تاثیر ذرات نانو کربنات کلسیم بر تایر خودرو

تاکنون تحقیقات بسیار زیادی صنایع پلیمری انجام شده که از جمله آنها, تحقیقات در زمینه فناوری نانو در صنعت لاستیک است موارد استفاده از فناوری نانو, اعم از نانوفیلرها و نانوکامپوزیت هاست که خواصی ویژه به لاستیک ها می دهد

تاکنون تحقیقات بسیار زیادی صنایع پلیمری انجام شده که از جمله آنها، تحقیقات در زمینه فناوری نانو در صنعت لاستیک است. موارد استفاده از فناوری نانو، اعم از نانوفیلرها و نانوکامپوزیت‌هاست که خواصی ویژه به لاستیک‌ها می‌دهد.

بر اساس آمار BSF، بازار نانو کامپوزیت در ۲۰۰۵ به میزان ۲۰۰ میلیارد یورو و در ۲۰۱۵ به میزان ۱۲۰۰ میلیارد یورو پیش‌بینی شده است. در سال ۲۰۰۲ ژاپن ۱۵۰۰ میلیون یورو در زمینه تحقیقات مرتبط با فناوری نانو صرف کرده است. امروزه تحقیقات در زمینه فناوری نانو را امروزه نمی‌توان نادیده رها کرد. اکثر کشورهای دنیا تحقیقات و فعالیت در زمینه نانو را شروع کرده‌اند. مثلاً هند تولید نانوکامپوزیت SBR را شروع کرده است.

همچنین، صنعت خودروی دنیا به سمت استفاده از نانوپلی پروپیلن سوق پیدا کرده و علت اصلی آن، خواص مناسب از جمله سبکی، مقاومت حرارتی و مقاومت ضربه‌ی این‌گونه موارد است. رسیدن به خواص مطلوب، ضرورت توجه به نانوفناوری را بیش از هر چیز دیگر نمایان می‌سازد. در این مقاله، پایداری حرارتی و بهبود خواص مکانیکی اکثر پلیمرها و بویژه لاستیک‌های تقویت شده توسط نانو کربنات کلسیم را مورد بررسی قرار می‌دهیم. به عنوان نتیجه‌ای تجربی، پایداری حرارتی R/nano CaCO۳ تا حد بالایی افزایش یافته و همچنین با افزایش درصد این نانو ذرات، دمای تبدیل شیشه‌ای تقریبا ثابت می‌ماند و این در حالی است که خواص مکانیکی لاستیک‌های تقویت شده تا حد قابل قبولی افزایش می‌یابد.

از دیگر دلایل گرایش به افزودن نانو ذرات و بویژه نانو ذرات کربنات کلسیم، افزایش استحکام و elongation در کامپوزیت مربوطه است.

با توجه به تحقیقات صورت گرفته، ۴ ماده نانومتری در صنعت لاستیک‌سازی کاربرد فراوانی دارند که عبارتند از:

▪ اکسید روی نانومتری

▪ نانو کربنات کلسیم

▪ الماس نانومتری

▪ ذرات نانومتری خاک رس

با افزودن این مواد به ترکیبات لاستیک، به‌دلیل پیوندهایی که در مقیاس اتمی بین ‌آنها و ترکیبات لاستیک صورت می‌گیرد، علاوه‌بر این که خواص فیزیکی آنها بهبود می‌یابد، می‌توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحکام، بهبود خاصیت مکانیکی، افزایش حد پارگی و حد شکستگی اشاره کرد. همچنین بر زیبایی ظاهری لاستیک نیز تاثیر گذاشته و باعث لطافت، همواری، صافی و ظرافت شکل ظاهری لاستیک می‌شود. این خواص باعث می‌شوند تا محصولات نهایی، مرغوب‌تر، با کیفیت بالا، زیبا و در نهایت بازارپسند باشند و واجد توانایی رقابت در بازارهای داخلی و جهانی باشند.

امروزه الاستومرهایی مانند لاستیک‌های طبیعی (NR)، پلی‌ایزوپروپن، لاستیک‌های بوتادین استایرن، لاستیک‌های بوتیل، Poly crylic، الاستومرهای فلوئوری و ... گستره وسیعی در تولید تایرها، لوله‌های داخلی، قطعات خودرو، لوازم خانگی و ساختمانی، تجهیزات کشاورزی و روکش مخازن و... دارند.

الاستومرها معمولاً با کربن یا سیلسیم به عنوان پرکننده، تقویت می‌شوند. این تقویت خواص، عمدتا بر اساس فعل و انفعالات فیزیکی بین زمینه و فیلترها صورت می‌گیرد.

در سال‌های اخیر، افزودن نانو ذرات ترکیبات مختلف به منظور بهبود خواص لاستیک‌ها و به‌طور خاص تایرها، کاربرد فراوانی پیدا کرده است. این نانو ذرات عاملی برای سفت‌تر شدن و بهبود خواص مکانیکی و حرارتی شده‌اند. از جمله این نانو ذرات می‌توان به ذرات رس، nano SiO۲، nano Al۲۰۳، nano CaCO۳ اشاره کرد که در این بین، نانو ذرات کلسیم کربنات به دلیل صرفه اقتصادی، دسترسی فراوان و نسبت ابعاد به حجم قابل قبول، گسترش بیشتری یافته‌اند.

● کاربرد اکسید روی نانومتری (NanoZnO) در لاستیک

اکسید روی نانومتری ماده‌ای غیرآلی و فعال است که کاربردی گسترده در صنعت لاستیک‌سازی دارد. کوچکی کریستال‌ها و خاصیت غیرچسبندگی آنها باعث شده است که اکسید روی نانومتری به صورت پودرهای زردرنگ کروی و متخلخل باشد.

از جمله خصوصیات استفاده از این تکنولوژی در صنعت لاستیک، می‌توان به پایین آمدن هزینه‌ها، بازدهی بالا، ولکانیزاسیون خیلی سریع و هوشمند و دامنه دمایی گسترده اشاره کرد. اثرات سطحی و فعالیت بالای اکسید روی نانومتری ناشی از اندازه بسیار کوچک، سطح موثر بسیار زیاد و کشسانی خوب آن است. استفاده از اکسید روی نانومتری در لاستیک باعث بهبود خواص آن می‌شود، از جمله می‌توان به زیبایی و ظرافت، صافی و همواری شکل ظاهری، افزایش استحکام مکانیکی لاستیک، افزایش مقاومت سایشی (خاصیت ضد اصطکاکی و سایش)، پایداری دمایی بالا، طول عمر زیاد و همچنین افزایش حد پارگی ترکیبات لاستیک اشاره کرد که تمامی آنها به صورت تجربی ثابت شده است. بر اساس نتایج به دست آمده می‌توان نتیجه گرفت که بهبود خواص فیزیکی لاستیک در اثر اضافه شدن ZnO ناشی از پیوند ساختار نانومتری اکسید روی با مولکول‌های لاستیک است که در مقیاس اتمی صورت می‌گیرد.

اکسید روی نانومتری در مقایسه با اکسید روی معمولی دارای اندازه بسیار کوچک اما سطح موثر بسیار زیاد بوده و از لحاظ شیمیایی بسیار فعال و همچنین به دلیل پیوندهای بین اکسید روی نانومتری و لاستیک در مقیاس مولکولی خواص فیزیکی و خواص مکانیکی نظیر حد پارگی، مقاومت سایشی و ... ترکیبات لاستیک را بهبود می‌بخشد.

● کاربرد نانوکربنات کلسیم در لاستیک

نانوکربنات کلسیم به طوری گسترده در صنایع لاستیک به کار می‌رود زیرا اثراتی بسیار خوب در مقایسه با کربنات معمولی بر خواص و کیفیت لاستیک دارد.

استفاده از نانوکربنات کلسیم در صنایع لاستیک باعث بهبود کیفیت و خواص ترکیبات لاستیک می‌شود. از جمله مزایای استفاده از نانوکربنات کلسیم می‌توان به توانایی تولید در مقیاس زیاد، افزایش استحکام لاستیک، بهبود بخشیدن خواص مکانیکی (افزایش استحکام مکانیکی) و انعطاف‌پذیر شدن ترکیبات لاستیک، اشاره کرد. علاوه بر بهبود خواص فیزیکی، ترکیبات لاستیک در شکل ظاهری آنها نیز تاثیر می‌گذارد و زیبایی و ظرافت به آنها می‌بخشد که این خود در مرغوبیت کالا و بازارپسندی آن تاثیری بسزا دارد.

نانوکربنات کلسیم سبک بیشتر در پلاستیک و پوشش‌دهی لاستیک به کار می‌رود. برای به دست ‌آوردن مزایای یاد شده، نانوکربنات کلسیم به لاستیک‌های طبیعی و مصنوعی نظیر NP،EPDM،SBS،BR ،SBR اضافه می‌شود. نتایج به دست آمده نشان می‌دهند که استحکام لاستیک، بسیار بالا می‌رود.

استحکام‌بخشی نانوکربنات کلسیم، ناشی از پیچیدگی فیزیکی پیوستگی در پلیمرهای این ماده و واکنش‌های شیمیایی ناشی از سطح تعمیم‌یافته آن است. نانوکربنات کلسیم، سختی لاستیک و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیک را افزایش داده و حداکثر توانی که لاستیک می‌تواند تحمل کند تا پاره شود را بهبود می‌بخشد. همچنین، مقاومت لاستیک را در برابر سایش افزایش می‌دهد.

به کار بردن نانوکربنات کلسیم، هزینه‌ها را کاهش داده، سود زیادی را به همراه دارد و باعث به‌روز‌شدن تکنولوژی و توانایی رقابت در عرصه جهانی می‌شود. به طور کلی، نانوکربنات کلسیم در موارد زیادی به طور کلی یا جزئی، با هدف افزایش استحکام ترکیبات لاستیک، به آ‌نها افزوده می‌شود.

● کاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیک

الماس نانومتری، به طوری گسترده در کامپوزیت‌ها و از جمله لاستیک‌ها، مواد ضد اصطکاک و مواد لیزکننده، به کار می‌رود. این ساختارهای نانومتری الماس با روش احتراق، تولید می‌شوند و خواص برجسته آنها عبارتند از:

۱) ساختار کریستالی (بلوری)

۲) سطح شیمیایی کاملا ناپایدار

۳) شکل کاملا کروی

۴) ساختمان شیمیایی بسیار محکم

۵) فعالیت جذب سطحی بسیار بالا

در روسیه، الماس نانومتری با درصدهای مختلف در لاستیک طبیعی، Poly Soprene Rubber, FluorineRubber با هدف ساخت لاستیک‌هایی که در صنعت کاربرد دارند (تایر خودروها، لوله‌های انتقال آب و ...) مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج به دست آمده نشان می‌دهند که با افزودن ساختارهای نانومتری الماس به لاستیک‌ها، خواص آنها به شکلی قابل توجه بهبود می‌یابد، مثلا:

▪ ۴ تا ۵ برابر شدن خاصیت انعطاف‌پذیری لاستیک

▪ افزایش ۲ تا ۵/۲ برابری درجه استحکام

▪ افزایش حد شکستگی تا حدود

▪ ۳ برابر شدن قدرت بریده شدن آنها

▪ بهبود آشکار در خاصیت ضدپارگی لاستیک در دمای بالا و پایین

● کاربرد ذرات نانومتری خاک رس در لاستیک

ذرات نانومتری خاک رس یکی از مواد نانومتری است که کاربردهای تجاری گسترده‌ای در صنعت لاستیک پیدا کرده و شرکت‌های بزرگ لاستیک‌سازی به طوری گسترده از آن در محصولات خود استفاده می‌کنند. با افزودن این ماده به لاستیک، خواص آن به طوری قابل ملاحظه بهبود می‌یابد که مهم‌ترین آنها عبارتند از:

▪ افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش

▪ افزایش استحکام مکانیکی

▪ افزایش مقاومت گرمایی

▪ کاهش قابلیت اشتعال

▪ بهبود بخشیدن اعوجاج گرمایی

● ایده‌های طرح

▪ افزایش دمای اشتعال لاستیک: تهیه نانوکامپوزیت الاستومرها از جمله SBR مقاوم، به عنوان مواد پایه در لاستیک سبب بهبود برخی خواص از جمله افزایش دمای اشتعال و استحکام مکانیکی بالا می‌شود و دلیل اصلی آن حذف مقدار زیادی از دوده است.

▪ کاهش وزن لاستیک: تهیه و بهینه‌سازی نانوکامپوزیت الاستومرها با وزن کم از طریق جایگزین کردن این مواد با دوده در لاستیک، امکان حذف درصد قابل توجهی دوده توسط درصد بسیار کم از نانوفیلر وجود دارد. به طوری که افزودن حدود ۳ تا ۵ درصد نانوفیلر می‌تواند استحکام مکانیکی معادل ۴۰ تا ۴۵ درصد دوده را ایجاد کند. بنابراین با افزودن ۳ تا ۵ درصد نانوفیلر به لاستیک، وزن آن به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد.

▪ افزایش مقاومت در مقابل نفوذپذیری گاز: نانوکامپوزیت الاستومرها بویژه EPDM به دلیل دارا بودن ضریب عبوردهی کم نسبت به گازها (بویژه هوا) می‌توانند در پوشش داخلی تایر و تیوب‌ها مورد استفاده قرار گیرند. یکی از ویژگی‌های نانوکامپوزیت EPDM مقاومت بسیار بالای آن در برابر نفوذ و عبور گازهاست. این نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند جایگزین موادی باشند که امروزه با هدف پیشگیری از نشت هوا استفاده می‌شوند. نانوکامپوزیت‌های مورد بحث از جمله الاستومرهایی هستند که می‌توانند در آلیاژهای مختلف با ترموپلاستیک‌ها، کاربردهای وسیعی را در صنعت خودرو داشته باشند.

▪ قطعات لاستیکی خودرو: نانوکامپوزیت ترموپلاست الاستومرها می‌توانند به عنوان ماده‌ای پرمصرف در صنایع ساخت و تولید قطعات خودرو به کار روند. از ویژگی‌های این مواد، بالا بودن مدول بالا، مقاومت حرارتی، پایداری ابعاد، وزن کم و مقاومت در برابر شعله است. نانوکامپوزیت ترموپلاستیک الاستومرهای پایه EPDM و PP می‌توانند تحولی چشمگیر در ساخت قطعات خودرو ایجاد کنند.

▪ افزایش مقاومت سایشی لاستیک: استفاده از نانوسیلیکا و نانواکسید روی در ترکیبات تایر زمینه‌ساز تحولی عظیم در صنعت لاستیک خواهد شد. با افزودن این مواد به لاستیک، علاوه بر خواصی ویژه که به لاستیک می‌دهند، امکان افزایش مقاومت سایشی لاستیک‌های تولیدی نیز وجود دارد.

▪ نسبت وزن تایر به عمر آن: با افزودن میزان مصرف یکی از نانوفیلرها، می‌توان مصرف دوده را کاهش داد. به بیانی دیگر، اگر وزن تایر کم شود، عمر لاستیک افزایش می‌یابد. بنابراین، برای بالا بردن عمر لاستیک کافی است تا با افزودن یک سری مواد نانومتری به لاستیک، عمر آن را افزایش دهیم.

● اثرات نانوکربنات کلسیم

مطالعات اندکی در زمینه چگونگی تاثیر این نانو ذرات بر روی پلیمرها صورت گرفته است. هدف ما در این مقاله بررسی جزئی تاثیر نانو ذرات کربنات کلسیم بر خواص مکانیکی و حرارتی پلیمرها و در پی آن، تایرهاست.

در صنعت، این تاثیرات با روش‌هایی دقیق و قابل قبول نظیر TGA۱، DSC۲ و UTM۳ صورت می‌پذیرد.

● بررسی‌های تجربی

مواد و آماده‌سازی نمونه: ابعاد نانو ذرات کربنات کلسیم مورد استفاده در این آزمایش در حدود و متوسط پراکندگی آنها ۲۰-۳۰ gr/m۲ در سطحی خاص است. این سطح، شامل اسید چرب است. تمام موارد یا دنده به کمک TGA اندازه‌گیری می‌شود.

در جدول ۱، چند ترکیب پلیمری دیده می‌شود که درصد نانو ذرات‌هایی کربنات کلسیم افزوده شده به آنها، بین ۵ تا ۲۰ درصد متغیر است. برای تقویت و بهبود مواد پلیمری مورد نیاز تولید تایرها، مراحل زیر را پیش رو خواهیم داشت:

جدول ۱

▪ در مرحله بعد، نانوکربنات کلسیم را به ترکیب افزوده و مانند حالت قبل، اما به مدت ۲۰ دقیقه درون آسیاب مخلوط می‌کنیم.

▪ در مرحله سوم، سولفورها و شتاب‌دهنده‌ها۴‌ افزوده شده و در دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۰ دقیقه درون آسیاب مخلوط می‌کنیم.

▪ ورقه حاصل از مراحل زیر، ضخامتی حدود ۲ میلی‌متر دارد. در این مرحله، آن را به کمک پرس داغ الکتریکی۵ جوش می‌دهیم این مخلوط باید به مدت ۲ ساعت در دمای ۱۶۰ درجه سانتی‌گراد بماند.

● خصوصیات و اندازه‌گیری

پایداری حرارتی نمونه از ۳۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد مورد بررسی قرار گرفته و توسط یک آنالیزر (TGA-۲۹۵۰) با نرخ شارش حرارت در جو نیتروژن، محاسبه می‌شود. دستگاه تغییرات دمای تبدیل شیشه‌ای را در محدوده منفی ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد با نرخ شارش حرارتی معادل و جو نیتروژن محاسبه می‌کند.

● بحث و تحلیل نتایج

در جو نیتروژن و با کمک دستگاه TGA، خواص حرارتی یک لاستیک تقویت شده با نانو ذرات کربنات کلسیم، مورد بررسی قرار می‌گیرد. عامل پایداری حرارتی یک پلیمر به موارد زیر بستگی دارد:

۱) دمای آغازین تجزیه (IDT)

۲) دما در حالت بیشترین کاهش وزن (Tmax)

۳) میزان ذغال در ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد که توسط TGA محاسبه می‌شود.

نتایج مربوط به خواص حرارتی لاستیک‌ها در جدول ۲ ارائه شده است.

همانطور که در جدول ۲ مشاهده می‌شود، با افزایش درصد نانو ذرات افزوده شده IDT،Tmax ،Char content افزایش‌یافته و به تبع آن، خواص حرارتی پلیمر مورد استفاده در تایرها، بهبود می‌یابد. در لاستیکی که هیچ ترکیب تقویت‌کننده‌ای به آن افزوده نشده باشد، تخریب در دمای ۳۳۰ درجه سانتی‌گراد آغاز می شود، در حالی که با افزودن نانو ذرات کربنات کلسیم IDT، نمونه‌ها حداقل ۱۵ درجه نسبت به لاستیک‌های فاقد افزودنی، افزایش می‌یابند. این نتایج را می‌توان با افزودن مقادیر جزیی نانو کربنات کلسیم نیز مشاهده کرد.

جدول ۲

در این بخش، تغییرات دمای تبدیل شیشه‌ای را بررسی می‌کنیم. این خواص، توسط DSC محاسبه و ارزیابی می‌شود. DSC چگونگی تاثیر نانو کربنات کلسیم را بر ترکیبات مورد استفاده در تایرها را بررسی می‌کند. در جدول ۳، داده‌های مربوط به این بررسی ارائه شده است.

جدول ۳

برری تاثیر نانوکربنات کلسیم بر خواص مکانیکی پلیمرها، بویژه لاستیک‌ها را می‌توان با اندازه‌گیری انرژی پارگی نیز بررسی کرد. این عامل با تست trouser beam در دمای اتاق محاسبه می‌شود. راهی دیگر برای محاسبه این عامل مهم، متوسط‌گیری از داده‌های به دست آمده از فرمول زیر است:

که در آن، نیروی اعمالی برای کشش نمونه است و بر حسب N محاسبه می‌شود و t پهنای نمونه‌ای است که مورد تست قرار می‌گیرد.

در شکل ۱ مقادیر مربوط به انرژی پارگی کامپوزیت حاوی نانو ذرات کلسیم کربنات بر حسب درصد نانو ذرات موجود در نمونه، نشان داده شده است.

شکل ۱

بررسی چگونگی تاثیر نانو ذرات کلسیم کربنات را بر خواص مکانیکی لاستیک‌ها می‌توان با محاسبه مقادیر استحکام کششی و elongation انجام داد. با توجه به شکل ۲ که مقادیر استحکام کششی و elongation را بر حسب درصد نانو ذرات اضافه شده نشان می‌دهد، می‌توان به نتایج شکل ۲ رسید.

با افزودن درصد نانو ذرات اضافه شده تا ۱۵ درصد به نمونه، می‌توان هر دو عامل یاد شده را بهبود بخشید. با افزایش بیشتر، استحکام کششی همچنان بیشتر می‌شود، اما elongation مقداری تقریبا ثابت به خود می‌گیرد و تغییراتی ملموس را از خود نشان نمی‌دهد. این موضوع، نشانگر این واقعیت است که نانو ذرات افزوده شده، باعث پراکنده شدن ذرات زمینه شده و به دنبال آن، فعل و انفعالات بین ذرات و درگیری بین زنجیره‌ها بیشتر می‌شود.

شکل ۲

● نتیجه‌گیری

استحکام‌بخشی نانوکربنات کلسیم برخواسته از پیچیدگی فیزیکی ناشی از پیوستگی در پلیمرهای آن و واکنش‌های شیمیایی، ناشی از سطح تعمیم‌یافته آن است. نانوکربنات کلسیم سختی لاستیک و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیک را افزایش داده و حداکثر توانی را که لاستیک می‌تواند تحمل کند تا پاره شود، بهبود می‌بخشد. همچنین، مقاومت لاستیک را در برابر سایش، افزایش می‌دهد. به‌کار بردن نانوکربنات کلسیم هزینه‌ها را پایین می‌آورد، سود زیادی را به‌همراه دارد و همچنین باعث به‌روز شدن تکنولوژی و توانایی رقابت در عرصه جهانی می‌شود. به‌طور کلی، نانوکربنات کلسیم در موارد زیادی با هدف افزایش استحکام لاستیک به‌طور کلی یا جزئی به ترکیبات آن افزوده می‌شود.

محسن مرادپور، امیر قاسمی

پانوشت

۱ . Thermo Gravimetric Analysis

۲ . Differential Scanning Calorimetry

۳ . Universal Test Machine

۴ . accelerator

۵ . Electrical heated press

منابع

۱. http://en.wikipedia.org/wiki/Thermogravimetric_analysis

http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_testing_machine

۲. M. Morton, Rubber Technology, Van Nostrand Reinhold Company, NewYork, ۱۹۸۷, p. ۱.

۳.S.J. Park, J.S. Kim, Carbon ۳۹ (۲۰۰۱) ۲۰۱۱.

۴. S.J. Park, K.S. Cho, S.K. Ryu, Carbon ۴۱ (۲۰۰۳) ۱۴۳۷.

۵.F.L. Jin, K.Y. Rhee, S.J. Park, Matۀer. Sci. Eng. A ۴۳۵ - ۴۳۶ (۲۰۰۶) ۴۲۹.