La cellulosa come carica green per una tecnologia sostenibile della gomma

La continua ricerca di cariche green naturali, non derivate dal petrolio, è una sfida accattivante nella moderna ricerca sulla gomma: la cellulosa, sia microcristallina che nanocristallina, è in grado di migliorare le proprietà meccaniche e termiche delle mescole, soprattutto di gomma naturale. Una ricerca pubblicata su Science Direct verifica i progressi raggiunti dalle mescole di gomma caricate con cellulosa

La cellulosa, un polimero biologico naturale rinnovabile, abbondantemente disponibile in natura sotto forma di materiali di legno e scarti agricoli, è in generale un polisaccaride non ramificato, nella cui struttura sono presenti interazioni di legami idrogeno fra atomi di ossigeno e gruppi idrossilici, che fornisco - no un contributo essenziale alle sue caratteristiche cristalline. Può essere preparata da biomasse con un approccio top-down, in cui le elevate forze di taglio sono usate per ridurne la dimensione in sospensione, oppure può essere generata da batteri con un approccio bottom-up, con la purezza del tipo da batteri più alta rispetto a quel - lo da pianta o biomassa. L a tecnologia delle cariche è una parte interessante e complessa della chimica della gomma, anche se in principio esse vengono semplicemente aggiunte alla gomma per migliorare le prestazioni di lavorazione e le proprietà meccaniche. La più popolare carica rinforzante, usata nell’industria del settore, è il carbon black, di cui il 90% della produzione mondiale viene impiegato per la p roduzione di pneumatici. È tuttavia indiscutibile che il carbon black è un derivato del petrolio, che durante la produzione e l’applicazione in gomma causa severo inquinamento ambientale e il suo utilizzo impoverisce le riserve globali di petrolio e aumenta la concentrazione dei gas serra e il riscaldamento globale. Da qui si comprende come sia un problema urgente per scienziati della gomma e tecnologi ambientali scoprire cariche accettabili per la gomma non derivate da petrolio e rinnovabili. I n tempi recenti si è cercato di ridurre l’utilizzo di carbon black nelle mescole di gomma, usando cariche bianche come silice, fibre naturali e lignina, sistemi di cariche ibride su base cariche green e anche cariche derivate da scarti di gomma. L a cellulosa è il polimero naturale più abbondante, con caratteristiche uniche di disponibilità e rinnovabilità, è leggera ed ecocompatibile e negli ultimi dieci anni è stata adottata con successo nella tecnologia della gomma come carica rinforzante non derivata dal petrolio. È risaputo che la cellulosa è fortemente idrofila a causa dei suoi gruppi ossidrilici, per cui il progetto di realizzare un’interfaccia adeguata fra matrice gomma idrofobica e carica cellulosa idrofila è molto complesso in natura e questo rende difficile il suo impiego in mescole di gomma sostenibili. Per superare tale ostacolo, negli ultimi cinque anni diversi gruppi di ricercatori hanno effettuato molti studi, a cui si aggiunge questa ricerca pubblicata su Science Direct (Current Research in Green and Sustainable Chemistry, autori K Roy, A. Pongwisuthiruchte, S. Chandra Debnath, P. Potiyaraj - Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand e University of Kalyani, Nadia India), che intende verificare i progressi delle mescole di gomma caricate con cellulosa.

Metodi Di Modifica Superficiale Della Cellulosa

L a presenza di gruppi ossidrilici sulla sua superficie fa sì che la cellulosa tenda ad agglomerarsi, fenomeno questo che rende difficile una sua omogenea dispersione nelle mescole di gomma idrofobica e, di conseguenza, il raggiungimento di un ottimo livello di rinforzo nelle proprietà meccaniche con la sua semplice addizione come carica in gomma naturale.

S olo per mezzo di un idoneo trattamento superficiale la cellulosa può fungere da carica per mescole green di gomma naturale, attraverso i metodi seguenti:

- t rattamento con organosilano, che migliora l’interazione interfacciale gomma-cellulosa.

S ilani come il TESPT (bis[3-etossipropil]tetrasolfuro) sono stati usati con successo per ridurre la natura idrofila dei nanocristalli della cellulosa (CNC), ricchi di gruppi idrossilici, mediante aggraffaggio sulla superficie;

- e sterificazione, che si effettua fra reagenti chimici e gruppi idrossilici della cellulosa, che diminuiscono sia nel caso dei nanocristalli che delle nano -

MONDOGOMMA fibre (CFN);

- t rattamento con tensioattivi cationici, che aumenta la caratteristica idrofobica dei CNC;

- p rocesso di ossidazione, che trasforma i gruppi idrossilici della cellulosa in gruppi carbossilici.

PREPARAZIONE E PRESTAZIONI

DELLE MESCOLE CARICATE CON CELLULOSA

S i possono produrre direttamente le mescole con la tradizionale lavorazione su mescolatore aperto oppure si può prima disperdere la cellulosa con agitazione meccanica in lattice, che viene poi essiccato in forno prima della mescolazione.

I n questa ricerca viene discusso l’effetto rinforzante di tre tipi di cellulosa, nanocristallina (CNC), nanofibre (CNF) e microcristallina (MCC), sulle relative mescole, esaminando prima i cambiamenti provocati sulle loro prestazioni dall’uso della cellulosa come carica.

PROPRIETÀ MECCANICHE

Tra i vari tipi di cellulosa, i nanonocristallini sono i più accreditati come carica rinforzante nella tecnologia della gomma. Sono molti gli studi effettuati in merito e, in generale, i gradi non modificati forniscono solo un piccolo miglioramento nelle proprietà meccaniche dei manufatti: le conclusioni a cui sono arrivati i ricercatori sono di - verse e, come valido risultato, si può comunque affermare che i trattamenti superficiali della cellulosa con l’utilizzo di anidride maleica o tensioattivi anionici migliorano anche enormemente le caratteristiche meccaniche. U n valido esempio è quello di gomma naturale epossidata (ENR), caricata con CNC trattati con anidride maleica, che grazie alla formazione di legami covalenti fra i gruppi epossidici della gomma e i gruppi carbossilici della cellulosa e di legami fisici fra i gruppi epossidici della gomma e i gruppi idrossilici della cellulosa, a livello di 10 phr della carica manifesta un ottimo incremento delle proprietà meccaniche. A nche le nanofibre di cellulosa (CNF) arrivano a questo risultato, tenendo conto del fatto che si rivela importante il loro diametro oltre al trattamento superficiale e utilizzandole in mescole di gomma naturale o SBR. R imane sempre un compito difficile realizzare una buona compatibilità fra matrice gomma naturale idrofobica e superficie idrofila della cellulosa microcristallina (MCC), che mostra un moderato rinforzo delle proprietà meccaniche in gomma naturale epossidata e gomma naturale con anidride maleica come compatibilizzante.

Propriet Di Vulcanizzazione

L’indice di velocità CRI (Cure Rate Index) e la differenza di torque sono in grado di stabilire se una carica può essere utilizzata nell’industria della gomma.

I ricercatori hanno sempre cercato di sviluppare mescole di gomma che mantengano sia più alto CRI che eccellenti proprietà meccaniche, ma sfortunatamente sia CNC che CNF non modificate non si sono dimostrate capaci di migliorare il valore di CRI: anche in questo caso un trattamento superficiale con tensioattivo CTAB (CetilTrimetil Ammonio Bromuro) o con silano ha fatto aumentare considerevolmente questo valore. I l valore della differenza di torque è la chiara indicazione della densità di reticolazione della mescola e l’uso diretto di CNF può aumentarla, mentre la CNC modificata con silano lo fa in modo eccezionale.