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Articoli - Archivio

08/09/2014
SI FA PRESTO A DIRE GOMMA ...

Mescole di materiali


Le caratteristiche del materiale che costituisce il battistrada e i fianchi dei pneumatici dipendono in larga misura dal tipo e dalle dimensioni delle particelle di rinforzo 

Massimo Clarke

Quando si tratta di mescole, generalmente si pensa più che altro agli elastomeri impiegati per realizzare il battistrada. Cioè alle “gomme” e non a quello che a esse viene aggiunto. Eppure le cariche di rinforzo (dette anche fillers) possono essere presenti all’interno della mescola in una misura che spesso è addirittura dell’ordine del 40% e il loro contributo alle caratteristiche del prodotto finito è assolutamente fondamentale. E poi ci sono gli additivi: coagulanti, agenti antiossidanti, plasticizzanti, antiozonanti, cere, oli minerali ecc. Infine, assolutamente indispensabili, i prodotti necessari per ottenere una vulcanizzazione rapida e con formazione del corretto numero di legami trasversali tra le catene polimeriche: lo zolfo, gli attivatori e gli acceleranti.


Le caratteristiche finali della mescola sono legate non solo al tipo e alla quantità degli elastomeri presenti, e alle modalità con le quali si è svolta la vulcanizzazione, ma anche alle cariche presenti. Per quanto riguarda queste ultime sono fondamentali, oltre ai tipi utilizzati nei diversi casi, anche le dimensioni e la struttura delle particelle che le costituiscono. Occorre qui osservare che la mescola di un pneumatico si differenzia da un materiale composito tradizionale, del tipo rinforzato con particelle o granuli, in quanto tra queste ultime e la matrice (costituita da un assieme di molecole di elastomeri) hanno luogo delle interazioni che possono essere anche di natura chimica e che si verificano anche tra le particelle stesse. In effetti queste ultime si collegano una all’altra in modo da formare un sorta di struttura reticolare, che letteralmente “incorpora” una certa quantità di elastomero. In altre parole, la situazione vede delle catene polimeriche intrappolate, almeno in buona misura, tra gli agglomerati formati dalle particelle di filler. I legami fisici, oltre all’assorbimento superficiale, vedono in gioco anche le forze di van der Waals. Molto importanti sono la “bagnabilità” delle particelle di filler da parte del polimero e l’area superficiale specifica, ovvero il rapporto tra la superficie esposta (che può cioè entrare in contatto con l’elastomero) e la massa della carica di rinforzo. È evidente che particelle piccole risultano avvantaggiate sotto questo aspetto (non per quanto riguarda però l’incorporabilità nella matrice, che risulta meno agevole). Indicativamente le cariche più frequentemente impiegate hanno un’area superficiale specifica che va all’incirca da 10 a 250 m2/g. Molto importante in questa stessa ottica è anche la struttura delle particelle.

 

Per decenni la carica di rinforzo impiegata universalmente è stata il nerofumo (carbon black), del quale con l’evolversi della tecnologia sono stati messi a punto svariati tipi. Il materiale di partenza è in genere il petrolio, mentre hanno una utilizzazione molto limitata le tecniche di produzione che prevedono l’impiego del metano. A seconda delle dimensioni delle particelle, e con riferimento anche alle modalità con le quali si svolge il processo produttivo (fondamentale nel determinare le dimensioni stesse), i carbon black vengono suddivisi in più “serie”. Possono cioè essere di diversi tipi, ciascuno dei quali contribuisce in misura maggiore o minore a determinare certe caratteristiche finali della mescola. Per quanto riguarda gli effetti determinati dalla aggiunta di questo filler, al crescere della quantità di nerofumo aumentano la durezza, l’isteresi e la resistenza a trazione della gomma, che diventa più rigida e vede salire notevolmente la propria resistenza all’usura. Le particelle primarie impiegate nell’industria dei pneumatici hanno generalmente diametri compresi tra 10 e 200 nm, corrispondenti a 0,01 – 0,2 micron. Sono dimensioni ridottissime, ma del resto si tratta di quella che viene anche chiamata fuliggine. Queste particelle, formate da cristalliti di carbonio, quando si uniscono formano degli aggregati “a grappolo”, che a loro volta possono riunirsi e costituire degli agglomerati di nerofumo.

  

Negli ultimi anni del ventesimo secolo al carbon black si è aggiunto un altro filler che ha rapidamente ottenuto una grande diffusione per le sue eccellenti caratteristiche e che oggi trova largo impiego nelle mescole dei pneumatici. Si tratta della silice amorfa. L’impiego di questa carica di rinforzo migliora la resistenza all’abrasione, al calore e al taglio ed è vantaggiosa ai fini della resistenza all’impatto, della durezza e della rigidezza della mescola. Queste apprezzabili qualità sono analoghe, almeno in larga misura, a quelle ottenibili utilizzando il nerofumo (anche se occorre tenere presente che con uno stesso polimero si possono ottenere risultati sensibilmente diversi utilizzando cariche differenti). All’atto pratico, per quanto riguarda l’utenza, i vantaggi derivanti dalla presenza di una certa quantità di silice nella mescola si possono riassumere in una leggera ma non trascurabile diminuzione della resistenza di rotolamento (con conseguente lieve riduzione dei consumi) e in un miglior grip sui fondi bagnati e alle basse temperature.

 

Per incorporare la silice nella matrice formata dai polimeri è necessario “attivarla” utilizzando dei silani, che ricoprono le particelle di questo filler e le mettono in grado di attaccarsi alle catene di elastomeri. Inoltre i silani, che nella chimica del silicio sono gli omologhi degli idrocarburi in quella del carbonio, si rivelano vantaggiosi anche per quanto riguarda le reazioni che hanno luogo durante la vulcanizzazione.

 

La silice è ossido di silicio (SiO2), e in questo caso viene ottenuta generalmente mediante un processo di precipitazione, partendo dal silicato di sodio. I fattori che determinano le caratteristiche del prodotto finale sono la temperatura alla quale si effettua il processo, il tempo di precipitazione e il grado di acidità della soluzione di partenza (la formazione della silice e la sua separazione hanno luogo grazie alla aggiunta). Nelle mescole per i pneumatici la silice viene di norma utilizzata unitamente al nerofumo.



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