کاربرد فناوری نانو در لاستیک خودرو – 2

براساس آمارهای منتشر شده، صنعت خودروسازی در سال 2004 بازاری حدود 54.2 بیلیون دلار داشته است که این رقم در سال 2015 به 137.4 بیلیون دلار رسیده است. 8.6 بیلیون دلار از این حجم معاملات، به کاربرد فناوری‌های نانو مربوط می‌شود و صنعت لاستیک‌سازی یکی از اصلی‌ترین مصرف‌کنندگان این فناوری‌ها به‌شمار می‌آید. مهم‌ترین موارد استفاده از فناوری نانو در صنعت خودروسازی شامل لاستیک‌ها، نانوفیلرها، نانوپوشش‌ها، و قطعات نانوکامپوزیتی هستند. امروزه صنایع خودروسازی دنیا تمایل زیادی به استفاده از پلیمر پلی‌پروپیلن نانومقیاس دارد و دلیل آن، خواص منحصربه‌فرد آن نظیر وزن پایین، مقاومت حرارتی بالا و مقاومت به ضربه عالی است. در مقاله حاضر به بررسی اثر افزودنی‌هایی نظیر دوده، نانولوله‌های کربنی، و نانوذرات کربنات کلسیم بر خواص لاستیک‌ها پرداخته می‌شود.

1-1- دوده

دوده یکی از مهم‌ترین پرکننده‌ها (fillers) در صنعت لاستیک‌سازی است. این ماده به عنوان تقویت‌کننده به لاستیک اضافه می‌شود و اندازه ذرات آن، بر مقاومت لاستیک در برابر سایش و خوردگی اثر می‌گذارد. افزودن نانوذرات کربنی به لاستیک به دلیل انرژی سطحی بالای این مواد باعث چسبیدن ذرات به یکدیگر می‌شود و نتیجه آن، افزایش مقاومت سایشی و طول عمر بیشتر لاستیک است.

2-1- نانولوله‌های کربنی

خواص مکانیکی لاستیک‌های خودرو با افزودن نانولوله‌های کربنی ارتقاء می‌یابد. برای نمونه، تحقیقات نشان می‌دهند که خواص مکانیکی لاستیک نظیر استحکام کششی تا 600 درصد، استحکام برشی تا 250 درصد و سختی ترکیب لاستیک تا 70 درصد می‌تواند با افزودن نانولوله‌های کربنی بهبود یابد.

3-1- نانوذرات کربنات کلسیم

نانوذرات کربنات کلسیم به‌طور گسترده در صنایع لاستیک‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا در مقایسه با کربنات معمولی، اثرات مطلوب‌تری بر خواص و کیفیت لاستیک دارد. استفاده از این نانوذرات باعث بهبود کیفیت و خواص ترکیبات لاستیک می‌شود. از مهم‌ترین مزایای استفاده از نانوذرات کربنات کلسیم می‌توان به توانایی تولید در مقیاس بالا، افزایش استحکام لاستیک، بهبود خواص مکانیکی، و افزایش انعطاف‌پذیری ترکیبات لاستیک اشاره کرد. این ذرات علاوه بر بهبود خواص فیزیکی، شکل ظاهری لاستیک را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد و زیبایی و ظرافت خاصی به آن می‌بخشد. این امر در مرغوبیت کالا و بازارپسندی آن تاثیری به سزایی دارد. برای دستیابی به مزایای یاد شده، نانوذرات کربنات کلسیم به لاستیک‌های طبیعی و مصنوعی نظیر NP، EPDM، SBS، BR، و SBR اضافه می‌شود. نتایج به دست آمده نشان می‌دهند که استحکام لاستیک بسیار افزایش می‌یابد. استحکام‌بخشی نانوذرات کربنات کلسیم ناشی از همدوسی (coherency) بالای این ذرات به پلیمرهای لاستیک و واکنش‌های شیمیایی ناشی از سطح ویژه آن است. نانوذرات کربنات کلسیم، سختی لاستیک و حد گسیختگی پلیمرهای آن را افزایش داده و حداکثر توانی را که لاستیک می‌تواند تحمل کند تا پاره شود بهبود می‌بخشد. از سوی دیگر، این ذرات مقاومت لاستیک را در برابر سایش افزایش می‌دهد. بکار بردن نانوذرات کربنات کلسیم، هزینه‌ها را کاهش داده و رقابت‌پذیری در عرصه جهانی را تقویت می‌کند. به طور کلی، نانوذرات کربنات کلسیم در موارد متعددی با هدف افزایش استحکام ترکیبات لاستیک به آن افزوده می‌شود. استفاده از نانومواد در لاستیک خودرو شامل موارد زیر می‌شود:

·         استفاده از ساختار نانومولکولی در انتهای کلاهک قوی لاستیک منجر به بهبود خواص چرخشی و چسبندگی لاستیک شده و مقاومت غلتشی (rolling resistance) و گرمای انتشار یافته را کاهش می‌دهد. از این ماده در تایر Nokian WR A3 استفاده شده است.

·         می‌توان از نانوساختارهای جهت‌یافته برای کنترل خواص لاستیک‌ها استفاده کرد. پوشش‌های نانومتری آج لاستیک می‌توانند جهت کاهش حرارت تولید شده به‌کار روند. از این محصول در تایرهای مدل جدید Ecopia  کمپانی Bridgestone استفاده شده است.

·         از نانوموادی نظیر Polyhedral Oligomeric Silses quioxanes، اکسید آلومینیوم، و اکسید سیلیکون نانوساختار، نانوالیاف کربنی، گرافن و نانوذرات Poly(alkylbenzene)-Poly(diene) در صنعت لاستیک‌سازی استفاده می‌شود.

 2- ایده‌های مطرح شده در مورد کاربرد فناوری نانو در لاستیک خودرو

·         افزایش دمای اشتعال لاستیک: تهیه نانوکامپوزیت الاستومری مانند SBR (یا Styrene-butadiene rubber) به‌عنوان مواد پایه در لاستیک، برخی خواص آن از جمله دمای اشتعال و استحکام مکانیکی را بهبود می‌دهد و دلیل اصلی آن، حذف مقدار زیادی از دوده است.

·         کاهش وزن لاستیک: تهیه و بهینه‌سازی نانوکامپوزیت الاستومری با وزن پایین از طریق جایگزین کردن این مواد با دوده در لاستیک، امکان حذف درصد قابل توجهی دوده را فراهم می‌کند. برای نمونه، افزودن حدود ۳ تا ۵ درصد نانوفیلر می‌تواند استحکام مکانیکی معادل ۴۰ تا ۴۵ درصد دوده را ایجاد کند. از این‌رو، با افزودن ۳ تا ۵ درصد نانوفیلر به لاستیک، وزن آن به مقدار قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.

·         افزایش مقاومت در برابر نفوذپذیری گاز: نانوکامپوزیت‌های الاستومری به‌ویژه EPDM به دلیل داشتن ضریب عبوردهی پایین نسبت به گازها (به ویژه هوا) می‌توانند در پوشش داخلی تایر و تیوب‌ها مورد استفاده قرار گیرند. یکی از ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌های پایه EPDM، مقاومت بسیار بالای آنها در برابر نفوذ و عبور گازها است. این نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند جایگزین موادی باشند که امروزه با هدف پیشگیری از نشت هوا استفاده می‌شوند. نانوکامپوزیت‌های مورد بحث از جمله الاستومرهایی هستند که می‌توانند با ترموپلاستیک‌ها کامپوزیت شده و کاربردهای وسیعی را در صنعت خودرو داشته باشند.

·         قطعات لاستیکی خودرو: نانوکامپوزیت‌های ترموپلاستیک الاستومر می‌توانند به‌عنوان ماده‌ای پرمصرف در صنایع ساخت و تولید قطعات خودرو به کار روند. از ویژگی‌های این مواد، بالا بودن مدول الاستیک، مقاومت حرارتی، پایداری ابعادی، وزن پایین و مقاومت در برابر شعله است. نانوکامپوزیت ترموپلاستیک الاستومر پایه EPDM و پلی‌پروپیلن (PP) می‌توانند تحولی چشمگیر در ساخت قطعات خودرو به وجود آورند. مراحل پیشرفت کاربرد این نانومواد در صنعت لاستیک‌‌سازی در شکل 1 نشان داده شده است.

3- لاستیک سبز

تقاضای روزافزون برای افزایش بازده مصرف سوخت، بالا رفتن سطح استانداردهای تعیین شده برای ایمنی وسایل نقلیه، افزایش طول عمر، و کاهش آلودگی صوتی برای لاستیک خودروها (که با برچسب EU روی لاستیک‌ها نشان داده می‌شود) باعث شده تا تولیدکنندگان خودرو به طور مستمر برای بهبود کیفیت و زیست‌سازگاری محصولات خود تلاش کنند. سال‌هاست که از مواد پرکننده لاستیک نظیر کربن سیاه و سیلیکا به‌عنوان مواد نانوساختار برای بهبود کیفیت لاستیک‌های خودرو استفاده می‌شود. نوآوری‌های جدید در این زمینه، با تولید و تأمین نانومواد و افزودنی‌های جدید به لاستیک‌ها با هدف دستیابی هرچه بیشتر به «مثلث سه‌گانه کیفیت» یعنی «ایمنی»، «طول عمر» و «آلودگی صوتی» در حال توسعه است. امروزه «لاستیک‌های سبز» سهم 30 درصدی بازار فروش را به خود اختصاص داده‌اند و با رشد بازار خودروهای الکتریکی، تقاضا برای تولید لاستیک‌هایی با مقاومت غلتشی و وزن پایین، و عملکرد بهتر رو به افزایش است.

افزایش آگاهی مصرف‌کنندگان لاستیک‌های خودرو از لزوم زیست‌سازگاری آنها، افزایش قیمت بنزین، و توسعه استانداردهای دقیق در زمینه بازده مصرف سوخت باعث شده است تا تولیدکنندگان لاستیک‌های وسایل نقلیه، متوجه بازار پرسود «لاستیک‌های سبز» شوند. استفاده از لاستیک‌های سبز به دلیل افزایش بازده مصرف سوخت می‌تواند سبب بهبود زیست‌سازگاری این محصول شود. از معروف‌ترین مدل‌های لاستیک سبز می‌توان به ContiEcoContact5، Goodyear UltraGrip Ice، Michelin Energy Saver ، و Pirelli Cinturato P1 اشاره کرد.

مثلث جادویی در صنعت لاستیک‌سازی به معنای ارتقاء عملکرد لاستیک با سه شاخص اصلی زیر است: (الف) کاهش مقاومت غلتشی لاستیک برای افزایش بازده مصرف سوخت، (ب) افزایش مقاومت سایشی با هدف افزایش طول عمر لاستیک، و (ج) کاهش میزان لغزش لاستیک در رطوبت جهت افزایش ضریب ایمنی (شکل 2 را ببینید). چالش اصلی در این زمینه این است که بهبود بازده مصرف سوخت با کاهش اصطکاک غلتشی عموماً منجر به کاهش ایمنی خودرو می‌شود. فاکتور مهمی که برای کارخانه‌های تولیدکننده لاستیک مهم است، دستیابی به محصولاتی است که برچسب استاندارد EU با بالاترین کیفیت را دارند. لاستیک‌هایی با برچسب «A» و «AA» از لحاظ مقاومت غلتشی، مقاومت لغزشی و آلودگی صوتی، ویژگی‌های بهتری نسبت به بقیه محصولات دارند. قوانین جدید از تاریخ اول نوامبر سال 2012 برای لاستیک خودروهای شخصی، کامیون‌های سبک وخودروهای سنگین که از تاریخ اول ژوئن 2012 ساخته شده‌اند قابل استفاده است. این برچسب‌ها برای نشان دادن کیفیت لاستیک براساس سه معیار اصلی کاهش مصرف سوخت، ایمنی، و کاهش آلودگی صوتی به‌کار می‌روند. با این وجود، هنوز هم عوامل مهم دیگری برای بهبود شرایط عملکرد لاستیک‌ها با درجه استاندارد بالا وجود دارد. از مهم‌ترین این عوامل می‌توان به مقاوم بودن خودرو هنگام رانندگی در آب، ثبات شرایط رانندگی، کاهش نیاز به رسیدگی، خوش فرمان بودن اتومبیل در جاده‌های خشک و مرطوب، دوام خودرو، عملکرد مناسب ترمز در جاده‌های خشک، و قابلیت‌های ویژه خودرو در شرایط بارندگی اشاره کرد.

4- ویژگی‌های محصولات نانوساختار در لاستیک سبز

آج لاستیک خودروهای مدرن عموماً از لاستیک طبیعی و یا مصنوعی، پرکننده‌هایی مانند کربن سیاه و سیلیکا، افزودنی‌ها، و تقویت‌کننده‌هایی نظیر استیل، پوشش‌ها و یا الیاف نایلونی تشکیل شده است. هر منطقه از لاستیک باید از جنبه‌های مختلف مورد بررسی قرار گیرد. برای نمونه، در بدنه لاستیک، مقاومت در مقابل پارگی حائز اهمیت است؛ درحالی که در ناحیه آج، مقاومت غلتشی، مقاومت لغزشی و ترمزگرفتن نیاز به نوآوری دارد. استفاده از فناوری نانو به‌طور کاربردی در ساخت لاستیک‌های مصنوعی و مواد شیمیایی ویژه، به وسیله کمپانی LANXESS توسعه یافته و منجر به ساخت نانوذرات لاستیکی با نام تجاری Nanoprene شده است.

هدف از ساخت نانوذرات لاستیکی، دستیابی به مثلث جادویی با بهینه کردن مقاومت لغزشی در شرایط آب و هوایی مرطوب و افزایش مقاومت سایشی بدون ایجاد تأثیرات منفی بر روی مقاومت غلتشی و افزایش مصرف سوخت است. در حقیقت، Nanoprene متشکل از نانوذراتی است که سطح آنها از گروه‌های عاملی هیدروکسیلی پوشیده است. این گروه‌های عاملی می‌توانند با گروه‌های قطبی در ترکیبات لاستیک نظیر سیلیکا برهم‌کنش‌های دوقطبی و یا پیوندهای هیدروژنی ایجاد کنند. با توجه به اینکه ابعاد نانوذرات پلاستیک بین 40 تا 200 نانومتر است، این ذرات دارای سطح مؤثر بزرگی بوده و منجر به توزیع بهتر و اتصال محکم‌تر پرکننده‌های سیلیکونی به بستر پلیمری لاستیک می‌شوند.

نانوذرات Nanoprene طیف وسیعی دارند و می‌توانند برای رفع نیازهای مختلف لاستیک در وسایل نقیله مورد استفاده قرار گیرند. برای نمونه، در انواع مختلف لاستیک‌ها (نظیر لاستیک تابستانی یا زمستانی، لاستیک سبز یا لاستیک‌هایی با عملکرد ممتاز) و یا در نواحی مختلف یک لاستیک (مانند آج، کناره و یا لوله داخلی آن) و یا در ساخت لاستیک‌هایی با دمای گذار شیشه متفاوت می‌توان از انواع مختلف نانوذرات Nanoprene برای بهبود عملکرد استفاده کرد. دمای گذار دمایی است که در آن، ماده از حالت شکننده و سخت به حالت الاستیک تبدیل می‌شود. کمپانی LANXESS  به‌تازگی شروع به تولید و تجاری کردن این ماده نموده است و اولین مشتری آن شرکت تایر و لاستیک Toyo است. این شرکت از این ماده در ساخت تایرهای زمستانی استفاده می‌کند. شکل 3 بخش‌های اصلی یک لاستیک را نشان می‌دهد.

یکی از عوامل مهم در عملکرد مناسب خودروهای الکتریکی، کاهش مقاومت غلتشی و کاهش مصرف سوخت است. از راهکارهای پیشنهادی برای نیل به این هدف می‌توان به بهبود توزیع پرکننده‌ها در داخل لاستیک و کاهش گرمای تولید در اثر اصطکاک لاستیک با سطح جاده اشاره کرد. موضوع مهم دیگر در این زمینه، تنظیم فشار هوای داخل لاستیک جهت بهینه کردن مصرف سوخت است. محبوس نگه داشتن هوای داخل لاستیک و عدم کم باد شدن آن مسأله مهم دیگری است که می تواند برای مصرف کنندگان خودرو جالب باشد.

چشم انداز سال 2020 نشان‌دهنده این واقعیت است که توسعه خودروهای الکتریکی نیاز به تولید لاستیک‌های خودرو با ویژگی‌های جدید دارد. لاستیک‌های موجود باعث اتلاف 20 درصدی سوخت در خودروهای مرسوم می‌شوند و برای کاهش مصرف سوخت نیاز به جایگزین کردن مواد سنگین با نانومواد سبکتر با مشخصه‌های مشابه با لاستیک‌های توسعه یافته وجود دارد. این مسأله چالشی برای تولیدکنندگان لاستیک به‌شمار می‌رود و هنوز هم موضوعی حل نشده باقی مانده است. تاکنون فقط تعداد محدودی ماده با مقاومت سایشی بالا شناخته شده است. شناخت این مواد می‌تواند بازده انرژی را افزایش و نیاز به رسیدگی به لاستیک خودرو را کاهش دهد. شکل 4 مراحل ساخت لاستیک‌های مورد نیاز برای وسایل نقلیه را نشان می‌دهد.

لاستیک‌های سبز اولین بار در سال 1990 در صنعت لاستیک‌سازی توسعه یافتند. در آن زمان، مهندسان خودرو به این نتیجه رسیدند که اگر اکسید سیلیکون اصلاح شده با سیلان (Silane یا SiH₄) به عنوان پرکننده‌های تقویتی در ترکیبات آج لاستیک به جای پرکننده‌های مرسوم پایه‌کربن‌سیاه استفاده شوند، مقاومت غلتشی و چرخش لاستیک کاهش خواهد یافت. ارزیابی طول عمر لاستیک، توسط اتحادیه صنعت لاستیک اروپا در سال‌های 2001 و 2002 بیانگر این مطلب بود که بکارگیری لاستیک سبز اثرات منفی کمتری بر سلامتی انسان و محیط‌زیست خواهد داشت. مطالعات نشان دادند که لاستیک‌های سبز، قابلیت ترمز کردن بهتر در سطوح خیس و سطوح یخ زده را دارند و طول خط ترمز آنها تا 15 درصد کمتر از لاستیک‌های معمولی است. از سوی دیگر، مقاومت غلتشی این لاستیک‌ها در مقایسه با لاستیک‌های استاندارد معمولی، تا 20 درصد کاهش می‌یابد و این اثر موجب کاهش مصرف سوخت خودرو تا 5 درصد می‌شود. بدیهی است که استفاده گسترده از لاستیک‌های سبز می‌تواند باعث صرفه‌جویی سالانه میلیون‌ها بشکه نفت و کاهش قابل توجه نشر گازهای گلخانه‌ای شود. ازآنجایی‌که حدود 25 درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای توسط خودروها در ترافیک جاده‌ای تولید می‌شود و چیزی حدود 20 تا 30 درصد مصرف خودرو تنها مربوط به لاستیک‌های خودرو است، پیدا کردن راهکارهای مناسب برای کاهش مقاومت غلتشی می‌تواند در صنعت خودروسازی بسیار حائز اهمیت باشد. علاوه بر مسائل گفته شده، فناوری نانو می‌تواند عملکرد ترمز و فرمان را بهبود دهد و این امر باعث ارتقاء مسأله ایمنی در خودرو خواهد شد. براساس نظر تولیدکنندگان مواد اولیه خودرو نظیر کمپانی Continental، عامل «ایمنی» هنوز هم به‌عنوان مهم‌ترین گزینه مطرح بوده و بر روی محصول انتخابی مصرف‌کنندگان تأثیر عمده‌ای دارد.

جمع‌بندی

لاستیک سبز خودرو با بکارگیری کربن سیاه و سیلیکون-سیلان سال‌هاست که وارد بازار شده و این محصول با ایجاد مقاومت غلتشی کمتر، امکان افزایش بازده سوخت را فراهم می‌کند. فناوری نانو می‌تواند قابلیت بهبود عملکرد لاستیک‌های خودرو را افزایش دهد و امکان رسیدن به مثلث جادویی کیفیت در سه شاخص «مقاومت غلتشی»، «طول عمر» و «مقاومت لغزشی در رطوبت» را فراهم کند. برچسب استاندارد جدید اروپا، محرک اصلی نوآوری بوده و به مشتریان این اجازه را می‌دهد تا محصولاتی با کارایی بهتر از نظر بهره‌وری، ایمنی، و آلودگی صوتی را خریداری کنند و در عین حال، تحقیقات را در تولید محصولات کارآمدتر هدایت کنند. بسیاری از تولیدکنندگان محصولات اولیه خودرو نظیر کمپانی Bridgestone، Pirelli، Continental و Toyo هم‌اکنون از محصولات مختلف مبتنی بر فناوری نانو برای بهبود عملکرد لاستیک‌ها استفاده می‌کنند.آنچه فناوری نانو را قادر به بهبود کیفیت عملکرد لاستیک‌ها می‌کند شامل موارد زیر هستند:

(1)     بهبود توزیع پرکننده‌ها (fillers) در ماتریس پلیمری، بر مقاومت غلتشی لاستیک تأثیر می‌گذارد، اصطکاک را کاهش می‌دهد و از گرم شدن لاستیک و اتلاف انرژی توسط آن جلوگیری می‌کند.

(2)     پوشش‌های مبتنی بر فناوری نانو می‌توانند هوا را بهتر حبس کرده و از کم باد شدن لاستیک‌ها جلوگیری نمایند.

(3)     با به‌کار بردن نانومواد سبک‌تر امکان تولید لاستیک‌هایی با وزن کمتر وجود دارد.

(4)     فناوری نانو امکان آبگریز کردن سطح لاستیک و بهبود عملکرد آن در سطوح مرطوب را فراهم می‌کند. از این رو، امکان دستیابی به لاستیک‌هایی با طول عمر موثر بیشتر وجود دارد.