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Articoli - Archivio

01/03/2019
Nanomateriali, i "giganti" amici delle gomme

Materiali innovativi

 

Per diversi produttori l’impiego di questa tecnologia rappresenta una sfida per realizzare pneumatici sempre più performanti

Nicodemo Angì

Le “gomme”, lo sappiamo bene, non sono fatte di soli elastomeri, naturali o sintetici che siano: molti altri materiali e sostanze entrano infatti nella costruzione delle coperture.

Alcuni di essi sono visibili a occhio nudo, essendo anzi di dimensioni rilevanti. Le “tele” (che ormai sono praticamente sempre di materiali sintetici invece che di fibre naturali), le cinture e i cerchietti d’acciaio dei talloni sono infatti ben evidenti sezionando un pneumatico.

Anche quel che è troppo piccolo per poter essere visto a occhio nudo è però di somma importanza e non parliamo soltanto delle macromolecole degli elastomeri.

 

Piccolo è bello (e diverso)

I filler sono infatti basilari nel trasformare un materiale molto (troppo) morbido in una mescola capace di altissime prestazioni in termini di grip, comfort e resistenza all’usura.

I filler minerali sono usati universalmente per le loro capacità di migliorare la resistenza e la rigidità delle gomme, sintetiche o naturali che siano, ma la bontà delle loro prestazioni dipende da vari fattori come la dimensione e la forma delle particelle. Molto importanti sono poi la loro “attitudine” a disperdersi (e l’orientamento che assumono) nella matrice di gomma, l'adesione con le catene polimeriche e le interazioni filler-filler.

Scendendo con le dimensioni si entra nel campo dei nanomateriali e si riscontra che le particelle con dimensioni medie comprese fra 1 e 100 nm (1nanometro = 1 nm = 1 milionesimo di millimetro) sono molto utili. A queste scale dimensionali i filler possono infatti migliorare sostanzialmente le proprietà della mescola già con concentrazioni relativamente piccole. Alcuni nanomateriali evidenziano inoltre ulteriori o diverse proprietà rispetto a particelle della stessa sostanza di dimensioni più grandi.

 

Rimbalzare o assorbire?

Se il nerofumo (carbon black) è presente quasi dagli albori dell’industria moderna, la silice è stata introdotta più di recente ed è impiegata con successo in molti settori.

Il nerofumo è infatti di grande utilità nel rinforzare la gomma ma ha anche degli effetti negativi quali proprietà dinamiche non eccelse. Esse possono essere migliorate con l’impiego della silice, che riesce a diminuire la resistenza di rotolamento rispetto al solo impiego del nerofumo. Essa infatti modifica in maniera favorevole l’isteresi della gomma che compone i pneumatici.

Possiamo pensare all’isteresi come a una misura degli attriti interni dei pneumatici, “perdite” che dissipano l’energia elastica immagazzinata da un materiale. Se una molla d’acciaio compressa restituisce, una volta liberata, praticamente tutta l’energia elastica che ha immagazzinato, un blocco di gomma ne rende invece ben poca avendo un’isteresi molto più alta.

 

Governare le frequenze

Il rotolamento di un pneumatico implica grandi deformazioni a bassa frequenza (una copertura 195/50 R15 ruota a circa 1.000 giri/minuto quando va a 109 km/ora), connesse alla flessione di fianchi e battistrada in corrispondenza dell’area di contatto. Le micro deformazioni del battistrada sulle asperità dell’asfalto, così importanti per il grip, hanno invece una frequenza molto maggiore. Una copertura dovrebbe avere idealmente una bassa isteresi a bassa frequenza, per diminuire la dissipazione energetica – e quindi l’attrito – connesso al rotolamento. L’isteresi dovrebbe essere invece elevata alle alte frequenze perché in questo modo l’adesione all’asfalto aumenterebbe e i filler a base di silice riescono a impartire all’isteresi questo comportamento.

Anche questo filler ha però un difetto, che è quello di non essere facilmente dispersibile nella mescola, che quindi non aderisce come desiderato a queste particelle; il ricorso alla nanosilice è comunque in grado di mitigare questo inconveniente.

I nanotubi di carbonio sembrano invece essere potenzialmente in grado di superare questi limiti, dato che l’adesione della gomme alla loro superficie è molto alta; il loro rapporto superficie/peso può arrivare a 1.300 m2/grammo contro i circa 145 del nerofumo. Questi componenti presentano inoltre elevatissima resistenza alla trazione e alta conducibilità del calore, cosa che permette una superiore stabilità termica eliminando riscaldamenti localizzati; benvenuta è anche la conducibilità elettrica che permette di scaricare meglio l’elettricità statica.

 

Nanomateriali alla ribalta

Essi permettono inoltre di ridurre i tempi di vulcanizzazione e uniformano la formazione dei legami fra gli elastomeri, una proprietà molto utile nel caso di manufatti di spessore elevato che vengono così vulcanizzati uniformemente.

L’impiego dei nanotubi diminuisce inoltre il peso dei pneumatici, permette la creazione di legami più forti fra le molecole degli elastomeri e migliora 2 caratteristiche apparentemente in antitesi come l’aderenza e la resistenza all’abrasione.

In generale si può dire che il miglioramento delle proprietà permesso dai nanomateriali deriva dalla formazione di legami chimici, dal mutamento della conformazione e dell’orientamento delle catene polimeriche e da una certa “immobilizzazione” di catene polimeriche adiacenti.

Un’altra promettente classe di filler è quella delle nanoargille, materiali naturali di vario tipo. Esse sono molto usate per diminuire la permeabilità all’aria ma il fatto di avere cariche superficiali le rende poco compatibili con alcuni elastomeri. L’inconveniente può essere superato con trattamenti specifici che però complicano il ciclo produttivo.

Un altro nanomateriale che sembrava promettente è l’ossido di zinco, dimostratosi in grado di facilitare la lavorazione della gomme e le proprietà fisiche, meccaniche e termiche delle mescole. Considerazioni legate all’ambiente e alla salute umana hanno però indotto l’industria a limitarne l’uso.

 

Biologico, nuova frontiera

La ricerca nel campo dei nanomateriali tocca anche un composto dal nome impronunciabile, il Polyhedral oligomeric silsesquioxane (Poss), traducibile con silsesquioxano poliedrico oligomerico. Queste molecole sono considerate le particelle più piccole della silice e hanno una struttura a “gabbia” nella quale possono esserci 8, 10 o 12 atomi di silicio. Il diametro è in ogni caso inferiore a 3 nm e queste dimensioni infinitesimali enfatizzano ancora di più le doti della silice.

Promettenti appaiono anche i filler di origine biologica, a basso impatto ambientale e non legati ai prezzi del petrolio.

A questa categoria appartengono, per esempio, derivati di polisaccaridi (zuccheri composti) come l’amido, la chitina, che si trova, per esempio, nell’esoscheletro degli insetti e la cellulosa, bulk e può essere utilizzato per lo sviluppo di bionanocompositi. Essi appaiono come promettenti sostituti del ben più inquinante nerofumo per il rinforzo delle gomme anche in presenza di carichi elevati; la loro produzione appare inoltre commercialmente fattibile.

L’effetto combinato delle piccolissime dimensioni di questi filler e della loro costituzione migliora l’adesione della matrice polimerica e le caratteristiche del manufatto.

La cellulosa, la chitina e l’amido sono i polimeri abbondanti, naturali, rinnovabili e biodegradabili che si prestano alla preparazione di nanofibre (cellulosa e chitina) e nanocristalli di amido.

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