après la Première Guerre mondiale. Cependant, le plus grand progrès en matière de réduction du temps de durcissement s'est avéré être le développement d'accélérateurs organiques au début du 20e siècle – d'abord l'aniline et son dérivé. , le thiocarbanilide, suivi par une gamme de matériaux synthétisés complexes (pour les ingénieurs) à partir des années 1920. Ceux-ci sont utilisés en petites quantités et sont plus facilement reconnaissables par leurs abréviations telles que MBT (un thiazole) et CBS (un sulfénamide) ; développés il y a des décennies, les deux sont encore utilisés aujourd’hui. Au total, les préparateurs disposent désormais de plus de 100 accélérateurs disponibles.

Les activateurs fournissent le coup de pouce final au système de durcissement en amenant l'accélérateur à réagir plus efficacement avec le soufre pour favoriser les liaisons croisées. Le « étalon-or » parmi les activateurs reste l'oxyde de zinc inorganique, généralement à 2-3 phr, et l'acide stéarique organique. Il convient de noter que les activateurs sont essentiellement inefficaces pour augmenter le degré de réticulation en l’absence d’accélérateur.