Caucho nitrilo (NBR)

Introducción
El caucho nitrilo, también conocido como Buna-N, Perbunan, o NBR, es un caucho sintético, copolímero de acrilonitrilo (ACN) y butadieno. Los nombres comerciales incluyen Krynac, Nipol y Europrene.
El caucho nitrilo, al igual que el caucho estireno-butadieno y otros elastómeros sintéticos fue producto de investigaciones que tuvieron lugar durante y entre las dos guerras mundiales, como sustitutos del caucho natural. Un grupo de copolímeros de butadieno-acrilonitrilo, tomando el nombre de Buna N, fue patentado en 1934 por los químicos alemanes Erich Konrad y Eduard Tschunkur, que trabajaban para la IG Farben. La Buna N fue producida en los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial con el nombre de GR-N (Goverment Rubber-Nitrile) y subsiguientemente el grupo de elastómeros de acrilonitrilo-butadieno fue conocido como caucho nitrilo.

Síntesis y características
Los cauchos nitrilo-butadieno (NBR) son una familia de copolímeros no saturados, de 2-propenonitrilo (acrilonitrilo) y varios monómeros de butadieno (1,2-butadieno y 1,3-butadieno).

Fórmula química general de los cauchos nitrilo

La reacción de polimerización entre el acrilonitrilo (2-propenonitrilo) y el butadieno (1,3-butadieno) sería la siguiente:

Síntesis de caucho nitrilo

A continuación se muestra la estructura química del NBR, indicando las tres posibles estructuras isoméricas para los segmentos de butadieno.

A pesar de que sus propiedades físicas y químicas varían dependiendo de la composición de nitrilo del polímero, este tipo de caucho sintético es generalmente resistente a aceites, combustibles y otros productos químicos (más nitrilo dentro del polímero, mayor es la resistencia a los aceites, pero menor la flexibilidad del material).
Se utiliza en la industria automotriz y aeronáutica para las mangueras de combustible y manipulación de hidrocarburos, sellos y arandelas. Se utiliza en la industria nuclear para fabricar guantes de protección. La capacidad del NBR para soportar una amplia gama de temperaturas (de -40°C a 108°C) hace que sea un material ideal para aplicaciones aeronáuticas. El nitrilo-butadieno también se usa para crear productos moldeados, calzado, adhesivos, selladores, esponjas, espumas expandibles y alfombras de piso.
Su capacidad de recuperación (resilencia) hace del NBR un material útil para fabricación de guantes de laboratorio desechables, guantes de limpieza y/o de examinación médica. El caucho nitrilo es más resistente que el caucho natural a los aceites y ácidos, pero tiene una fuerza y una flexibilidad inferior. Los guantes de nitrilo son sin embargo tres veces más resistente a los pinchazos (resistencia a la perforación) que los guantes de caucho natural.
El caucho nitrilo es generalmente resistente a los hidrocarburos alifáticos. Tanto el caucho nitrilo, como el caucho natural, puede ser atacado por el ozono, hidrocarburos aromáticos, cetonas, ésteres y aldehídos.

Resumen de las principales características del NBR

CARACTERISTICAS POSITIVAS
- Excelente resistencia a los aceites
- Muy buenas propiedades mecánicas
- Muy buena resistencia a los solventes
- Muy buena adhesión a los metales
- Temperatura de trabajo mayor 120°C
- Buena resistencia a la flexión
- Se proveen en distintos grados
- Resistencia a la abrasión (XNBR)
- Excelente propiedades mecánicas (HNBR)
- Resistencia a la temperatura y al ozono (HNBR)

CARACTERISTICAS NEGATIVAS
- Escasa resistencia al ozono
- No resiste grasas azufradas
- Baja resistencia a la llama
- Baja permeabilidad a los gases
- Elevado costo en comparación de los cauchos ordinarios

Propiedades
El caucho nitrilo es entonces un copolímero de acrilonitrilo-butadieno. Es el que más resiste a los aceites de todos los productos de caucho comercializados y se usa en artículos que funcionan en contacto con aceites minerales. Hay diferentes grados de caucho nitrilo, esto depende del contenido de nitrilo (la proporción de acrilonitrilo puede variar desde el 18% al 40 %). Los de alto contenido en nitrilo (35-40%) resisten más a los aceites, pero son más caros, tienen mayor temperatura de transición vítrea (Tg) y por eso, poseen pocas propiedades a bajas temperaturas y son más rígidos. Los grados medios (25%) y bajos (18%) en contenido de nitrilo, se usan donde no es tan importante la resistencia a los aceites.

Las propiedades del NBR varían de la siguiente forma con contenido creciente de acrilonitrilo

Se considera que los vulcanizados de nitrilo pueden usarse permanentemente a una temperatura no mayor a los 120°C.

Producción
El NBR es producido por el sistema de polimerización en emulsión. Existen dos procesos de fabricación a nivel industrial de uso habitual de caucho nitrilo: el proceso de producción en caliente y el proceso de producción en frío.
En el primero se añaden al reactor o tanque de polimerización un emulsionante (jabón), 2-propenonitrilo, varios monómeros de butadieno (incluido el 1,3-butadieno y el 1,2-butadieno), activadores generadores de radicales y un catalizador. El agua sirve como medio de reacción dentro del reactor. Los reactores se calientan a 30-40°C para facilitar la reacción de polimerización y promover la formación de ramificaciones en el polímero. Debido a que varios monómeros capaces de propagar la reacción están involucrados en la producción de caucho nitrilo, la composición de cada polímero puede variar (dependiendo de las concentraciones de cada monómero añadido al reactor de polimerización y a las condiciones dentro del mismo). Una unidad que se repita en todo el polímero no puede existir. También por esta razón, no existe ninguna denominación IUPAC para el polímero en general. La reacción de una posible porción del polímero es la siguiente:

A los monómeros usualmente se les permite reaccionar durante 5 a 12 horas. A la polimerización se le permite proceder a la conversión aproximada del 70% antes de que un agente de terminación de reacción (como dimetilditiocarbamato e dietil hidroxilamina) se añada para reaccionar con los radicales libres restantes. Una vez que el látex resultante es tratado con el agente terminador de reacción, los monómeros sin reaccionar se eliminan en un equipo separador. La recuperación de monómeros sin reaccionar es cercana al 100%. Después de la recuperación de monómeros, el látex es enviado a través de una serie de filtros para eliminar los sólidos no deseados y luego se envían a los tanques de mezcla, donde se estabiliza con un antioxidante. El polímero producido en forma de látex se coagula con nitrato de calcio, sulfato de aluminio, y otros agentes coagulantes en un tanque de aluminio. La sustancia coagulada se lava y se seca en polvo o grumos de caucho.

Esquema del proceso de producción de NBR

El proceso para la producción de NBR frío es muy similar a la del NBR caliente. Los reactores de polimerización se calientan a 15,5°C en lugar de 30-40ºC. En condiciones de temperatura más baja, se forman menos ramificaciones en los polímeros (la cantidad de ramificaciones distingue el NBR frío del NBR caliente).
La polimerización del NBR puede ser realizado en procesos continuos, semi-continuos y tipo batch (en etapas).

Otros tipos de cauchos nitrilo
Además del NBR caliente y el NBR frio, también están disponibles otros tipos de cauchos nitrilo.

- Caucho nitrilo carboxilado (XNBR)
Este tipo de polímero contiene, además de la cadena acrilonitrilo-butadieno, un tercer monómero, que puede ser divinilbenceno o ácido metacrílico.
Al vulcanizar el nitrilo carboxilado, no sólo se cura el polímero a través de la doble ligadura convencional (aportada por el butadieno) sino también los grupos carboxílicos mencionados, actuando entonces estos como una especie de “refuerzo” que confiere excelentes propiedades mecánicas al compuesto.

- Caucho nitrilo hidrogenado (HNBR)
Es posible hidrogenar parcial o totalmente la cadena molecular del caucho nitrilo resultando polímeros altamente resistentes a la temperatura, a los aceites calientes y al ozono, debido a la reducción de la reactividad de la cadena polimérica. Los grados totalmente hidrogenados se curan con peróxidos y los parcialmente hidrogenados, con un nivel de insaturación de 3 a 5% pueden hacerlo con azufre.

- Caucho nitrilo entrecruzado
Son polímeros ramificados altamente entrecruzados por adición de un monómero difuncional. Estos productos son habitualmente utilizados en piezas moldeadas para generar, con suficiente fuerza de moldeo o presión, la eliminación del aire atrapado. Otro uso es para el incremento de la estabilidad dimensional o retención de la forma en piezas extrudadas o calandradas. Esto genera una mayor eficiencia en la extrusión y vulcanización de piezas intrincadas, como así también, provee una mejor liberación de los rodillos de la calandra.

- Caucho nitrilo con antioxidante
El caucho nitrilo está disponible con un antioxidante polimerizado en la cadena polimérica. Esto provee protección adicional al NBR durante prolongados tiempos de servicio en exposición de aire y fluidos. En compuestos con alto contenido de refuerzo de negro de humo, la reactividad química entre el polímero y el pigmento puede limitar la capacidad de resistencia al envejecimiento. La resistencia a la abrasión se ve mejorada comparada con el NBR convencional, especialmente a altas temperaturas. Estos también exhiben excelentes propiedades dinámicas.

Aplicaciones
Los usos de la goma de nitrilo incluyen guantes (sustituto del caucho natural) para la industria de la salud, correas de transmisión del automóvil, mangueras, juntas tóricas o anillos de estanqueidad (o-rings), juntas, retenes, correas en V, cuero sintético, rodillo de impresora y como revestimiento de cables. El látex NBR también se puede utilizar en la elaboración de adhesivos y como aglutinante de pigmentos.

Rodillo de impresora

Guantes de caucho nitrilo

Juntas

Botas de caucho nitrilo

Plancha de NBR

Adhesivo de caucho nitrilo Scotch-Weld de 3M

A diferencia de los polímeros destinados a la ingestión, donde pequeñas inconsistencias en la composición / estructura química puede tener un efecto pronunciado sobre el cuerpo, las propiedades generales del NBR no son alterados por menores diferencias estructurales / composicionales. El propio proceso de producción no es demasiado complejo; la polimerización, la recuperación de monómeros, y los procesos de coagulación requieren algunos aditivos y equipos, pero que son típicos de la producción de la mayoría de los cauchos. El equipo necesario es sencillo y fácil de obtener. Por estas razones, la sustancia es ampliamente producida en los países más pobres, donde el trabajo es relativamente barato. Entre los más altos productores de NBR están China continental y Taiwán.
Una versión hidrogenada del caucho nitrilo, HNBR, también conocido como HSN (nitrilo altamente saturado) se utiliza comúnmente para la fabricación de anillos de estanqueidad para sistemas de aire acondicionado del automóvil.

O-rings

No se deben utilizar guantes de caucho nitrilo cuando se trabaja con el ácido nítrico fumante rojo, la combustión súbita de estas dos sustancias químicas pueden causar graves quemaduras químicas. Se debe tener cuidado cuando se trabaja con el ácido y los guantes, al mismo tiempo.

Mayores productores de caucho nitrilo

Compañía	Locación
Bayer	Canadá; Francia
Girsa	México
Hyundai	Corea del Sur
JSR Corporation	Japón
Kumho	Corea del Sur
Nantex	Taiwán
Nitriflex	Brasil
PetroChina	China
Petroflex	Brasil
Polimeri Europa	Italia
Zeon Chemicals	Estados Unidos
Zeon Chemicals Europe	Reino Unido
Zeon Corporation	Japón

Fuentes:
http://www.acmerubber.com
http://www.nitrileglove.co.uk
http://en.wikipedia.org
http://www.alrolofamerica.com
http://www.britannica.com
http://www.sisweb.com
http://www.interempresas.net
Metalúrgica San Francisco s.a.
http://www.sealseastern.com
http://www.daprorubber.com
http://www.nitrilerubber.org
http://tecmasersac.com
Concise Encyclopedia of Chemical Technology, 4° Edition. Mackey, D. - Jorgensen, A.H.
NITRILE RUBBER, SYNTHETIC RUBBER. Semon,W.L.
Polymerizable Antioxidants in Elastomers - Kline, R. Dynamic Properties of Nitrile Rubbers - Horvath, J.W