Caoutchouc vulcanisé

Le caoutchouc vulcanisé est un caoutchouc dont les longues molécules ont été reliées entre elles, d'abord en chauffant du caoutchouc naturel avec du soufre : il reste élastique à la chaleur comme au froid au lieu de devenir collant ou cassant. Charles Goodyear aux États-Unis et Thomas Hancock en Grande-Bretagne mirent au point le procédé au début des années 1840, ce qui rendit le caoutchouc utilisable pour les pneus, les tuyaux, les joints et les chaussures.

Ce que c’est

Le caoutchouc naturel provient du latex, un liquide laiteux qui s’écoule des entailles faites dans l’écorce de certains arbres tropicaux, aujourd’hui surtout l’hévéa, Hevea brasiliensis. Séché et pressé, il est imperméable et extensible, mais le caoutchouc brut devient mou et poisseux par temps chaud, raide et craquelé par le gel, et il se déforme peu à peu sous une charge.

La vulcanisation corrige ces défauts. On mélange le caoutchouc à un peu de soufre et on le chauffe. On obtient le matériau des pneus, des tuyaux, des bandes transporteuses, des joints, des bottes et des élastiques, qui reprend sa forme sur une large plage de températures.

Comment ça marche

En Mésoamérique, on faisait le caoutchouc en mêlant le latex de Castilla elastica au jus d’une liane de la famille des liserons.

Le caoutchouc est fait de molécules en chaîne très longues, chacune formée de milliers de petits motifs. Dans le caoutchouc brut, ces chaînes sont emmêlées comme des spaghettis cuits. Quand on tire, elles se déplient ; quand on lâche, elles se recroquevillent, d’où l’élasticité. Mais rien ne les lie entre elles : sous une traction prolongée ou à la chaleur, elles glissent les unes sur les autres, et la matière flue et colle.

À la température de vulcanisation, des atomes de soufre se fixent en certains points des chaînes et forment des ponts entre chaînes voisines, d’un ou de plusieurs atomes de soufre chacun. Quelques ponts par chaîne suffisent à transformer l’enchevêtrement en un seul réseau lâche. Il peut encore s’étirer beaucoup, car les segments de chaîne entre deux ponts peuvent se déplier, mais il ne flue plus et reprend sa forme quand on le relâche.

Le nombre de ponts règle la dureté. Un caoutchouc souple ne demande qu’une faible proportion de soufre. Avec beaucoup plus, le réseau devient si serré que le produit, l’ébonite ou caoutchouc durci, est rigide et cassant. Chauffé avec le seul soufre, le caoutchouc vulcanise lentement ; depuis le début du XXe siècle, des accélérateurs, activés par l’oxyde de zinc et l’acide stéarique, rendent la réaction plus rapide et plus régulière.

Comment on le fabrique

Goodyear raconta avoir découvert l’effet quand un mélange de caoutchouc et de soufre toucha un poêle chaud et charbonna sans fondre.

Les objets en caoutchouc se fabriquent en usine, avec des presses chauffantes, des salles de mélange ventilées et des captages de fumées. Le soufre chaud s’enflamme facilement et brûle en dégageant du dioxyde de soufre, toxique, les mélanges en cuisson émettent des fumées irritantes et les accélérateurs modernes irritent la peau et les poumons : la vulcanisation n’est pas une opération domestique. Les étapes habituelles sont les suivantes.

Saigner. Tous les deux jours environ, on enlève une fine lamelle d’écorce le long d’une entaille en pente, assez profonde pour ouvrir les vaisseaux à latex sans atteindre le cambium, la fine couche de croissance située sous l’écorce. Le latex suit l’entaille et coule dans un godet.

Coaguler. On dilue le latex et on le fait prendre avec un acide faible, acide formique ou acétique ; le caoutchouc se sépare en un caillé mou. On le presse en feuilles et on le sèche, souvent à la fumée, qui protège aussi des moisissures.

Mélanger. On travaille le caoutchouc brut entre de lourds cylindres jusqu’à ce qu’il ramollisse, puis on y incorpore le soufre, les charges et les accélérateurs.

Mettre en forme et cuire. Le mélange est moulé, extrudé ou étalé sur une toile, puis chauffé dans une presse ou un autoclave à vapeur jusqu’à la formation des ponts.

Une comparaison simple, qualitative, montre le changement. Coupez un élastique pour en faire une bande, et taillez une bande de même largeur, épaisseur et longueur dans du crêpe brut, non vulcanisé, vendu pour les travaux manuels (certaines semelles en crêpe sont vulcanisées : vérifiez l’étiquette). Suspendez le même petit poids à chacune pendant une nuit, retirez-le et attendez dix minutes : l’élastique revient en général presque à sa longueur, tandis que la bande brute tend à rester plus longue. Laissez ensuite les deux une heure au congélateur, réchauffez-les dans de l’eau à 40 °C environ et comparez leur raideur et leur caractère collant. Les produits ne contiennent pas tous les mêmes charges : voyez le résultat comme une tendance.

Sécurité. Ne chauffez pas de soufre et n’essayez pas de vulcaniser du caoutchouc chez vous : les fumées sont toxiques, et le soufre fondu brûle et peut s’enflammer. En usine, les cylindres mélangeurs peuvent écraser et happer les mains, et les presses et autoclaves sont chauds et sous pression : il faut des machines protégées et des opérateurs formés. Le caoutchouc naturel et le latex provoquent des allergies chez certaines personnes : une personne allergique au latex ne doit pas manipuler les échantillons, et les autres porteront des gants en nitrile. Vérifiez la température de l’eau avant d’y plonger les mains.

Histoire et évolution

En Mésoamérique, on travaillait le caoutchouc vers 1600 av. J.-C. On mêlait le latex de Castilla elastica au jus d’une liane de la famille des liserons, qui le rendait plus élastique, et l’on en faisait des balles pesant jusqu’à 7 kg pour un jeu de balle rituel, ainsi que des semelles de sandales et des ligatures. Des observateurs espagnols décrivirent le caoutchouc au XVIe siècle. En Europe et en Amérique du Nord, son usage se répandit au début du XIXe siècle, mais les objets en caoutchouc brut ramollissaient l’été et craquaient l’hiver.

En 1837, Thomas Hancock fit breveter une machine à malaxer le caoutchouc brut, et dans les années 1830 plusieurs chercheurs constatèrent que le soufre le rendait moins collant. Charles Goodyear, quincaillier criblé de dettes, dont les soutiens s’effondrèrent de nouveau avec la crise de 1837, essaya pendant des années toutes sortes de traitements. En 1839, selon son récit, un morceau de caoutchouc mêlé de soufre toucha un poêle chaud et charbonna sur le bord sans fondre. Il lui fallut environ cinq ans pour rendre le procédé fiable. En Grande-Bretagne, Hancock vit en 1842 des échantillons du caoutchouc soufré américain et mit au point son propre procédé ; il déposa un brevet de vulcanisation le 21 novembre 1843, et le brevet américain n° 3 633 de Goodyear suivit le 15 juin 1844. Le nom, tiré de Vulcain, dieu romain du feu, fut proposé par un ami de Hancock, William Brockedon. Goodyear passa des années en procès et mourut en 1860 sans avoir tiré profit de sa découverte.

Fruit, graines et feuille d’hévéa : chaque capsule renferme trois graines, comme celles que Wickham expédia à Kew en 1876.

La demande de pneus, de courroies et d’isolants provoqua une ruée vers le caoutchouc sauvage du bassin amazonien. En 1876, Henry Wickham expédia environ 70 000 graines d’hévéa du Brésil aux jardins de Kew, à Londres, et les jeunes plants furent envoyés dans les colonies britanniques d’Asie. En 1900, les plantations asiatiques produisaient environ 4 tonnes, contre quelque 27 000 tonnes récoltées en Amazonie ; dès 1916, elles fournissaient l’essentiel du caoutchouc mondial. Beaucoup de caoutchoucs synthétiques, tirés plus tard du pétrole, se vulcanisent au soufre à peu près de la même façon ; d’autres, comme le néoprène, sont réticulés par des oxydes métalliques.