برای اینکه تایرها در زمستان چسبندگی مناسبی به سطح زمین داشته باشند ، تنها مدل طراحی آج تایر کافی نیست. در طول چند صد سال گذشته از زمان طراحی اولین گل تایر مناسب برف، روش‌های مختلفی در صنعت تایر ظهور کرده‌اند. به تدریج، تولیدکنندگان تایر به این درک رسیدند که نسبت فضای خالی بیشتر و تعداد بالای بلوک‌های آج، هر دو باعث بهبود کشش می‌شوند. آنها همچنین اهمیت الگوی زیگ‌زاگ را تشخیص دادند.
چنین فناوری در تایرها تعداد لبه‌های گازگیر (biting edges) را افزایش می‌دهد که در شرایط زمستانی بسیار مفید هستند. اما هرچه بیشتر در آزمایش‌های خود پیش رفتند، بیشتر مشخص شد که چیزی کم است. آج تایر هنوز فاقد چسبندگی کافی بود. تا اینکه با شگفتی‌های علم شیمی به این نتیجه رسیدند که شاید ترکیب لاستیک و سیلیکا ایده خوبی باشد.
سیلیکا چیست؟
میشلن اولین شرکتی بود که در دهه ۱۹۹۰ یک مدل تایر با استفاده از سیلیکا به عنوان پرکننده تولید کرد. از زمانی که آنها سری تایرهای «Green Tires» (تایرهای سبز) خود را معرفی کردند، تقریباً همه تولید کنندگان دیگر این روش را دنبال کردند.
محتوی سیلیکا در تایر باعث میشود که حتی در شرایط آب‌وهوایی سخت نیز تایر به راحتی با سطح جاده تماس برقرار کرده و کشش ایجاد کند. اما دقیقاً سیلیکا چیست؟
سیلیکا، یا دی‌اکسید سیلیکون (SiO₂)، یک عنصر بسیار رایج است که در همه جای پوسته زمین یافت میشود. این ماده به اشکال مختلفی وجود دارد، از جمله کوارتز، کوئزیت، تری دیمایت و کریستوبالیت، که فقط به چند مورد اشاره میشود، اما احتمالاً آن را بیشتر به عنوان شن می‌شناسید.
با این حال، سیلیکا تنها توسط تولیدکنندگان تایر استفاده نمی‌شود. این ماده به طور گسترده‌ای در تهیه سیمان، ملات، بتن و ماسه‌سنگ نیز کاربرد دارد. برخی صنایع از آن برای صیقل دادن شیشه و سنگ استفاده می‌کنند. دیگران از آن به عنوان ماده اولیه برای قالب‌گیری و ساخت سنگ‌های قیمتی بهره می‌برند، و همچنین یک رطوبت‌گیر مناسب نیز هست.
زمین ما سرشار از سیلیکا است و این ماده عمدتاً به شکل کوارتز یافت میشود. این پرکننده شناخته‌شده را می‌توان در همه جا یافت، زیرا شن حاوی مقادیر زیادی از آن است. امروزه در حدود ۹۵ درصد از فرآیند تولید تایر از سیلیکا به عنوان یک ماده حیاتی استفاده میشود.
کامپاند تایر سیلیکایی چیست؟
مخلوط کردن چند ماده با هم، ترکیب لاستیک را ایجاد می‌کند. این فرآیند شبیه به آشپزی است، جایی که شما به چند ماده کلیدی به مقدار مناسب نیاز دارید تا در نهایت به غذای نهایی برسید. در فرآیند ساخت تایر، دو ماده مهم‌تر عبارت‌اند از کائوچوی طبیعی و کائوچوی مصنوعی.
همچنین به آنها پرکننده‌هایی اضافه میشود که معمولاً سیلیکا و کربن بلک (دوده صنعتی) هستند. صنعت تایر از افزودنی‌های شیمیایی دیگری مانند روغن‌ها و موم‌ها نیز استفاده می‌کند. زمانی که تولیدکنندگان کربن بلک پرکاربرد را با سیلیکای واکنش‌داده شده جایگزین می‌کنند، یک کامپاند سیلیکایی ایجاد میشود.
در صنعت، ترکیبات مختلف زیادی برای تایرها وجود دارد، زیرا هر شرکت سعی می‌کند ترکیب بهینه‌ای از مواد را پیدا کند. یک ترکیب لاستیک می‌تواند شامل ۳۰ تا ۴۰ ماده مختلف باشد و بسته به اینکه برای دیواره‌های جانبی، آج، لایه‌ها یا بدنه تایر ساخته شده باشد، تغییر کند.
چرا تولیدکنندگان تایر از سیلیکا استفاده می‌کنند؟
یکی از دلایلی که تولیدکنندگان تایر از سیلیکا به عنوان پرکننده استفاده می‌کنند، افزایش مقاومت تایر در برابر بریدگی، تراشه‌برداری و خردشدگی است. در گذشته، همچنین کشف شد که سیلیکا دو ویژگی کلیدی دیگر را بهبود می‌بخشد: دوام تایر را افزایش می‌دهد و با کاهش مقاومت غلتشی مصرف سوخت را کاهش می‌دهد. این بدان معناست که تایر به انرژی کمتری برای حرکت با همان سرعت نیاز دارد و این امکان را فراهم می‌کند که خودروی شما با سوخت کمتری حرکت کند.
متأسفانه، بهبود کامپاند با سیلیکا معایب خود را نیز به همراه دارد. مهندسان دریافتند که وقتی سیلیکا را با ترکیبات کائوچوی طبیعی مخلوط می‌کنند، نتیجه آن آج ضعیف‌تری است. اگرچه این کار مقاومت غلتشی را با موفقیت کاهش می‌دهد، اما بر مقاومت در برابر سایش و ساییدگی تأثیر منفی می‌گذارد. به همین دلیل است که ترکیب مواد باید بهینه‌سازی شود تا مدلی با تعادل مطلوب از ویژگی‌های عملکردی تولید شود.
سیلیکا به عنوان پرکننده در ترکیبات لاستیک
سیلیکا یک پرکننده در کامپاند لاستیک است که باید به نسبت مناسب استفاده شود. در ساخت یک تایر از ۱۲ تا ۱۵ ترکیب مختلف استفاده می شود و استفاده از نسبت صحیح هر یک از آنها کار آسانی نیست. به عنوان مثال، دیواره‌های جانبی و آج تایر از نظر ترکیب مواد لاستیکی مورد نیاز با هم تفاوت دارند.
می‌توان کامپاندسازی را به عنوان یک شاخه کامل از علم در نظر گرفت که نیازمند تحقیقات و آزمایش‌های دقیق است. شرکت‌های بزرگ تولید کننده تایر سرمایه‌گذاری زیادی برای کشف میزان سیلیکای مورد نیاز انواع خاصی از تایرها انجام می‌دهند. البته، پرکننده‌ها و مواد شیمیایی دیگری نیز در حال ظهور هستند که ترکیب‌سازی را حتی پیچیده‌تر می‌کنند.
آیا تایرهای سیلیکا خوب هستند؟
سیلیکا به مهندسان این امکان را داده است تا شروع به تولید تایرهای پیشرفته‌تری برای خودروها کنند. آنها می‌خواستند مدل‌های خود را چسبنده‌تر کنند بدون اینکه مزایای دیگر را از دست بدهند. در ابتدا فقط کربن بلک (دوده صنعتی) وجود داشت که مخلوط لاستیک را سخت‌تر کرده و اصطکاک را افزایش می‌داد.
این ماده از لغزش تایر جلوگیری می‌کرد و به بهبود ترمزگیری کمک زیادی می‌کرد. نقطه ضعف آن این بود که اصطکاک بالا باعث افزایش مصرف سوخت می‌شد. بعدها، آنها کربن بلک را با سیلیکا ترکیب کردند که نشان داد به طور قابل توجهی کیفیت را بهبود می‌بخشد.
این تایرها نه تنها خوب هستند، بلکه راه‌حلی برای بسیاری از مشکلاتی که تولیدکنندگان در آن زمان با آنها روبرو بودند، ارائه کردند. امروزه سیلیکا یک ماده کلیدی برای تقریباً تمام مدل‌های تولیدی در صنعت است. این به دلیل ویژگی‌های به‌طور قابل توجه بهبودیافته‌ای است که در مقایسه با تایرهای مبتنی بر کربن بلک ارائه می‌دهد.
سیلیکا چگونه کار می‌کند؟
در فرآیند تولید بیشتر تایرهای زمستانی و تمام‌فصل ، مهندسان سیلیکا را به ترکیب لاستیک اضافه می‌کنند. این ماده یکی از پرکننده‌های مورد استفاده در آج تایر است که چندین عملکرد دارد. در سطح مولکولی، سیلیکا باعث میشود مولکول‌ها به یکدیگر بچسبند. همچنین به تایرها امکان می‌دهد تا انعطاف‌پذیری خود را در برابر تغییرات دما حفظ کرده و مقاومت غلتشی را کاهش دهند.
مزایایی که سیلیکا ارائه می‌دهد غیرقابل انکار است و تولید و شکل‌دهی آن آسان است. تولیدکنندگان تاکنون با ساخت تایرهای دوست‌دار محیط زیست، بیش از ۵ میلیارد گالن روغن صرفه‌جویی کرده‌اند. این ماده به‌طور گسترده‌ای محبوب است و می‌تواند با بسیاری از محصولات دیگر در صنایع ریخته‌گری، شیشه و سرامیک ترکیب شود. سیلیکا یک ماده عایق عالی است و همچنین مقاومت در برابر حرارت را فراهم می‌کند. به زبان ساده، سیلیکا یک الاستومر است که در بسیاری از شرایط محیطی عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد.
ترکیب لاستیک که به کشش کمک می‌کند
پیش از استفاده گسترده از سیلیکا در صنعت، بهبود چسبندگی و کاهش مقاومت غلتشی به طور همزمان چندان واضح نبود. مهندسان تایر دو موضوع را می‌دانستند:
1 – ترکیب نرم باعث بهبود چسبندگی میشود، اگرچه باعث افزایش سایش آج و مقاومت غلتشی میشود.
2- ترکیب سخت مقاومت غلتشی را کاهش داده و آهسته‌تر ساییده میشود، اگرچه توانایی چسبندگی آن چندان خوب نیست.
این سه ویژگی — مقاومت غلتشی، سایش آج و چسبندگی — «مثلث جادویی» در ساخت تایر هستند. مهندسان باید همیشه این ویژگی‌ها را متعادل می‌کردند و هنگام طراحی تایرها، عوامل ذکر شده را در نظر می گرفتند.
با شروع استفاده از سیلیکا، آنها دریافتند که لزوماً نیازی به این تعادل نیست. در نهایت ماده‌ای پیدا کردند که هم توانایی تایر در ایجاد اصطکاک را بهبود می‌بخشد و هم کاهش مقاومت غلتشی را تضمین می‌کند. در عین حال، نرخ سایش آج نیز ثابت نگه داشته میشود.
کشف این «ترکیب جادویی»، رد نظریه مثلث جادویی را آسان کرد. برندها توانستند تایرهایی تولید کنند که سوخت کمتری مصرف می‌کنند و به انرژی کمتری برای غلتیدن نیاز دارند، بدون اینکه از کیفیت هندلینگ کاسته شود.
تایر زمستانی
تایرهای برفی دارای بلوک‌های بزرگ و برجسته و تعداد زیادی شیارهای زیگ‌زاگ برای بهبود چسبندگی در شرایط زمستانی هستند. با این حال، طراحی آج تنها بخشی از معادله است. بخش دیگر مربوط به شیمی است که بر ترکیب لاستیک تمرکز دارد.
با ترکیب کربن بلک و سیلیکا، آج کمی نرم‌تر میشود. این موضوع مقاومت غلتشی را کاهش داده و منجر به مصرف سوخت کمتر میشود. علاوه بر این، به شما امکان می‌دهد در دمایی پایین‌تر از نقطه انجماد رانندگی کنید، زیرا آج در طول عملکرد انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند.
همچنین، نکته مهم درباره یخ این است که حتی اگر آن را کاملاً نرم تصور کنیم، در واقع دارای ناهمواری‌های کوچکی است. سیلیکا انعطاف‌پذیری لازم را فراهم می‌کند تا در حین رانندگی، چسبندگی بهتری بر روی سطوح پوشیده از برف و یخ ایجاد شود. این ماده تضمین می‌کند که هر دو نوع تایر تمام‌فصل و زمستانی بتوانند در شرایط آب‌وهوایی زمستانی بر آسفالت مسلط شوند.
چسبندگی در شرایط خیس
سیلیکا چسبندگی مطمئنی را برای شرایط آب‌وهوایی مرطوب نیز فراهم می‌کند. این موضوع آن را به یک انتخاب ایده‌آل به عنوان پرکننده برای تایرهای تمام‌فصل تبدیل می‌کند. با افزایش چسبندگی، آج از لغزش جانبی جلوگیری کرده و چسبندگی و هندلینگ ثابتی را حتی در باران تضمین می‌کند.
استفاده از سیلیکا در ترکیب لاستیک می‌تواند چسبندگی در شرایط خیس را تا ۱۵٪ بهبود بخشد، بدون اینکه سایر ویژگی‌های مهم را فدا کند. از آنجایی که این ماده همچنین ترمزگیری را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد، می‌توانید انتظار داشته باشید که حتی در یک روز بارانی نیز مسافت ترمزگیری بسیار کوتاه‌تری داشته باشید.
دوام آج برای عمر طولانی‌تر تایر
با ترکیب کربن بلک و سایر مواد پرکننده، سیلیکا حتی می‌تواند باعث شود لاستیک‌ها عمر طولانی‌تری داشته باشند بدون اینکه از عملکرد آنها کاسته شود. این به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد لاستیک‌هایی با قیمت پایین‌تر تولید کنند که هنگام خرید جدید، گارانتی 112 تا 128 هزار کیلومتری دارند.
فناوری سیلیکا باعث نرم‌تر شدن آج لاستیک میشود، اما در عین حال آن را در برابر سایش آج و تشکیل سایش‌های نامنظم نیز مقاوم‌تر می‌کند.
کاهش مصرف سوخت
توانایی لاستیک در تغییر شکل و بازگشت به حالت اولیه تحت فشار رانندگی، مقاومت غلتشی آن را تعیین می‌کند. این پدیده به عنوان **تحریف کم‌فرکانس** شناخته میشود. یک لاستیک مبتنی بر سیلیکا دارای هیسترزیس کم (هیسرزیس: به معنای فشرده شدن و بازگشت به حالت اولیه) است، به این معنی که هنگام بازگشت از حالت تغییر شکل، انرژی کمتری بازمی‌گرداند. این ویژگی به کاهش مقاومت غلتشی و در نتیجه
به کاهش مصرف سوخت کمک می‌کند.
بهره‌وری سوخت با ترکیبات سیلیکا
مصرف بهینه سوخت به میزان انرژی مورد نیاز برای بازگشت لاستیک از حالت تغییر شکل بستگی دارد. این موضوع همچنین دلیل این است که اولین لاستیک‌های ساخته‌شده با سیلیکا، **لاستیک‌های سبز** نامیده می‌شوند. خودرویی که از چنین لاستیک‌هایی استفاده می‌کند، از کاهش **مقاومت غلتشی** به میزان ۲۰٪ بهره‌مند میشود. این کاهش مقاومت غلتشی مستقیماً به بهبود مصرف سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند، که باعث میشود لاستیک‌های مبتنی بر سیلیکا گزینه‌ای دوست‌دار محیط زیست و مقرون‌به‌صرفه باشند.
