کاربرد فناوری نانو در لاستیک خودرو

مقدمه

برطبق آمارهای ارائه شده صنعت خودروسازی در سال 2004 بازاری حدود 54.2 بیلیون دلار آمریکا را داشته است که در سال 2015 این رقم به 137.4 بیلیون دلار خواهد رسید. 8.6 بیلیون دلار از این حجم معاملات با استفاده از فناوری نانو حاصل می شود که صنعت لاستیک سازی از استفاده کنندگان اصلی این فناوری به حساب می آید.

موارد استفاده از فناوری نانو در لاستیک خودرو اعم از نانوفیلرها و نانوکامپوزیت است که به لاستیک ها خواص ویژه ای می دهد. همچنین صنایع خودرو در دنیا به سمت استفاده از نانو PP ( نانوپلی پروپیلن) سوق پیدا کرده است و علت اصلی آن خواص مناسب از جمله سبکی، مقاومت حرارتی و مقاومت ضربه اینگونه مواد است. بنابراین رسیدن به خواص مطلوب ضرورت توجه به آن را بیش از هرچیز دیگر برای ما نمایان می سازد.

نانوذرات در لاستیک

چنانچه بخواهیم لاستیک ها را مورد مطالعه قرار دهیم خواهیم دید که انواع و اقسام لاستیک ها در کاربردهای مختلف استفاده می شود و هر کدام خصوصیات مربوط به خود را دارد. لاستیک دوچرخه، تراکتور، کامیون، خودروهای سواری، موتورها و … همه در خصوصیات با هم متفاوتند. اما در یک بررسی کلی می توان اجزای لاستیک را مورد بررسی قرار داد. لاستیک از آج، شیارها، برجستگی های میانی، شیارهای مقابل هم و سوراخ های کوچک و همچنین نگهدارنده داخلی تشکیل شده است.

شکل1- هر یک از قسمتهای لاستیک برای کار خاصی در نظر گرفته شده اند و هر کدام ویژگیهای مختص به خود را دارد.

در سال های اخیر، افزودن نانو ذرات ترکیبات مختلف به منظور بهبود خواص لاستیک ها و به طور خاص تایرها، کاربرد فراوانی پیدا کرده است. حضور نانو ذرات به دلیل پیوندهایی که در مقیاس اتمی بین آنها و ترکیبات لاستیک صورت می گیرد، علاوه بر این که خواص فیزیکی آنها بهبود می یابد باعث افزایش مقاومت سایشی، افزایش استحکام (بهبود خاصیت مکانیکی)، بهبود خواص حرارتی، افزایش حد پارگی و حد شکستگی و زیبایی ظاهری لاستیک می شوند. همچنین همواری، صافی و ظرافت شکل ظاهری تایر را سبب می شوند. همه این عوامل موجب ایجاد محصولی مرغوب، با کیفیت عالی، زیبا و بازارپسند که توانایی رقابت در بازارهای جهانی را داشته باشد، می شود. بر اساس تحقیقات به عمل آمده چندین ماده نانومتری در صنایع لاستیک سازی کاربرد فراوانی یافته اند که از این جمله می توان به نانوذرات اکسید روی، نانوذرات کربنات کلسیم، نانوذرات آلومینا، نانوذرات الماس، نانورس و فولرین ها اشاره نمود که در این بین، نانو ذرات کلسیم کربنات (CaCO3) به دلیل صرفه اقتصادی، دسترسی فراوان و نسبت ابعاد به حجم قابل قبول، گسترش بیشتری یافته اند. حضور این مواد در ترکیبات لاستیک با توجه به ایجاد پیوندهایی که در مقیاس اتمی بین این مواد و ترکیبات لاستیک ایجاد می شود، خواص فیزیکی ترکیبات لاستیک حاصل را بسیار بهبود می بخشد.

امروزه الاستومرهایی مانند لاستیک های طبیعی (NR)، پلی ایزوپروپن، لاستیک های بوتادین استایرن، لاستیک های بوتیل، Poly crylic، الاستومرهای فلوئوری و … گستره وسیعی در تولید تایرها، لوله های داخلی، قطعات خودرو، لوازم خانگی و ساختمانی، تجهیزات کشاورزی و روکش مخازن و… دارند. الاستومرها معمولاً با کربن یا سیلسیم به عنوان پرکننده ، تقویت می شوند. این تقویت خواص، عمدتا بر اساس فعل و انفعالات فیزیکی بین زمینه و فیلرها صورت می گیرد.

یکی از بزرگ ترین تولیدکنندگان تایر به نام Cabot با موفقیت نانوذرات کاربیدسیلیکا را که توسط Nanoproducts Corporation Colorado ، با نام تجاری Pure Nano طراحی شده بود، تست نمود. با افزودن این نانوذرات به تایر، سایش 50 % کاهش یافت. کمپانیهایی آمریکایی مانند Nanocor و Inmat نانوذرات خاک رس تولید می کنند که می تواند با لاستیک مخلوط شود. آنها قراردادی را با Michelin (یکی از مهم ترین تولیدکنندگان) تایر نیز امضاء کرده اند . با استفاده از این نانوذرات، مقدار لاستیک بوتیل موردنیاز تایرها کاهش می یابد و تایرها سبک تر و ارزانتر خواهند شد و در حین حرکت خنک تر می مانند.

شرکت Mars Lander از آیروژل که از میلیونها نانوحباب هوا تشکیل شده ، در تایر استفاده کرده است که قسمت اعظم آن (98%) از هوا تشکیل شده است. بنابراین لاستیک تماماً با نانو مواد فوق سبک جایگزین می شود.کمپانی آمریکایی Good Year نیز در این زمینه از آئروژل های سیلیکا در تایرها استفاده کرده است.

نانوذرات اکسید روی  

اکسید روی عمدتاً در صنعت لاستیک سازی استفاده می شود و باید میزان ناخالصی های مس و منگنز و آهن موجود در آن به حداقل رسیده باشد. مصارف زیاد اکسید روی مربوط به عایق بودن آن در مقابل جریان الکتریسیته و هدایت الکتریکی، ظرفیت حرارتی زیاد، خاصیت چسبندگی خوب، قدرت پوشش عالی، مقاومت کافی در مقابل اشعه مخصوصاً اشعه ماوراء بنفش و داشتن ثابت دی الکتریک متوسط آن است. اکسیدروی در صنعت لاستیک سازی نقش شایانی داشته و یکی از معمول ترین فعال کننده ها است و سبب کاهش زمان پخت شده و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. و در ضمن فعال کنندگی مقاومت حرارتی را نیز افزایش می دهد.

نانوذرات اکسیدروی (NanoZnO) ذراتی غیرآلی وبه دلیل سطح موثر بسیار زیاد از لحاظ شیمیایی بسیار فعال هستند. کوچکی کریستال ها و خاصیت غیرچسبندگی آنها باعث شده که نانوذرات اکسیدروی به صورت پودر زردرنگ کروی و متخلخل باشد. استفاده از این نانوذرات در لاستیک باعث صافی و همواری شکل ظاهری، زیبایی و ظرافت بخشیدن به آن، افزایش دوام لاستیک و حفظ استحکام در دمای بالا و بهبود حد پارگی، طول عمر زیاد، مقاومت سایشی(خاصیت ضد اصطکاکی و سایش)، و … می شود که همگی اینها به صورت تجربی ثابت شده است. بهبود خواص فیزیکی لاستیک در اثر اضافه شدن نانوذرات اکسید روی، ناشی از پیوند ساختار نانوذرات اکسیدروی(ZnO) با مولکول لاستیک است که در مقیاس اتمی صورت می‌گیرد.

شکل2- نانوذرات اکسید روی

از دیگر 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.

نانوالماس

پودر نانومتری الماس نوع جدیدی از پودرهای سنتزی نانومتری بسیار سخت(SuperHard) محسوب می‌شود. از بررسی‌های میکروسکوپی انجام شده بر روی پودر نانومتری الماس مشخص شده است که ذرات پودر نانومتری الماس به صورت یک مجموعه (Cluster) بوده و شکل ذرات نانو الماس کروی است (شکل 3). در واقع، یک ذره الماس از یک هسته فشرده بلورین از جنس الماس و یک لایه‌ سست خارجی حاوی انواع پیوندهای کربن – کربن و پیوندهای غیرهمجنس(Heterobonds) تشکیل شده است.

شکل3- ذرات کروی نانو الماس

30 درصد نانو اتم‌های الماس روی سطح آن قرار گرفته‌اند و همین مسئله خواص ویژه‌ای به آن داده است. حداکثر اندازه تک دانه‌های نانو‌الماس 10 نانومتر و متوسط اندازه ذرات بین 4 تا 6 نانومتر است. همچنین بررسی‌های انجام شده با استفاده از اشعه ایکس‌ (XRD) بر روی پودر نانومتری الماس نشان می‌دهد که ذرات موجود در این پودر از جنس الماس با ساختار مکعبی می‌باشند. مطالعات مربوط به شناسایی کیفیت سطح پودر نشان می‌دهند که سطح ذرات با گروه‌های عامل پوشیده شده است که نوع و مقدار این گروه‌ها در محصولات مختلف متفاوتند . این گروه‌ها اغلب از نوع گروه ‌های اکسیژن‌داری هستند که بر روی سطوح ذرات، بار منفی ایجاد می‌کنند.

پودر نانومتری الماس در هوا تا دمای ºC 500 و در خلاء یا محیط الکلی تا دمای 1000 درجه سانتیگراد الی 1100 درجه سانتیگراد مقاوم است. دمای ºC 1100  دمای شروع تبدیل‌شدن الماس به گرافیت است. این پودر نانومتری الماس از نظر شیمیایی در برابر محیط‌های اسیدی ، قلیایی ، مواد اکسیدکننده و حلال‌های آلی در شرایط محیطی و دمای بالا مقاوم است. نتایج بررسی وضعیت ناخالصی‌های احتمالی موجود در پودر نانومتری الماس نشان می‌دهد که میزان ناخالصی موجود در هر پودر نانومتری 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، تیتانیم و همچنین مقادیر جزئی از سایر فلزاتی است که به نحوی در فرآیند تولید و تخلیص نانوالماس حضور دارند، معمولاً بر اساس خاکستر باقی‌مانده پس از سوزاندن تعیین می‌شوند . مواد کربنی غیر از الماس، ناخالصی محسوب نشده و ترکیبات مفیدی برای کاربردهای نانوالماس محسوب می‌شوند. در جدول1، برخی از خصوصیات پودر نانومتری الماس ارائه شده است.

جدول 1- ویژگی‌های نانوالماس

نانوالماس در لاستیک

نانوالماس در کامپوزیت ها، لاستیک ها، مواد ضد اصطکاک و روان کننده ها به کار می رود. این ساختارهای نانومتری الماس با روش احتراق، تولید می شوند. نانو الماس دارای خواص برجسته‌ای است که ساختار کریستالی (بلوری)، شکل کاملا کروی ، قدرت شیمیایی بسیار بالا(سطح شیمیایی کاملا ناپایدار)، ساختمان شیمیایی بسیار محکم و فعالیت جذب سطحی بسیار بالا از جمله این خواص هستند. نانوالماس با درصدهای ترکیب مختلف به انواع لاستیک ها اضافه می شود. از این لاستیک در صنعت خودرو و لوله های انتقال آب استفاده می گردد. با اضافه کردن ساختارهای نانوالماس به لاستیک ها خواص زیر تغییر می کند:

1-      افزایش 4 الی 5 برابری خاصیت انعطاف پذیری لاستیک

2-      افزایش 2 الی 2/5 برابر درجه استحکام

3-      افزایش حد شکستگی تا حدود Kg/Cm2 700-620

4-      ۳ برابر شدن قدرت بریده شدن آنها

5-      افزایش خاصیت ضد پارگی در دمای بالا و پایین

در روسیه، الماس نانومتری با درصدهای مختلف در لاستیک طبیعی، Poly Soprene Rubber FluorineRubber با هدف ساخت لاستیک هایی که در صنعت کاربرد دارند (تایر خودروها، لوله های انتقال آب و …) مورد استفاده قرار می گیرد.

نانوکامپوزیت های سیلیکاتی

با به کار بردن نانوکامپوزیت های سیلیکاتی در آمیزه ی لاستیک ها، موجب افزایش طول عمر و کاهش وزن لاستیک می شود. افزایش استحکام لاستیک از اهمیت ویژه ای در صنایع خودروسازی برخوردار است و از دیرباز دوده به عنوان کاربردی ترین تقویت کننده درآمیزه های لاستیکی مطرح بوده است. ولی معایبی مانند رنگ همواره مشکی، وابستگی به منابع نفتی وکاهش فرآیندپذیری آمیزه با افزایش مقدار آن و افزایش چگالی ماده را به همراه دارد. استفاده ازنانوسیلیکات های لایه ای به عنوان تقویت کننده های قدرتمند و چند منظوره برای تهیه نانوکامپوزیت های پلیمری، در سا لهای اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفته است.

استفاده از نانوسیلیکات لایه ای منجر به کاهش مقدار دوده مصرفی در آمیزه ی لاستیک می شود و چگالی آمیزه را کاهش می دهد، به این طریق می توان فراورده هایی با وزن کمتر تولید نمود. با کاهش وزن تایرها، مصرف سوخت در وسیله ی نقلیه کاهش می یابد و موجب کاهش آلودگی محیط و صرفه جویی در مصرف انرژی می گردد. سایر ویژگی ها و خواص نهایی آمیزه هم بهبود می یابد و موجب افزایش طول عمر تایر می شود.

نانورس

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

6) پایداری ابعادی در برابر گرما

لاستیک هایی که خاک رس نانویی به آ نها افزوده شده به وسیله کمپانی ExxonMobil توسعه پیدا کرده و به صورت تجاری درآمده است. این محصول تا 50 درصد بیشتر از لاستیک های هالوبوتیل توانایی محبوس نگاه داشتن هوا را دارد و به مرور زمان با نرخ کمتری کم باد می شوند.

استفاده از نانومواد به شکل برخی از انواع خا ک رس لایه نظیر خاک رس Montmorillonite به وسیله شرکت Pirelli، توسعه یافته است. استفاده از این نانوساختارها منجر به ایجاد رفتار همگن و یکنواخت طولی و عرضی لاستیک خودرو می شود که این خاصیت باعث افزایش استحکام ، افزایش پایداری خاصیت ترموپلاستیک و کاهش نرخ پوسیدگی لاستیک می شود.

منابـــــع :

1. ابوالقاسم کوچکی، علی عباسی، حامد افشاری، حسین شکی، عمادالدین هراتی فر،امیرحسین میردامادیان ، “فناوری نانو در صنعت خودرو و کاربردهای آن” ، چاپ دوم ، تهران ، دبیرخانه ستاد ویژه توسعه فناوری نانو ، 36-35 و 95-92 .

2 . http://edu.nano.ir/

3. راحله محمدپور ، “نوآوری های فناور ی نانو در لاستیک های خودرو” ، ماهنامه فناوری نانو ، 176، صفحه 29 ، خرداد 91 .
4. گزارش هم اندیشی اول با عنوان کاربرد فناوری نانو در صنعت لاستیک ، سفارش دهنده:کمیته ترویج ستاد توسعه فناوری نانو، بهمن ماه 83
5. محسن مرادپور، امیر قاسمی ، تاثیر ذرات نانو کربنات کلسیم بر تایر خودرو ،ماهنامه صنعت خودرو http://www.sanatekhodro.com/sites/144/Pages/nano%20carbonat%20144.aspx

6 . http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=196736

.7  http://nano.ir/paper.php?PaperCode=696