کاربرد فناوری نانو در لاستیک خودرو – 1

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.

2- نانوذرات در لاستیک

لاستیک‌ها بسته به نوع کاربرد، انواع مختلفی دارند و هرکدام از خصوصیات خاصی برخوردار هستند. برای نمونه، لاستیک دوچرخه، تراکتور، کامیون، خودروهای سواری، و موتور سیکیلت‌ها، ویژگی‌های متفاوتی دارند. با این حال، یک لاستیک از چندین جزء منحصربه‌فرد تشکیل می‌شود: آج، شیارها، برجستگی‌های میانی، شیارهای مقابل هم و سوراخ های کوچک، و نگهدارنده داخلی (شکل 1 را ببینید).

در سال‌های اخیر، انواع مختلفی از نانوذرات برای بهبود خواص لاستیک‌ها و به ویژه تایرها، به پیش‌ماده‌های سازنده این قطعات افزوده شده است. از آنجایی‌که این نانوذرات پیوندهای مستحکمی با ترکیبات لاستیک در مقیاس اتمی برقرار می‌کنند، خواص فیزیکی لاستیک را بهبود داده و منجر به افزایش مقاومت سایشی، افزایش استحکام مکانیکی، بهبود خواص حرارتی، افزایش حد پارگی، بهبود حد شکستگی، زیبایی ظاهری، افزایش یکنواختی و صافی، و ظرافت شکل ظاهری تایر می‌شوند. همه این عوامل موجب ایجاد محصولی مرغوب، با کیفیت عالی، زیبا و بازارپسند می‌شود. براساس تحقیقات به‌عمل آمده، چندین ماده نانومتری در صنایع لاستیک‌سازی کاربرد فراوانی یافته‌اند که از مهم‌ترین آنها می‌توان به نانوذرات اکسید روی (ZnO)، نانوذرات کربنات کلسیم (CaCO₃)، نانوذرات آلومینا، نانوذرات الماس، نانورس و فولرین‌ها اشاره کرد. در این میان، نانوذرات کلسیم کربنات به‌دلیل صرفه اقتصادی، دسترسی فراوان، و نسبت سطح به حجم قابل قبول، توسعه بیشتری یافته‌اند. با توجه به ایجاد پیوندهای مستحکمی که در مقیاس اتمی بین نانوذرات کلسیم کربنات و ترکیبات لاستیک ایجاد می‌شود، حضور این مواد در ترکیبات لاستیک، خواص فیزیکی آن را بهبود می‌‌دهد.

امروزه الاستومرهایی مانند لاستیک‌های طبیعی (NR)، پلی‌ایزوپروپن، لاستیک‌های بوتادین استایرن، لاستیک‌های بوتیل، پلی‌کریلیک، و الاستومرهای فلوئوری، کاربرد وسیعی در تولید تایرها، لوله‌ها، قطعات خودرو، لوازم خانگی و ساختمانی، تجهیزات کشاورزی و روکش‌های مخازن پیدا کرده‌اند. الاستومرها معمولاً با کربن یا سیلسیم به عنوان پرکننده، تقویت می‌شوند. این بهبود خواص، عمدتاً بر اساس فعل و انفعالات فیزیکی بین زمینه و فیلرها صورت می‌گیرد.

سال‌ها پیش یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان تایر به نامCabot  به طور موفقیت‌آمیز نانوذرات سیلیکون کاربید را به بدنه تایرها اضافه کرد و عملکرد آنها را مورد ارزیابی قرار داد. آزمایشات نشان دادند که با افزودن این نانوذرات، میزان سایش تا 50 درصد کاهش پیدا کرد. بعدها شرکت‌های آمریکایی نظیر Nanocor و Inmat از نانوذرات خاک رس در ساختار لاستیک استفاده کردند. براساس ادعای این شرکت‌ها، استفاده از این نانوذرات، مقدار لاستیک بوتیل موردنیاز تایرها را کاهش داد و منجر به ساخت تایرهای سبک‌تر و ارزان‌تر گردید؛ تایرهایی که در حین حرکت، خنک‌تر می‌مانند. به طور مشابه، شرکت Mars Lander از آیروژل‌ها در تولید تایرهای خود بهره برده است. این مواد، ساختار سه‌بعدی بسیار متخلخلی متشکل از میلیون‌ها نانوحباب هوا دارد و بخش اعظم آن (98%) از هوا تشکیل شده است. با استفاده از این فناوری، لاستیک‌های فوق سبک تولید و به بازار عرضه شدند.کمپانی آمریکایی Good Year نیز در این زمینه از آئروژل‌های سیلیکا در تایرها استفاده کرده است.

3- نانوذرات اکسید روی

اکسید روی عمدتاً در صنعت لاستیک‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد و باید میزان ناخالصی‌های مس، منگنز و آهن موجود در آن به حداقل رسیده باشد. دلیل استفاده گسترده از اکسید روی، به عایق بودن آن در مقابل جریان الکتریسیته و هدایت الکتریکی پایین، ظرفیت حرارتی بالا، خاصیت چسبندگی مناسب، مقاومت کافی در برابر اشعه فرودی (به ویژه، اشعه ماوراء بنفش) و داشتن ثابت دی‌الکتریک متوسط آن است. استفاده از اکسید روی در صنعت لاستیک‌سازی به عنوان یکی از معمول‌ترین فعال‌کننده‌ها، سبب کاهش زمان پخت لاستیک و افت مقاومت حرارتی آن می‌شود و از نظر اقتصادی قیمت تمام شده را کاهش می‌دهد. نانوذرات اکسید روی، ماده‌ای غیرآلی بوده و به دلیل سطح موثر بسیار بالا، از لحاظ شیمیایی بسیار فعال هستند. استفاده از این نانوذرات در ساختار لاستیک‌ها باعث افزایش صافی و همواری شکل ظاهری، بهبود زیبایی و ظرافت، افزایش دوام لاستیک، حفظ استحکام در دمای بالا، بهبود حد پارگی، طول عمر زیاد، و مقاومت سایشی بالا (خاصیت ضد اصطکاکی و سایشی) می‌شود. دلیل بهبود خواص فیزیکی لاستیک در اثر افزودن نانوذرات اکسید روی، ایجاد پیوند ساختاری مستحکم نانوذرات اکسید روی (ZnO) با مولکول‌های لاستیک است که در مقیاس اتمی صورت می‌گیرد (شکل 2 را ببینید). از دیگر مزایای استفاده از فناوری نانو در صنعت لاستیک‌سازی می‌توان به کاهش هزینه‌ها، ولکانیزاسیون (Volcanization) سریع و هوشمند، و افزایش دامنه دمایی ساخت اشاره کرد.

4- نانوالماس

1-4- آشنایی با نانو الماس

پودر نانومتری الماس نسل جدیدی از پودرهای سنتزی فوق‌سخت (SuperHard) به شمار می‌آید. براساس نتایج حاصل از بررسی‌های میکروسکوپی انجام شده بر روی این ماده، ذرات تشکیل‌دهنده به‌صورت خوشه‌های اتمی (Cluster) بوده و اغلب مورفولوژی کروی دارند (شکل 3). در واقع، نانوذرات الماس از یک هسته فشرده کریستالی از جنس الماس و یک لایه‌ سست خارجی حاوی انواع پیوندهای کربن-کربن و پیوندهای غیرهمجنس (Heterobonds) تشکیل شده‌اند.

از آنجایی‌که 30 درصد از اتم‌های نانو الماس در سطح آن قرار گرفته‌اند، این ماده خواص منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهد. حداکثر اندازه دانه‌های نانو‌الماس، 10 نانومتر و متوسط اندازه ذرات بین 4 تا 6 نانومتر است. نتایج آنالیز آزمون XRD بر روی پودر نانو الماس نشان می‌دهد که ذرات موجود در این پودر، از جنس الماس با ساختار مکعبی هستند. از سوی دیگر، مطالعات مربوط به شناسایی کیفیت سطح پودر نشان می‌دهند که سطح این ذرات با گروه‌های عاملی پوشیده شده است به‌طوری‌که نوع و مقدار آنها در محصولات مختلف متفاوت هستند. این گروه‌ها اغلب از نوع گروه‌‌های اکسیژن‌داری هستند که بر روی سطوح ذرات، بار منفی ایجاد می‌کنند.
نانو الماس در هوا تا دمای 500 و در خلاء یا محیط الکلی تا دمای 1000-1100 درجه سانتیگراد مقاوم است. همان‌طورکه می‌دانید، دمای 1100 درجه سانتی‌گراد دمای شروع تبدیل‌شدن الماس به گرافیت است. نانو الماس از نظر شیمیایی در برابر محیط‌های اسیدی، قلیایی، مواد اکسیدکننده، و حلال‌های آلی، در شرایط محیطی و دمای بالا مقاوم است. میزان ناخالصی‌های موجود در نانو الماس به نوع آن پودر بستگی دارد و بر اساس شرایط فنی تولید بین 1 الی 3 درصد وزنی متغیر است. ناخالصی‌های غیرکربنی (که معمولاً شامل آهن، مس، کلسیم، سیلیکون، کروم، تیتانیوم و مقادیر ناچیزی از سایر فلزات است که به‌نحوی در فرآیند تولید و تخلیص نانوالماس حضور دارند) معمولاً براساس خاکستر باقیمانده پس از سوزاندن منبع کربنی اولیه تعیین می‌شوند. مواد کربنی غیر از الماس، ناخالصی به شمار نمی‌آید و می‌توانند ترکیبات مفیدی به وجود آورند که برای کاربردهای نانوالماس سودمند باشند. جدول 1 برخی از ویژگی‌های پودر نانو الماس را فهرست کرده است.

2-4- کاربرد نانوالماس در لاستیک

نانوالماس در کامپوزیت‌ها، لاستیک‌ها، مواد ضد اصطکاک و روان‌کننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ساختارهای نانومتری با روش احتراق تولید می‌شوند. نانو الماس خواص ویژه‌ای دارد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به ساختار کریستالی، شکل کاملاً کروی، قدرت شیمیایی بسیار بالا (سطح شیمیایی کاملاً ناپایدار)، ساختمان شیمیایی بسیار محکم، و جذب سطحی بسیار بالا اشاره کرد. نانوالماس با درصدهای مختلف به انواع لاستیک‌ها اضافه می‌شود. از این لاستیک‌ها در صنعت خودروسازی و لوله‌های انتقال آب استفاده می‌شود. افزودن ذرات نانوالماس به لاستیک می‌تواند تغییرات زیر را در خواص آن به وجود آورد:

·         افزایش 4 الی 5 برابری خاصیت انعطاف‌پذیری لاستیک

·         افزایش 2 الی 2/5 برابری استحکام مکانیکی

·         افزایش حد شکستگی تا حدود Kg/Cm² 700_620

·         3 برابر شدن قدرت بریده شدن آنها

·         افزایش خاصیت ضد پارگی در دمای بالا و پایین

اخیراً در روسیه، نانوالماس با درصدهای مختلف به لاستیک‌های طبیعی با هدف ساخت تایر خودرو و لوله‌های انتقال آب افزوده شده است.

5- نانوکامپوزیت‌های سیلیکاتی

بکار بردن نانوکامپوزیت‌های سیلیکاتی در لاستیک‌ها، طول عمر آنها را افزایش و وزن لاستیک را به طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد. افزایش استحکام لاستیک از اهمیت ویژه‌ای در صنایع خودروسازی برخوردار است و از دیرباز دوده به عنوان کاربردی‌ترین تقویت‌کننده در لاستیک‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفته است. با این حال، افزودن دوده معایبی را به همراه دارد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به رنگ کاملاً مشکی، وابستگی به منابع نفتی، کاهش فرآیندپذیری لاستیک با افزایش مقدار آن، و افزایش چگالی ماده اشاره کرد. برای جلوگیری از این محدودیت‌ها، تمایل به استفاده از نانوسیلیکات‌های لایه‌ای به عنوان تقویت‌کننده در تهیه نانوکامپوزیت‌های پلیمری افزایش یافته است.

استفاده از نانوسیلیکات لایه‌ای منجر به کاهش مقدار دوده مصرفی در مخلوط لاستیک می‌شود و چگالی آن را کاهش می‌دهد. به این طریق، می‌توان فرآورده‌هایی با وزن کمتر تولید کرد. با کاهش وزن تایرها، مصرف سوخت در وسایل نقلیه کاهش می‌یابد و موجب کاهش آلودگی محیط و صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود. سایر ویژگی‌ها و خواص نهایی مخلوط نیز بهبود می‌یابد و موجب افزایش طول عمر تایر می‌شود.

6- نانورس

ذرات نانومتری خاک رس یکی از مواد پیشرفته‌ای است که کاربردهای تجاری گسترده‌ای در صنعت لاستیک‌سازی پیدا کرده و اکنون شرکت‌های بزرگ لاستیک‌سازی به طور گسترده از آن در محصولات خود استفاده می‌کنند. افزودن این ماده به لاستیک ویژگی‌های منحصربه فردی به آن می‌دهد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

·         افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش

·         افزایش استحکام مکانیکی

·         افزایش مقاومت حرارتی

·         کاهش قابلیت اشتعال

·         بهبود اعوجاجات گرمایی

·         پایداری ابعادی در برابر گرما

کمپانی ExxonMobil یکی از شرکت‌های پیشگامی است که از خاک رس نانومتری در ساخت لاستیک‌های تولیدی خود در سطح تجاری استفاده می‌کند. این محصول تا 50 درصد بیشتر از لاستیک‌های هالوبوتیل توانایی محبوس نگاه داشتن هوا را دارد و به مرور زمان با نرخ کمتری کم‌باد می‌شود. به طور مشابه، استفاده از خاک رس لایه‌ای Montmorillonite نیز منجر به ایجاد رفتار همگن و یکنواخت طولی و عرضی لاستیک خودرو، افزایش استحکام، افزایش پایداری، ایجاد خاصیت ترموپلاستیک، و کاهش نرخ پوسیدگی لاستیک می‌شود.