การวัลคาไนเซชัน (ภาษาอังกฤษแบบบริติช: vulcanisation ) คือกระบวนการต่างๆ สำหรับการทำให้ยางแข็งตัว[ 1 ^{]เดิมทีคำ}นี้หมายถึงการบำบัดยางธรรมชาติด้วยกำมะถันและความร้อนเท่านั้น ซึ่งยังคงเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด นอกจากนี้ยังขยายขอบเขตไปถึงการทำให้ยางชนิดอื่นๆ (สังเคราะห์) แข็งตัวด้วยวิธีการต่างๆ ตัวอย่างเช่นยางซิลิโคนโดยการวัลคาไนเซชันที่อุณหภูมิห้องและยางคลอโรพรีน (นีโอพรีน) โดยใช้โลหะออกไซด์

การวัลคาไนเซชันสามารถนิยามได้ว่าเป็นการบ่มอีลาสโตเมอร์โดยบางครั้งคำว่า 'วัลคาไนเซชัน' และ 'การบ่ม' ถูกใช้แทนกันได้ในบริบทนี้ กระบวนการนี้ทำงานโดยการสร้างพันธะเชื่อมโยงระหว่างส่วนต่างๆ ของโซ่พอลิเมอร์ซึ่งส่งผลให้ความแข็งและความทนทานเพิ่มขึ้น รวมถึงการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ ในคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้าของวัสดุ^{[ 2 ]}การวัลคาไนเซชัน เช่นเดียวกับการบ่มพอลิเมอร์เทอร์โมเซตติง อื่นๆ โดยทั่วไปแล้วไม่สามารถย้อนกลับได้

คำนี้ได้รับการเสนอแนะโดยWilliam Brockedon (เพื่อนของThomas Hancockผู้ได้รับสิทธิบัตรของอังกฤษสำหรับกระบวนการนี้) โดยอิงจากเทพเจ้าวัลแคนซึ่งเกี่ยวข้องกับความร้อนและกำมะถันในภูเขาไฟ^{[ 3 ]}

ใน วัฒนธรรม เมโสอเมริกาโบราณ ยางถูกนำมาใช้ทำลูกบอล พื้นรองเท้าแตะ ยางรัด และภาชนะกันน้ำ^{[ 4 ]}โดยผ่านกระบวนการทำให้แข็งตัวด้วยน้ำจากพืชที่มีกำมะถันสูง ซึ่งเป็นรูปแบบแรกของการวัลคาไนเซ ชัน ^{[ 5 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1830 ชาร์ลส์ กู๊ดเยียร์ได้คิดค้นกระบวนการเสริมความแข็งแรงให้กับยางรถยนต์ ยางรถยนต์ในสมัยนั้นจะนิ่มและเหนียวเมื่อได้รับความร้อน ทำให้มีเศษสิ่งสกปรกสะสมอยู่บนถนน กู๊ดเยียร์จึงลองให้ความร้อนแก่ยางเพื่อผสมกับสารเคมีอื่นๆ ซึ่งดูเหมือนจะทำให้ยางแข็งตัวและมีคุณภาพดีขึ้น แต่เป็นผลมาจากการให้ความร้อนเอง ไม่ใช่จากสารเคมีที่ใช้ ด้วยความไม่รู้เรื่องนี้ เขาจึงประสบกับความล้มเหลวซ้ำแล้วซ้ำเล่าเมื่อสูตรการทำให้แข็งตัวที่เขาประกาศไว้ไม่ได้ผลอย่างสม่ำเสมอ วันหนึ่งในปี 1839 ขณะที่พยายามผสมยางกับกำมะถันกู๊ดเยียร์บังเอิญทำส่วนผสมตกในกระทะร้อน ด้วยความประหลาดใจ แทนที่จะละลายหรือระเหยไปยางกลับยังคงแข็งตัว และเมื่อเขาเพิ่มความร้อน ยางก็ยิ่งแข็งขึ้น กู๊ดเยียร์จึงคิดค้นระบบที่สม่ำเสมอสำหรับการทำให้แข็งตัวนี้ และในปี 1844 เขาได้จดสิทธิบัตรกระบวนการนี้และผลิตยางในระดับอุตสาหกรรม^{[ 6 ]}

เมื่อวันที่ 21 พฤศจิกายน พ.ศ. 2386 นักประดิษฐ์ชาวอังกฤษโทมัส แฮนค็อกได้จดสิทธิบัตรการวัลคาไนซ์ยางโดยใช้กำมะถัน แปดสัปดาห์ก่อนที่ชาร์ลส์ กู๊ดเยียร์ จะทำเช่นเดียวกันในสหรัฐอเมริกา (30 มกราคม พ.ศ. 2387) มีรายงานที่แตกต่างกันว่าสิทธิบัตรของแฮนค็อกได้รับข้อมูลจากการตรวจสอบตัวอย่างยางอเมริกันจากกู๊ดเยียร์หรือไม่ และการตรวจสอบตัวอย่างดังกล่าวสามารถให้ข้อมูลเพียงพอที่จะสร้างกระบวนการของกู๊ดเยียร์ขึ้นมาใหม่ได้หรือไม่^{[ 7 ]}

วัสดุวัลคาไนซ์มีประโยชน์หลายอย่าง เช่น ท่อยาง พื้นรองเท้า ของเล่น ยางลบ ลูกฮอกกี้ โช้คอัพ สายพานลำเลียง^{[ 8 ]}ตัวยึด/ตัวลดแรงสั่นสะเทือน วัสดุฉนวน ยางรถยนต์ และลูกโบว์ลิ่ง^{[ 9 ]}ผลิตภัณฑ์ยางส่วนใหญ่ผ่านกระบวนการวัลคาไนซ์ เนื่องจากกระบวนการนี้ช่วยยืดอายุการใช้งาน ปรับปรุงการทำงาน และเพิ่มความแข็งแรงได้อย่างมาก

ตรงกันข้ามกับ กระบวนการ เทอร์โมพลาสติก (กระบวนการหลอมและแข็งตัวซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของพอลิเมอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่) กระบวนการวัลคาไนเซชันโดยทั่วไปแล้วไม่สามารถย้อนกลับได้ เช่นเดียวกับการบ่มพอลิเมอร์เทอร์โมเซตติง อื่นๆ ระบบการบ่มที่ใช้กันทั่วไปมี 5 ประเภท:

1. ระบบกำมะถัน
2. เปอร์ออกไซด์
3. ออกไซด์โลหะ
4. อะซีทอกซีไซเลน
5. สารเชื่อมโยงยูรีเทน

วิธีการวัลคาไนซ์ที่พบได้บ่อยที่สุดขึ้นอยู่กับกำมะถัน กำมะถันเพียงอย่างเดียวเป็นสารวัลคาไนซ์ที่ช้าและไม่สามารถวัลคาไนซ์ โพลีโอเลฟิน สังเคราะห์ได้ การวัลคาไนซ์แบบเร่งดำเนินการโดยใช้สารประกอบต่างๆ ที่ปรับเปลี่ยนจลนศาสตร์ของการเชื่อมโยง^{[ 10 ]}ส่วนผสมนี้มักเรียกว่าแพ็คเกจการบ่ม โพลีเมอร์หลักที่ผ่านกระบวนการวัลคาไนซ์ ด้วยกำมะถัน คือโพลีไอโซพรีน ( ยางธรรมชาติ ) และ ยาง สไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR) ซึ่งใช้สำหรับยางรถยนต์ส่วนใหญ่ แพ็คเกจการบ่มจะถูกปรับให้เหมาะสมกับพื้นผิวและการใช้งานโดยเฉพาะ ตำแหน่งปฏิกิริยา—ตำแหน่งการบ่ม—คือ อะตอมไฮโดรเจน อัลลิลิ ก พันธะ CH เหล่านี้อยู่ติดกับพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอน (>C=C<) ในระหว่างการวัลคาไนซ์ พันธะ CH บางส่วนจะถูกแทนที่ด้วยสายโซ่ของอะตอมกำมะถันที่เชื่อมต่อกับตำแหน่งการบ่มของสายโซ่โพลีเมอร์อื่น สะพานเหล่านี้มีอะตอมอยู่ระหว่างหนึ่งถึงหลายอะตอม จำนวนอะตอมของกำมะถันในพันธะเชื่อมโยงมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพของผลิตภัณฑ์ยางขั้นสุดท้าย พันธะเชื่อมโยงสั้นๆ จะทำให้ยางทนความร้อนได้ดีกว่า พันธะเชื่อมโยงที่มีจำนวนอะตอมของกำมะถันสูงกว่าจะทำให้ยางมีคุณสมบัติทางไดนามิกที่ดี แต่ทนความร้อนได้น้อยกว่า คุณสมบัติทางไดนามิกมีความสำคัญต่อการเคลื่อนไหวแบบงอของผลิตภัณฑ์ยาง เช่น การเคลื่อนไหวของผนังด้านข้างของยางรถยนต์ หากไม่มีคุณสมบัติการงอที่ดี การเคลื่อนไหวเหล่านี้จะทำให้เกิดรอยแตกอย่างรวดเร็ว และในที่สุดจะทำให้ผลิตภัณฑ์ยางเสียหาย

การวั ลคาไนเซชันของยางนีโอพรีนหรือยางโพลีคลอโรพรีน (ยาง CR) ดำเนินการโดยใช้โลหะออกไซด์ (โดยเฉพาะ MgO และ ZnO บางครั้ง Pb3O4 แทนที่จะใช้สารประกอบซัลเฟอร์ซึ่งปัจจุบันใช้กับยางธรรมชาติและยางสังเคราะห์ หลายชนิด นอกจากนี้ เนื่องจากปัจจัยการประมวล ต่างๆ (โดยหลักคือการไหม้ ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงข้ามก่อนกำหนดของยางเนื่องจากอิทธิพลของความร้อน) การเลือกสารเร่งปฏิกิริยาจึงอยู่ภายใต้กฎที่แตกต่างจาก ยาง ไดอีน อื่นๆ สารเร่งปฏิกิริยาที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่มีปัญหาเมื่อทำการวัลคาไนเซชันยาง CR และพบว่าสารเร่งปฏิกิริยา ที่สำคัญที่สุดคือ เอทิลีนไทโอยูเรีย (ETU) ซึ่งแม้จะเป็นสารเร่งปฏิกิริยาที่ยอดเยี่ยมและได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับโพลีคลอโรพรีน แต่ก็ถูกจัดว่าเป็นสารพิษต่อระบบสืบพันธุ์ตั้งแต่ปี 2010 ถึง 2013 อุตสาหกรรมยางของยุโรปมีโครงการวิจัยชื่อ SafeRubber เพื่อพัฒนาทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าสำหรับการใช้ ETU ^{[ 11 ]}

ซิลิโคนวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิห้อง (RTV) ผลิตจากพอลิเมอร์ที่ทำปฏิกิริยากับน้ำมัน ผสมกับสารเติมแต่งแร่ธาตุเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ซิลิโคนวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิห้องมีสองประเภท:

1. RTV-1 (ระบบส่วนประกอบเดียว) แข็งตัวเนื่องจากการทำงานของความชื้นในบรรยากาศ ตัวเร่งปฏิกิริยา และอะซีทอกซีไซเลน อะซีทอกซีไซเลนเมื่อสัมผัสกับสภาวะชื้นจะก่อตัวเป็นกรดอะซิติก [ ^{12 ] กระบวนการ}บ่มเริ่มต้นที่พื้นผิวด้านนอกและดำเนินไปจนถึงแกนกลาง ผลิตภัณฑ์บรรจุในตลับสุญญากาศและอยู่ในรูปของเหลวหรือวาง RTV-1 ซิลิโคนมีคุณสมบัติการยึดเกาะ ความยืดหยุ่น และความทนทานที่ดีความแข็ง Shoreสามารถเปลี่ยนแปลงได้ระหว่าง 18 ถึง 60 การยืดตัวเมื่อขาดสามารถอยู่ในช่วง 150% ถึง 700% มีความต้านทานต่อการเสื่อมสภาพที่ดีเยี่ยมเนื่องจากความต้านทานต่อรังสี UV และสภาพอากาศที่เหนือกว่า
2. RTV-2 (ระบบสององค์ประกอบ) คือผลิตภัณฑ์สององค์ประกอบที่เมื่อผสมกันแล้ว จะแข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง กลายเป็นอีลาสโตเมอร์แข็ง เจล หรือโฟมที่ยืดหยุ่นได้ RTV-2 ยังคงความยืดหยุ่นได้ตั้งแต่−80 ถึง 250 °C (−112 ถึง 482 °F)จะสลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า350 °C (662 °F)เหลือไว้เพียง ตะกอน ซิลิกา เฉื่อย ที่ไม่ติดไฟและไม่ลุกไหม้ สามารถใช้เป็นฉนวนไฟฟ้า ได้ เนื่องจาก มีคุณสมบัติ ทางไดอิเล็กทริก คุณสมบัติทางกลอยู่ในระดับที่น่าพอใจ RTV-2 ใช้ในการผลิตแม่พิมพ์ที่ยืดหยุ่นได้ รวมถึงชิ้นส่วนทางเทคนิคต่างๆ สำหรับอุตสาหกรรมและการใช้งานทางการแพทย์    

• ไอโอเอส 2921
• สารทำให้คงตัวโพลีเมอร์
• คอนกรีตกำมะถัน
• เส้นใยวัลคาไนซ์
• ร้านซ่อมยาง