فناوری نانو در لاستیک سازی

 

با توجه به تحقیقات به عمل آمده چهار ماده نانومتری هستند که کاربرد فراوانی در صنعت لاستیک سازی پیدا کرده اند. چهار ماده موردنظر عبارتنداز: اکسیدروی نانومتری (NanoZnO)، نانوکربنات کلسیم، الماس نانومتری، ذرات نانومتری خاک رس.

با اضافه کردن این مواد به ترکیبات لاستیک، به دلیل پیوندهایی که در مقیاس اتمی بین این مواد و ترکیبات لاستیک صورت می گیرد، علاوه بر این که خواص فیزیکی آنها بهبود می یابد، می توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحکام، بهبود خاصیت مکانیکی، افزایش حد پارگی و حد شکستگی اشاره کرد. در زیبایی ظاهری لاستیک نیز تأثیر گذاشته و باعث طافت، همواری، صافی و ظرافت شکل ظاهری لاستیک می گردد. همه اینها به نوبه خود باعث می شود که محصولات نهایی، مرغوب تر، با کیفیت بالا، زیبایی و در نهایت بازار پسند باشند و توانایی رقابت در بازارهای داخلی و جهانی را داشته باشند.

کاربرد اکسیدروی نانومتری (NanoZnO) درلاستیک:
اکسیدروی نانومتری مادهای غیرآلی و فعال است که کاربرد گسترده ای در صنعت لاستیک سازی دارد. کوچکی کریستال ها و خاصیت غیر چسبندگی آنها باعث شده که اکسید روی نانومتری به صورت پودرهای زرد رنگ کروی و متخلخل باشد.

از خصوصیات استفاده از این تکنولوژی در صنعت لاستیک، می توان به پایین آمدن هزینه ها، بازدهی بالا، ولکانیزاسیون (Volcanization) خیلی سریع و هوشمند و دامنه دمایی گسترده اشاره کرد.  اثرات سطحی و فعالیت بالای اکسیدروی نانومتری ناشی از اندازه بسیار کوچک، سطح موثر خیلی زیاد وکشسانی خوب آن است.

استفاده از اکسید روی نانومتری در لاستیک باعث بهبود خواص آن می شود از جمله می توان به زیبایی و ظرافت بخشیدن به آن، 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 همگی اینها به صورت تجربی ثابت شده است.

براساس نتایج به دست آمده می توان نتیجه گرفت بهبود یافتن خواص فیزیکی لاستیک در اثر اضافه شدن ZnO ناشی از پیوند ساختار نانومتری اکسید روی با مولکول های لاستیک است که در مقیاس اتمی صورت می گیرد.
اکسید روی نانومتری در مقایسه با اکسید روی معمولی دارای اندازه بسیار کوچک ولی در عوض دارای سطح موثر بسیار زیادی می باشد. از لحاظ شیمیایی بسیار فعال و همچنین به دلیل اینکه پیوندهای بین اکسیدروی نانومتری و لاستیک در مقیاس مولکولی انجام می گیرد، استفاده از اکسیدروی نانومتری خواص فیزیکی و خواص مکانیکی از قبیل حد پارگی، مقاومت سایشی و ... ترکیبات لاستیک را بهبود می بخشد.

کاربرد نانوکربنات کلسیم در لاستیک:
نانوکربنات کلسیم به طور گسترده ای در صنایع لاسیتک به کار می رود، زیرا اثرات خیلی خوبی نسبت به کربنات معمولی بر روی خواص و کیفیت لاستیک دارد.

استفاده از نانوکربنات کلسیم در صنایع لاستیک باعث بهبود کیفیت و خواص ترکیبات لاستیک می شود. از جمله مزایای استفاده از نانوکربنات کلسیم می توان به توانایی تولید در مقیاس زیاد، افزایش استحکام لاستیک، بهبود بخشیدن خواص مکانیکی (افزایش استحکام مکانیکی) و انعطاف پذیر شدن ترکیبات لاستیک اشاره کرد. همچنین علاوه بر بهبود خواص فیزیکی، ترکیبات لاستیک در شکل ظاهری آنها نیز تأثیر می گذارد و به آنها زیبایی و ظرافت می بخشد که این خود در مرغوبیت کالا و بازارپسند بودن آن تأثیر بسزایی دارد.

نانوکربنات کلسیم سبک بیشتر در پلاستیک و پوشش دهی لاستیک به کار می رود.
برای به دست آوردن مزایای ذکر شده، نانوکربنات کلسیم به لاستیک های طیعی و مصنوعی از قبیل NP، EPDM، SBS، BR، SBR اضافه گردد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که استحکام لاستیک بسیار بالا می رود. استحکام بخشی نانوکربنات کلسیم برخواسته از پیچیدگی فیزیکی ناشی از پیوستگی در پلیمرهای آن و واکنش های شیمیایی ناشی از سطح تعمیم یافته آن است.

نانوکربنات کلسیم سختی لاستیک و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیک را افزایش داده و حداکثر توانی که لاستیک می تواند تحمل کند تا پاره شود را بهبود می بخشد. همچنین مقاومت لاستیک را در برابر سایش افزایش می دهد.

به کار بردن نانوکربنات کلسیم هزینه ها را پایین می آورد و سود زیادی را به همراه دارد و همچنین باعث به روز شدن تکنولوژی و توانائی رقابت در عرصه جهانی می گردد.

به طور کلی نانوکربنات کلسیم در موارد زیادی به طور کلی یا جرئی به ترکیبات لاستیک جهت افزایش استحکام آنها افزوده می شود.

کاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیک:
الماس نانومتری به طور گسترده ای در کامپوزیت ها و از جمله لاستیک در مواد ضد اصطکاک، مواد لیزکننده به کار می رود. این ساختارهای نانومتری الماس از روش احتراق تولید می شوند که دارای خواص برجسته ای هستند از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1) ساختار کریستالی (بلوری)
2) سطح شیمیایی کاملا ناپایدار
3) شکل کاملا کروی
4) ساختمان شیمیایی بسیار محکم
5) فعالیت جذب سطحی بسیار بالا

در روسیه، الماس نانومتری با درصدهای مختلف به لاستیک طبیعی، Poly Soprene Rubber و FluorineRubber برای ساخت لاستیک هایی که در صنعت کاربرد دارند از قبیل کاربرد در تایر اتومبیل، لوله های انتقال آب و ... مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با اضافه کردن ساختارهای نانومتری الماس به لاستیک ها خواص آنها به شکل قابل توجهی بهبود می یابد از جمله می توان به:
1) 4 الی 5 برابر شدن خاصیت انعطاف پذیری لاستیک
2) افزیش 2 الی 2.5 برابری درجه استحکام
3) افزایش حد شکستگی تا حدود Kg/cm²  700-620
4) 3 برابر شدن قدرت بریده شدن آنها
و همچنین به اندازه خیلی زیادی خاصیت ضدپارگی آنها در دمای بالا و پایین بهبود می یابد.

کاربرد ذرات نانومتری خاک رس در لاستیک:
یکی از مواد نانومتری که کاربردهای تجاری گسترده ای در صنعت لاستیک پیدا کرده است و اکنون شرکت های بزرگ لاستیک سازی به طور گسترده ای از آن در محصولات خود استفاده می کنند، ذرات نانومتری خاک رس است که با افزودن آن به لاستیک خواص آن به طور قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می کند که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1) افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش
2) افزایش استحکام مکانیکی
3) افزایش مقاومت گرمایی
4) کاهش قابلیت اشتعال
5) بهبود بخشیدن اعوجاج گرمایی

ایده های مطرح شده:
1) افزایش دمای اشتعال لاستیک: تهیه نانوکامپوزیت الاستومرها از جملهSBR مقاوم، به عنوان مواد پایه در لاستیک سبب بهبود برخی خواص از جمله افزایش دمای اشتعال و استحکام مکانیکی بالامی شود و دلیل اصلی آن حذف مقدار زیادی از دوده است.
2) کاهش وزن لاستیک: تهیه و بهینه سازی 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 3 تا 5 درصد نانوفیلر می تواند استحکام مکانیکی معادل 40 تا 45 درصد دوده را ایجاد کند. بنابراین با افزودن 3 تا 5 درصد نانوفیلر به لاستیک، وزن آن به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد.
3) افزایش مقاومت در مقابل نفوذپذیری گاز: نانوکامپوزیت الاستومرها به ویژه EPDM به دلیل دارا بودن ضریب عبوردهی کم نسبت به گازها به ویژه هوا می توانند در پوشش داخلی تایر و تیوب ها مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا یکی از ویژگی های نانوکامپوزیت EPDM مقاومت بسیار بالای آن در برابر نفوذ و عبور گازها می باشد. بنابراین این نانوکامپوزیت ها می تواند جایگزین مواد امروزی گردد. همچنین این نانوکامپوزیت ها از جمله الاستومرهایی است که می تواند در آلیاژهای مختلف با ترموپلاستیک ها کاربردهای وسیعی را در صنعت خوردو داشته باشد.
4) قطعات لاستیکی خودرو: نانوکامپوزیت ترموپلاست الاستومرها می تواند به عنوان یک ماده پرمصرف در صنایع ساخت و تولید قطعات خوردو به کار رود. از ویژگی های این مواد، بالا بودن مدول بالا، مقاومت حرارتی، پایداری ابعاد، وزن کم، مقاومت شعله می باشد. لذا نانوکامپوزیت ترموپلاستیک الاستومرهای پایه EPDM و PP می توانند تحول چشمگیری را در ساخت قطعات خوردو ایجاد نماید.
5) افزایش مقاومت سایشی لاستیک: استفاده از نانوسیلیکا و نانواکسیدروی در ترکیبات تایر سبب تحول عظیمی در صنعت لاستیک می شود. به طوری که با افزودن این مواد به لاستیک علاوه بر خواصی ویژه ای که این مواد به لاستیک می دهند، امکان افزایش مقاومت سایشی این لاستیک ها وجود دارد.
6) نسبت وزن تایر به عمر آن: با افزودن میزان مصرف یکی از نانوفیلرها می توان مصرف دوده را پایین آورد. به عبارت دیگر اگر وزن تایر کم شود، عمر لاستیک افزایش می یابد. بنابراین جهت بالا بردن عمرلاستیک کافی است با افزودن یک سری مواد نانومتری به لاستیک عمر آن را افزایش داد.

Nano Balance Technology for nano-level control of material development

Nano-level research and development for rubber material design processes

This proprietary platform technology relates to designing rubber materials based on nanotechnology. By integrating four nano-level elements of research, analysis, design and production into a technology development process, we can achieve optimal performance that precisely reaches required levels.

We believe that reducing energy loss associated with rubber is a key parameter in reducing rolling resistance and our nano-level research and analysis into rubber materials has resulted in validating data. However, nano-material design based on testing and research tends to rely too much on supplied materials so Toyo Tires established nano-level production techniques such as high-precision blending ratio regulation in order to establish a foundation for a tire’s environment performance enhancement. This method also supports volume-production.
Nano Balance Technology is the key to developing materials optimized for achieving specific tire performance requirements.

Nano-level research: Discovering the truth

Molecular-level observation of fillers and polymers comprising tire compounds.

Nano-level analysis: Understanding the mechanism

Analyzing and verifying reactions of observed rubber molecular structures under various movement conditions for forecasting optimum rubber materials.

Molecular dynamics simulation

Suppressing physical movements of rubber molecules (left chart) reduces heat generation, which in turn reduces energy loss from tires to control rolling resistance.

FEM

simulation for filler-containing rubber compositions

Friction between rubber materials is controlled by promoting their dispersion. Red color shows concentration of strain (deformation), and it was discovered that in the new rubber blend material deformation takes place more uniformly, indicating a smaller energy loss.

Nano-level material design: Combining best materials

Designing optimal rubber blends using the best materials identified through nano-level analysis, prediction and testing.

Filler dispersion

Aggregation of fillers (rubber reinforcing agents such as carbon black and silica) causes imbalances between the movements of fillers and rubber molecules. Good filler dispersion balances rubber and filler better to minimize energy losses.