Il silicone che arriva alla lavorazione come un impasto solido
L’HCR è il silicone elastomerico ad alta consistenza: la sigla scioglie l’inglese high consistency rubber e indica una mescola siliconica che prima della reticolazione non cola e non si versa, ma si presenta come una pasta densa, lavorabile sui cilindri di una mescolatrice. In area tedesca lo stesso materiale si chiama HTV, cioè gomma siliconica che reticola ad alta temperatura.
Il punto di partenza è un polisilossano lineare a peso molecolare molto alto, di regola un polidimetilsilossano: una catena in cui si alternano un atomo di silicio e uno di ossigeno, con due gruppi metile appesi a ogni silicio. Quel legame è più saldo del legame carbonio-carbonio delle gomme organiche e ruota con grande libertà, e dalle due proprietà insieme discende il comportamento tipico del materiale, elastico a temperature molto basse e stabile a temperature alte: le schede dei produttori indicano un campo d’impiego che va da circa cinquanta gradi sotto zero fino a trecento.
La catena da sola, però, è meccanicamente debolissima. Ciò che le dà corpo è la carica di rinforzo, silice pirogenica o precipitata ad alta superficie specifica, dispersa nella gomma prima della reticolazione. Sono il peso molecolare e la carica, insieme, a produrre la consistenza da cui la sigla prende il nome.
Come reticola un HCR: perossidi oppure platino
Finché le catene restano separate il materiale è plastico e si deforma senza tornare indietro. La reticolazione crea i ponti fra una catena e l’altra e trasforma l’impasto in un solido elastico. Le due chimiche in uso sono diverse fin dalla logica.
La prima passa dai perossidi organici. Scaldato, il perossido si spezza in radicali che strappano un idrogeno dai gruppi metile e lasciano due catene libere di legarsi fra loro. È una via che funziona anche su gomme prive di gruppi reattivi particolari, ma lascia nel pezzo i prodotti di decomposizione dell’iniziatore.
La seconda è l’addizione catalizzata dal platino: una catena porta gruppi vinile, un secondo componente porta legami silicio-idrogeno, e un complesso di platino fa addizionare gli uni agli altri. Qui sottoprodotti non se ne formano, ed è il motivo per cui i gradi destinati al contatto con il corpo o con gli alimenti prendono quasi sempre questa strada. La raccomandazione tedesca sui siliconi per il contatto alimentare ammette i complessi di platino fino a 50 milligrammi di platino per chilogrammo di prodotto finito, e tiene i residui complessivi degli agenti reticolanti entro due decimi di punto percentuale.
In coda alla reticolazione arriva quasi sempre una post-cura: alcune ore in forno a un paio di centinaia di gradi, che fa uscire le sostanze volatili e i frammenti non legati. La stessa raccomandazione chiede che un elastomero siliconico non rilasci più dello 0,5 per cento di componenti organici volatili né più dello 0,5 per cento di estraibili, e che sul prodotto finito la ricerca dei perossidi dia esito negativo.
Le grandezze che una scheda di HCR dichiara
Un grado di HCR si descrive con un piccolo gruppo di numeri, ognuno con il proprio metodo di prova a fianco. Senza il metodo il numero non si confronta, perché provini di forma diversa danno valori diversi sullo stesso materiale.
- La durezza in gradi Shore A, letta con un durometro appoggiato sulla superficie. Le famiglie in commercio coprono dai venti e poco più fino a quasi ottanta punti.
- Il carico di rottura e l’allungamento a rottura, misurati tirando un provino a osso di cane secondo la ISO 37 o la corrispondente DIN 53504. Gli allungamenti dichiarati per questi siliconi arrivano spesso a quattro o cinque volte la lunghezza iniziale.
- La resistenza allo strappo, cioè la forza per unità di spessore che fa avanzare un intaglio, secondo la ASTM D624 e con l’indicazione del provino usato, espressa in newton per millimetro o in kilonewton per metro.
- La deformazione residua a compressione, che dice quanto di uno schiacciamento resta dopo il rilascio, e che si legge sempre insieme al tempo e alla temperatura a cui è stata provata.
- La densità, poco sopra il grammo per centimetro cubo nelle mescole caricate a silice.
Estrusione, calandratura e stampaggio di un HCR
L’alta viscosità decide quali lavorazioni siano possibili. La mescola si estrude: spinta attraverso una filiera esce come un tubo o un profilo continuo, che subito dopo attraversa un forno ad aria calda dove reticola in linea. Si calandra, cioè si lamina fra cilindri fino allo spessore voluto, e dalla lastra si fustellano guarnizioni e membrane. Si stampa a compressione, caricando a mano un pezzo di mescola nella cavità e chiudendo lo stampo caldo, oppure per trasferimento, spingendo la mescola da una camera dentro le cavità attraverso canali stretti.
Quello che con un HCR non si fa è lo stampaggio a iniezione nella forma in cui lo si intende per i siliconi liquidi, perché una pasta di quella viscosità non si pompa. È la differenza pratica che separa le due famiglie, e pesa nella scelta molto prima delle proprietà finali del pezzo.
Le norme che una scheda di HCR medicale richiama
Sui gradi destinati ai dispositivi medici e al contatto con i tessuti ricorrono sempre gli stessi riferimenti, e ognuno risponde a una domanda diversa.
La USP Class VI è la più severa delle sei classi in cui la farmacopea statunitense ordina le prove di reattività biologica delle materie plastiche, e lavora su estratti del materiale ottenuti con più mezzi di estrazione. La serie ISO 10993 copre la valutazione biologica dei dispositivi medici ed è molto più ampia, articolata per tipo e durata del contatto. La Farmacopea Europea contiene monografie proprie sui materiali elastomerici. Il paragrafo 177.2600 del titolo 21 del codice federale statunitense riguarda gli articoli in gomma destinati all’uso ripetuto a contatto con alimenti e fissa limiti agli estraibili in acqua e in n-esano. La raccomandazione tedesca XV, quella sui siliconi, appartiene allo stesso terreno del contatto alimentare.
Nessuno di questi documenti dice che cosa sia un HCR: dicono a quali prove un dato materiale sia stato sottoposto. La sigla descrive la consistenza e la chimica, i riferimenti descrivono la verifica.
HCR, LSR e RTV: la stessa chimica in tre consistenze
Tre sigle circolano insieme e indicano lo stesso scheletro silicio-ossigeno in tre stati diversi prima della reticolazione.
L’HCR è la pasta solida di cui si è detto: si lavora a freddo con mezzi meccanici e reticola a caldo. L’LSR, liquid silicone rubber, è un sistema a due componenti liquidi che si dosano in parti uguali, si mescolano in linea e si iniettano in uno stampo chiuso, dove reticolano per addizione al platino in tempi brevissimi; la bassa viscosità apre a geometrie sottili e complicate che con una pasta non verrebbero. L’RTV, room temperature vulcanizing, reticola a temperatura ambiente, per condensazione con l’umidità dell’aria oppure per addizione, e si usa dove il pezzo si cola in uno stampo aperto o si applica come sigillante.
Le tre vie possono arrivare alla stessa durezza Shore A sullo stesso pezzo finito. Ciò che cambia è come quel pezzo nasce, e quindi quali forme abbia senso disegnare.
