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24/04/2017
SILICE LA PIETRA FILOSOFALE DEL TERZO MILLENNIO?

MATERIE PRIME

 

Finora l’abbinamento della gomma naturale con i filler a base di silice, che donano bassa resistenza al rotolamento, si è dimostrato quasi impossibile ma tutto il settore sta provando a risolvere questa difficoltà: aumentare la scorrevolezza dei pneumatici per i camion mantenendone la resistenza è un risultato che fa gola a tutti.

Nicodemo Angì

Una moderna copertura è qualcosa di estremamente evoluto, il frutto di più di 160 anni di ricerche e sperimentazioni: la scoperta dei miglioramenti nelle qualità chimico-fisiche introdotti nella gomma naturale dall’aggiunta di zolfo e suoi composti, ad opera di Charles Goodyear, risale infatti al 1855. A partire da quella data, che segna probabilmente l’inizio della moderna industria della gomma, le mescole si sono evolute in maniera incredibile, incorporando una quantità impressionante di additivi e cariche che migliorano le caratteristiche della gomma, naturale nei primi decenni e poi progressivamente affiancata da polimeri sintetici.

 

Un mondo di additivi

Gli additivi sono un vero ginepraio, anche per chi non è a digiuno della materia, sia perché sono moltissimi sia perché molti di loro hanno nomi impronunciabili. Queste sostanze sono acceleranti, attivatori, rinforzanti, inibitori, antiossidanti, antinvecchianti e altri ancora. Fra i primi troviamo mercaptoarentiazoli e poi acido benzoico, ammine, fenoli, alcoli superiori, solfato di bario e, ovviamente, i ben più conosciuti nerofumo e la silice.

Anche la materia prima principale, ossia la gomma, è tutt’altro che definita, nel senso che viene impiegata sia quella naturale sia quella artificiale, composta a sua volta da vari polimeri. I vari tipi di gomma coesistono nelle coperture ed è interessante notare che la gomma naturale è generalmente proporzionalmente più presente nei pneumatici per i veicoli industriali: nei veicoli leggeri abbiamo circa il 14% di gomma naturale e del 27% di gomma sintetica mentre in quelli pesanti le percentuali valgono 27% e 14%, con un’inversione nei “pesi” relativi.

In entrambi i tipi di coperture uno dei principali additivi rimane la silice, una specie di pietra filosofale che si è dimostrata in grado di ottimizzare caratteristiche a prima vista contrastanti, come il grip e la resistenza all’usura. I vantaggi dei riempitivi (filler) a base di silice li si sono potuti apprezzare a partire dalla sua introduzione nelle gomme sintetiche, cosa accaduta intorno ai primi anni ‘90.

 

Al centro della scena

La “fama” di questo materiale, dopo quasi 30 anni, è ancora immutata e basta pensare al fatto che in ogni brochure di pneumatico che si rispetti o durante le presentazione i riferimenti a questa sostanza sono sempre copiosi e circostanziati. Questo è il caso dei pneumatici per le automobili, che vedono la gomma sintetica come componente maggioritaria; quelli che contengono molta più gomma naturale, come la maggior parte dei pneumatici per i camion, hanno beneficiato in minor misura dei vantaggi della silice. Ma ci sono segnali che fanno capire che le cose potrebbero cambiare, dato che le ricerche in tal senso si moltiplicano.

Sicuramente ci sono buone ragioni per usare la gomma naturale nei pneumatici pesanti, dato che gomme artificiali come il poliisoprene sintetico sono piuttosto simili, dal punto di vista chimico, alla gomma naturale ma non raggiungono la sua resistenza. I polimeri che li compongono sono molto simili ma quelli artificiali non contengono le proteine e i fosfolipidi che rinforzano, come filler nativi, la gomma naturale. Essi mancano inoltre di quel processo di cristallizzazione indotto dallo sforzo che contribuisce a migliorare la resistenza alla trazione della gomma naturale. Questo è molto importante per i pneumatici che devono spostare un camion da 40 tonnellate o sostenere un aereo di linea che atterra a diverse centinaia di km orari. Finora l’abbinamento della gomma naturale con i filler a base di silice, che donano bassa resistenza al rotolamento, si è dimostrato quasi impossibile ma tutto il settore sta provando a risolvere questa difficoltà: aumentare la scorrevolezza dei pneumatici per i camion mantenendone la resistenza è un risultato che fa gola a tutti.

 

La silice va aiutata

Uno degli istituti di ricerca più attivi è l’Elastomer Technology and Engineering (ETE) presso l’olandese University of Twente, guidato dal 2014 dalla professoressa Anke Blume: essa è convinta che, nonostante le difficoltà, si possa arrivare a una soluzione praticabile su scala industriale. La Blume spiega che esistono differenze significative tra la gomma naturale e quella sintetica ed esse impediscono di utilizzare nella gomma naturale lo stesso insieme di proteine e fosfolipidi, molecole altamente polari (ossia molecole che, pur essendo non ionizzate, evidenziano delle cariche parziali causate dalla loro forma non simmetrica). Questo significa che esse “competono” con i silani (si tratta di una classe di composti simili agli idrocarburi ma con atomi di silicio al posto di quelli di carbonio), sostanze usate come agente per accoppiare la gomma sintetica alla silice. Inoltre nella gomma naturale manca il vinile e i suoi legami che aiutano la gomma sintetica a formare forti collegamenti con i filler. Una soluzione è quella di “funzionalizzare” la gomma naturale con un gruppo epossidico: gli esperimenti del team guidato da Anke Blume dimostrano che usando un 20-30% di epossidazione si riesce a creare un legame abbastanza buono con la silice, anche se è comunque necessario utilizzare una piccolo quantità di silano. I gruppi epossidici hanno formula CH2-O-CH e danno il nome alle famose resine usate negli adesivi speciali e nella creazione di compositi.

 

Ricerche globali

Le difficoltà non sono ancora risolte: rimangono per esempio da superare complicazioni inerenti la miscelazione perché non è per nulla semplice trovare un mix di materiali che siano abbastanza reattivi da combinarsi facilmente durante la vulcanizzazione ma che non reagiscano così velocemente da aumentare troppo la viscosità.

In ogni caso la strada della epossidazione della gomma naturale sembra promettente: uno studio del Malaysian Rubber Board (la Malesia è uno dei principali produttori di gomma naturale) conferma le conclusioni del gruppo della professoressa Blume e fornisce altri dettagli sul meccanismo d’azione dell’epossidazione. L’epossidazione aumenta infatti la polarità della gomma naturale e la rende quindi più “compatibile” con la silice, anch’essa altamente polare. Test compiuti dal Malaysian Rubber Board su una mescola sperimentale hanno infatti evidenziato una migliore resistenza all’usura, un grip migliore in condizioni di strada umida e una resistenza al rotolamento minore, indicando che la positiva azione della silice, già riscontrata nei pneumatici delle automobili, si può esplicare anche nelle mescole ad alto tenore di gomma naturale. Anche il Gruppo Sumitomo è giunto a conclusioni simili e quindi e assai probabile che avremmo pneumatici per impieghi pesanti più “verdi” perché alla loro costruzione, che usa un’aliquota maggiore di sostanze naturali, si aggiungeranno migliori caratteristiche di scorrevolezza e quindi di risparmio energetico.

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