Gomme ed elastomeri: la vulcanizzazione

Tirate un elastico: si allunga di centinaia per cento e poi torna esattamente com’era. Nessun metallo o ceramica fa nulla di simile. Le gomme e gli elastomeri devono questa elasticità straordinaria a un principio sottile e contro-intuitivo — l’elasticità entropica — e a un processo che le ha rese tecnologicamente utili: la vulcanizzazione.

Vediamo perché la gomma è elastica, che cos’è l’elasticità entropica, come la vulcanizzazione con lo zolfo la trasforma e quali sono le principali gomme tecniche.

Perché la gomma si allunga così tanto

La gomma naturale è una catena polimerica di unità di isoprene (cis-1,4 isoprene) unite testa-coda in lunghe catene. Allo stato di riposo queste catene sono aggrovigliate e disordinate, orientate a caso. Quando si tira, le catene si distendono e si allineano nella direzione dello stiramento: il materiale può allungarsi oltre il 500% restando elastico, cioè tornando alla lunghezza iniziale.

L’elasticità entropica

Il motore del ritorno elastico non è, come negli altri materiali, la deformazione dei legami, ma l’entropia. Una catena distesa è ordinata, quindi a bassa entropia; una catena aggrovigliata è disordinata, a entropia alta. Il sistema «preferisce» il disordine: appena si rilascia la tensione, l’agitazione termica fa ruotare i legami e riporta le catene allo stato aggrovigliato, recuperando la forma. Per questo il ritorno non è istantaneo: richiede agitazione termica.

Una conseguenza spettacolare: a differenza di quasi tutti i materiali, la gomma si contrae se riscaldata. Il calore aumenta la mobilità dei legami e fa riavvolgere ulteriormente le catene. Un altro effetto: sotto la temperatura di transizione vetrosa (per esempio a −200 °C) le catene sono «congelate», i legami non ruotano, e tirando la gomma si rompe quasi subito invece di allungarsi.

La vulcanizzazione

La gomma naturale grezza è appiccicosa e poco resistente. La svolta tecnologica fu la vulcanizzazione: il riscaldamento con zolfo crea ponti che reticolano le catene, legandole l’una all’altra. La gomma vulcanizzata tipica contiene circa il 3% in peso di zolfo ed è più forte, più elastica e meno appiccicosa di quella naturale.

catene di gomma  +  zolfo (riscaldamento) → reticolazione (ponti S) → gomma vulcanizzata

I ponti di zolfo fungono da ancoraggi fra catene adiacenti: impediscono alle molecole di scivolare via definitivamente l’una sull’altra, così la gomma non si snerva ma torna sempre indietro fino a sollecitazioni elevate. Il modulo elastico resta comunque bassissimo per un materiale — 0,01–0,1 GPa, contro circa 200 GPa dell’acciaio e 1–4 GPa dei termoplastici tipici: la gomma è morbida proprio perché la sua rigidità non viene dai legami ma dall’entropia.

Gomme naturali e sintetiche

La gomma naturale deriva dal lattice, secrezione della corteccia dell’albero della gomma, ed è cis-1,4 poliisoprene. La forma trans dello stesso polimero (la guttaperca) è invece dura e cristallina: stessa composizione, geometria diversa, materiale opposto. Accanto a quella naturale esistono numerose gomme sintetiche, tra cui la gomma stirene-butadiene (SBR), tenace e usata negli pneumatici. La scelta dipende da resistenza richiesta, temperatura d’esercizio e resistenza chimica.

Perché conta nella pratica

Capire l’elasticità entropica e la vulcanizzazione spiega perché un elastomero si comporta in modo unico — si allunga enormemente, si contrae a caldo, dipende dalla temperatura — e perché la sua progettazione passa dalla microstruttura più che dalla composizione. Per chi seleziona guarnizioni, tubi flessibili, pneumatici o smorzatori, la densità di reticolazione e le cariche (come il nero di carbonio) sono le leve che fissano durezza, resistenza e durata. Conoscere queste relazioni evita scelte sbagliate e aiuta a leggere correttamente schede tecniche e capitolati.

Domande frequenti

Perché la gomma è così elastica?

Perché le sue lunghe catene polimeriche, aggrovigliate e disordinate a riposo, si distendono e si allineano quando vengono tirate, consentendo allungamenti oltre il 500%. Il ritorno alla forma è guidato dall’entropia: il sistema «preferisce» lo stato disordinato, e l’agitazione termica riavvolge le catene appena si rilascia la tensione. È un meccanismo diverso da quello di metalli e ceramiche.

Che cos’è l’elasticità entropica?

È il meccanismo per cui un elastomero recupera la forma non deformando i legami chimici, ma perché le catene tendono a tornare allo stato disordinato a entropia massima. Tirando si ordinano le catene, abbassando l’entropia; rilasciando, l’agitazione termica le riaggroviglia. Da questo principio deriva anche il fatto che la gomma si contrae quando viene riscaldata.

Che cos’è la vulcanizzazione?

È il processo, scoperto a metà Ottocento, in cui la gomma viene riscaldata con zolfo creando ponti che reticolano le catene legandole tra loro. La gomma vulcanizzata, che contiene tipicamente circa il 3% in peso di zolfo, è più forte, più elastica e meno appiccicosa di quella naturale. È stata la svolta che ha reso la gomma utile per guarnizioni e pneumatici.

Perché la gomma si contrae quando viene riscaldata?

Perché la sua elasticità è di origine entropica. Riscaldando, aumenta la mobilità dei legami e le catene tendono a riavvolgersi e a disordinarsi ulteriormente, accorciando il materiale. È un comportamento opposto a quello di quasi tutti i solidi, che si dilatano con il calore per via dell’aumento dell’ampiezza delle vibrazioni atomiche.

A cosa servono i ponti di zolfo nella gomma vulcanizzata?

Fungono da ancoraggi fra catene adiacenti: impediscono alle molecole di scivolare via definitivamente l’una sull’altra, così la gomma torna sempre alla forma di partenza fino a sollecitazioni elevate, senza snervarsi. Aumentando la quantità di zolfo cresce la densità di reticolazione: si passa da una gomma morbida a un materiale duro e rigido come l’ebanite.