كيف تُستخدم السيليكا في صناعة المطاط؟

التحول من الكربون الأسود إلى السيليكا (الكربون الأبيض) في تركيبات المطاط الحديثة

أصبح السيليكا، الذي يُعرف غالبًا باسم الكربون الأسود الأبيض، مادةً مفضلة في صناعة المطاط منذ أوائل التسعينيات، مع سعي الشركات للبحث عن بدائل أكثر اخضرارًا للكربون الأسود التقليدي. والسبب الرئيسي هو أن السيليكا يساعد المصنّعين على تحقيق التوازن المثالي بين أداء الإطارات الجيد والإنتاج الصديق للبيئة. فعلى سبيل المثال، يمكن لإطارات الشاحنات التجارية التي تحتوي على السيليكا في أوجهها تقليل مقاومة الدحرجة بنسبة تتراوح بين 20 و30 بالمئة مقارنة بالإصدارات التقليدية التي تعتمد على الكربون الأسود، وفقًا لأبحاث نُشرت في مجلة Frontiers in Materials العام الماضي. وقد دفعت القواعد الأشد صرامة المتعلقة بكفاءة استهلاك الوقود في المركبات، بالإضافة إلى تحسين قدرة الجر على الطرق المبتلة، هذا التحوّل إلى الأمام، خاصة في الأسواق الأوروبية وبعض مناطق أمريكا الشمالية حيث تميل المعايير البيئية إلى أن تكون أكثر تشددًا.

آليات تقوية السيليكا في مصفوفات المطاط

يُحسِّن السيليكا بالفعل مركبات المطاط بفضل تفاعلها الجسدي والكيميائي مع المادة. وبمساحة سطح تتراوح بين حوالي 150 و200 متر مربع لكل جرام، يُنشئ السيليكا روابط أقوى بين المواد المالئة والبوليمرات. علاوة على ذلك، يمكن للمجموعات الهيدروكسيلية الموجودة على سطحه تكوين روابط كيميائية فعلية عند دمجه مع عوامل الربط السيلانية. وقد بحثت دراسة حديثة نُشرت في عام 2024 هذه النانوكومبوزيتات المُحسَّنة واكتشفت أمرًا مثيرًا: أظهرت المواد المملوءة بالسيليكا مقاومة للتمزق أفضل بنسبة 15% تقريبًا مقارنةً بنظيراتها التي تستخدم الكربون الأسود. ولماذا؟ لأن الإجهاد يتوزع بشكل أكثر انتظامًا عبر كامل المادة. وتأتي ميزة أخرى من البنية غير المتبلورة للسيليكا مقابل الترتيب الشبيه بالجرافيت للكربون الأسود. وهذا الفرق يعني أن السيليكا يبدد الطاقة بشكل أفضل عندما تتعرض المادة لدورات متكررة من الشد والضغط، مما ينعكس على تحسن الأداء في الظروف الديناميكية مثل تلك الموجودة في الإطارات أو الختمات التي تتعرض لحركة مستمرة.

مقارنة الأداء في نتوءات إطارات الشاحنات: السيليكا مقابل الكربون الأسود

رغم أن السيليكا يتأخر عن الكربون الأسود في مقاومة التآكل بنسبة 5–8%، فإن عمر النتوء الأطول بنسبة 40% في ظروف الطرق الحقيقية يعوّض هذا العجز، ويرجع ذلك أساسًا إلى إدارة حرارية متفوقة وتقليل الاسترخاء.

الزيادة في اعتماد السيليكا في الإطارات عالية الأداء والصديقة للبيئة

أكثر من ثلثي إطارات الركاب الفاخرة الحالية تدمج ثاني أكسيد السيليكا كمادة معززة رئيسية. وقد دُفع بهذا التحول بشكل كبير بسبب قواعد الاتحاد الأوروبي الخاصة بتسمية الإطارات، وبسبب الاهتمام المتزايد من المستهلكين بتحسين استهلاك الوقود. وفقًا لبيانات حديثة من تقرير الكيماويات المتخصصة (2023)، لاحظ المصنعون تحسنًا بنسبة تتراوح بين 7 إلى 9 بالمئة في استهلاك الوقود في ظروف القيادة الحضرية عندما تحتوي إطارات الشتاء على مواد مالئة من السيليكا. كما أن قطاع المركبات الكهربائية المتنامي يدفع هذا الاتجاه قدمًا، لأن خصائص السيليكا تؤدي إلى احتكاك داخلي أقل، وهو ما أصبح مهمًا بشكل متزايد للسيارات التي تحمل حزم بطاريات ثقيلة، حيث يُعدّ كل جزء من الطاقة مهمًا.

تحسين تحميل المادة المالئة لتحقيق توازن في الخصائص الميكانيكية

تُعد النقطة المثالية لأداء السيليكا حوالي 60 إلى 80 جزءًا لكل مئة جزء من المطاط من حيث تحميل السيليكا. وعندما يتجاوز محتوى الحشو 100 جزء لكل مئة جزء من المطاط، تبدأ الأمور بالتعقيد. يصبح الخليط أكثر صلابة بشكل ملحوظ، عادةً بزيادة تتراوح بين 25 إلى 30 نقطة على مقياس شور A، ولكن هذا يأتي بتكلفة. تنخفض مقاومة التعب الانبساطي بشكل كبير جدًا، وأحيانًا بنسبة تصل إلى 40%. لحسن الحظ، أحرز التصنيع الحديث تقدمًا في هذا المجال. تساعد تقنيات مثل عمليات الخلط المتعددة المراحل في الحفاظ على قوة الشد أعلى بكثير من مستويات 18 ميجا باسكال، حتى مع بقاء درجات حرارة المعالجة أقل من 150 درجة مئوية. ويُعد التحكم في درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأنه يمنع تفعّل مادة السيلان مبكرًا أثناء الإنتاج، مما قد يؤدي إلى إتلاف الدفعة بأكملها.

تعزيز أداء الإطارات: دور السيليكا في مقاومة الدحرجة والتماسك على الطرق الزلقة

فهم 'المثلث السحري' لأداء الإطارات

يواجه مصممو الإطارات اليوم تحديًا دقيقًا بين ثلاثة عوامل رئيسية: كمية الوقود التي تستهلكها الإطارات (مقاومة الدحرجة)، وقدرتها على التماسك بالطرق المبتلة (عامل السلامة)، ومدة بقائها قبل أن تتآكل. وتُعد السيليكا عنصرًا مميزًا في هذا السياق، لأنها تساعد المصنّعين في التغلب على ما يُعرف غالبًا بمشكلة المثلث السحري. فعندما تشوه الإطارات أثناء القيادة، فإن السيليكا تقلل فعليًا من هدر الطاقة دون أن تجعلها تنزلق على الأسطح الرطبة. كما أظهرت أبحاث حديثة نشرها موقع Traction News في عام 2024 شيئًا مثيرًا للإعجاب أيضًا. وأشارت اختباراتهم إلى أن الإطارات التي تحتوي على السيليكا في المداس يمكن أن تقلل مقاومة الدحرجة بنسبة تتراوح بين 18 و24 بالمئة مقارنةً بخليط الكربون الأسود التقليدي، مع الحفاظ على فاعلية الفرملة على الأسطح المبللة بنفس المستوى أو حتى أفضل في بعض الأحيان.

كيف تُعدّل السيليكا سلوك الاسترخاء المتأخر والتماسك

الطبيعة المسامية للسيليكا تؤدي إلى التصاق أفضل بين البوليمرات والمواد الحشو مقارنة بالكربون الأسود، ما يعني تراكمًا أقل للحرارة عند ثني المواد بشكل متكرر. وينتج عن تقليل توليد الحرارة خلال هذه الدورات تحسنًا في كفاءة استهلاك الوقود للسيارات. تُظهر الاختبارات أن تقليل إنتاج الحرارة بنسبة تقارب 12% يمكن أن يرفع كمية الأميال المقطوعة بالوقود بنسبة تتراوح بين 5 إلى 7% في المركبات الركابية العادية. ما يثير الاهتمام هو الطريقة التي تعمل بها السيليكا كيميائيًا أيضًا. فخصائص سطحها القطبية تحسّن فعليًا من قبضة الإطارات على الطرق في الظروف الرطبة. وقد أظهرت اختبارات المختبر نتائج مثيرة للإعجاب إلى حدٍ كبير هنا، حيث زادت قوة الجر على الطرق المبتلة بما يصل إلى 30% في ظل ظروف خاضعة للتحكم.

مكاسب الكفاءة في استهلاك الوقود في المركبات الركابية باستخدام أسلاك مطاطية مملوءة بالسيليكا

تُبلغ شركات صناعة السيارات عن متوسط توفير في استهلاك الوقود يتراوح بين 0.3 و0.5 لتر لكل 100 كم باستخدام إطارات محسّنة بالسيليكا، كما أكد تحليل مجلة Fleet Equipment لعام 2024. ويُعادل هذا التوفير تخفيضًا سنويًا في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 120–200 كجم لكل سيدان نموذجي. وقد ارتفع معدل اعتماد هذه التقنية بنسبة 27٪ على أساس سنوي في قطاع السيارات بأوروبا، مدفوعًا بمعايير الانبعاثات الصارمة من الاتحاد الأوروبي التي تتطلب وضع علامات كفاءة على الإطارات.

السيليكا مقابل الكربون الأسود: الفروق الرئيسية في كيمياء السطح ومقايضات الأداء

مسارات متباينة في تقنية المعبئ من أجل التنقل المستدام

لقد عززت اتجاهات التنقل المستدام بشكل كبير من مكانة السيليكا كأحد أفضل المواد مقارنة بالكربون الأسود في تصنيع الإطارات. لا يزال الكربون الأسود مستخدمًا على نطاق واسع في التطبيقات الثقيلة، ولكن انظر إلى الأرقام هذه الأيام: تشير أبحاث شركة سميثرز الصادرة العام الماضي إلى أن السيليكا تمثل حوالي 70٪ من تركيبات إطارات الركاب جميعها. ولماذا؟ لأنها فعلاً تُحلّ تلك المفاضلات الصعبة التي تنشأ مع ما يُعرف في القطاع بمشكلة المثلث السحري. كما أن اللوائح التنظيمية التي تدفع نحو تحسين كفاءة استهلاك الوقود تسهم بلا شك في دفع هذا التغيير أيضًا. تُظهر الاختبارات أن الإطارات المصنوعة باستخدام السيليكا يمكن أن تقلل مقاومة الدحرجة بنسبة تقارب 30٪ عند مقارنتها مباشرةً بالبدائل التقليدية القائمة على الكربون الأسود.

الكيمياء السطحية وتفاعل البوليمر: لماذا تختلف روابط السيليكا

تحتوي سطوح السيليكا على مجموعات هيدروكسيل ترتبط فعليًا بجزيئات المطاط من خلال الروابط الهيدروجينية، وهو ما لا تقوم به الكربون الأسود نظرًا لامتلاكه طبقات جرافيتية غير قطبية. ونتيجةً لهذا الفرق في القطبية، تكون الرابطة بين السيليكا والمطاط أقوى عند واجهة التماس بينهما. ولكن هناك عقبة. فهناك حاجة إلى عوامل اقتران السيلان مثل TESPT، الذي يُعرف باسم ثنائي (ثريثوكسي سيلبروبيل) تيترا سلفيد، لمنع جزيئات السيليكا من التكتل معًا. وقد أشارت دراسات نُشرت في مجلة كيمياء المطاط والتكنولوجيا عام 2022 إلى أنه عند استخدام السيليكا مع TESPT، نحصل على عدد أكبر بنسبة 40٪ من الروابط العرضية مقارنةً بمخاليط الكربون الأسود التقليدية. وهذا يعني مقاومة أفضل للتمزق وخصائص ارتداد محسّنة بشكل عام. ومع ذلك، يجدر بالذكر أن الكربون الأسود لا يزال شائع الاستخدام لأنه أسهل في التعامل أثناء التصنيع ويُوصّل الكهرباء بشكل طبيعي، مما يجعله مناسبًا جدًا للتطبيقات التي يكون فيها تراكم الشحنات الساكنة مصدر قلق، مثل بعض البيئات الصناعية أو المكونات الخاصة بالمركبات.

التجاوُزات في مقاومة التآكل وقابلية المعالجة

يتضمن اعتماد السيليكا عدة تنازلات عملية:

• مقاومة الاحتكاك : إطارات الشاحنات التي تحتوي على السيليكا تُظهر معدلات تآكل أعلى بنسبة 15٪ مقارنةً بنظيراتها المصنوعة من الكربون الأسود (Fleet Equipment، 2023)، على الرغم من أن الفروق تكون ضئيلة في إطارات السيارات الخفيفة
• التحديات المعالجة : تتطلب مركبات السيليكا أوقات خلط أطول بنسبة 30٪ والتحكم الصارم بالرطوبة (<0.5٪ رطوبة) لضمان حدوث تفاعل السيلانة بشكل فعّال، مما يزيد التكاليف الطاقوية بمقدار 18 دولارًا للطن (Polymer Engineering & Science، 2022)
• تعقيد التوزيع : يمكن أن يؤدي التوزيع السيئ إلى تقليل قوة الشد بنسبة تصل إلى 25٪ مقارنةً بالدُفعات المخلوطة جيدًا

تشير التطورات الحديثة في صياغة المركبات إلى أن أنظمة السيليكا المعدلة بالسيلان يمكنها التخفيف من ما يصل إلى 80٪ من هذه العيوب في إطارات الشاحنات التجارية، مما يشير إلى تقارب مستقبلي في أداء المواد المالئة.

آلية اقتران السيليكا-السيلان والتقدم في تقنية السيلنة

التغلب على التوافق الضعيف بين السيليكا والمطاط

تُظهر المجموعات الهيدروكسيلية القطبية في السيليكا تأثيرًا طاردًا طبيعيًا للمصفوفات المطاطية غير القطبية، مما يؤدي إلى التصاق ضعيف عند واجهة الاتصال. ويُظهر المطاط المملوء بالسيليكا غير المعالج قوة شد أقل بنسبة 38٪ مقارنةً بنظيره المملوء بفقاع الكربون (ScienceDirect، 2020). وتُعد عوامل الربط السيلانية بمثابة جسور جزيئية، حيث تحوّل الواجهات غير المتوافقة إلى شبكات متينة ومترابطة تساهميًا.

كيمياء تفاعل السيلنة أثناء الخلط

يحدث عملية السيلنة في ثلاث مراحل أثناء التصنيع:

1. تحلل المجموعات الإيثوكسية (Si-OC₂H₅ → Si-OH)
2. الرابطة الهيدروجينية بين السيلانول وسطح السيليكا
3. التقاطع المرتبط بالكبريت مع سلاسل المطاط
   ما يزال مركب بيس-(ثلاثي إيثوكسي سيليل بروبيل) رباعي الكبريت (TESPT) العامل الرئيسي للربط، حيث تتحلل مجموعاته الكبريتية عند درجة حرارة 145°م مشكلة روابط بولي كبريتية. ويُسهم هذا التفاعل في 60–70%من إجمالي الروابط المتقاطعة في مركبات المداس الحديثة.

تأثير بيس-(ثلاثي إيثوكسي سيليل بروبيل) رباعي الكبريت (TESPT) على كثافة الروابط المتقاطعة

تطوير عوامل اقتران السيلان الصديقة للبيئة وسريعة المفعول

يمكن لأحدث جيل من السيلانات المستندة إلى المركابتان مثل TESPD وNXT أن يقلل درجات حرارة المعالجة بنحو 15، وربما حتى 20 درجة مئوية أقل مما هو مطلوب لـ TESPT. كما أن بعض المواد الأحدث تؤدي حاليًا وظيفتين في آنٍ واحد. فهي تعمل كعوامل اقتران ومثبتات أكسدة في الوقت نفسه، ما يعني أن المصانع تُنتج حوالي 40 بالمئة من المركبات العضوية المتطايرة بكميات أقل عند تصنيع المنتجات (يدعم هذا استنتاج صادر عن دراسة حديثة في مجلة Polym. J. عام 2023). وهناك فائدة أخرى جديرة بالذكر، إذ تتيح الأشكال السائلة المسبقة التحلل للمصنّعين خلط جميع المكونات معًا في أقل من 90 ثانية داخل الخلاطات المستمرة الكبيرة التي تُستخدم في أرضية المصنع. ويُعد هذا النوع من دفعات السرعة أمرًا يجعل توسيع العمليات أسهل بكثير للشركات التي تسعى لزيادة الإنتاج دون تجاوز ميزانياتها.

التحديات في المعالجة والاعتبارات الصناعية لمركبات المطاط المحملة بالسيليكا

اللزوجة العالية وحساسية الرطوبة أثناء الخلط

تُظهر مركبات السيليكا المحملة لزوجة أعلى بنسبة 30–50% مقارنة بتركيبات الكربون بلاك (Frontiers in Materials، 2025)، مما يعقّد عملية المعالجة. وتستدعي الطبيعة الاسترطابية للسيليكا التحكم الصارم في الرطوبة في بيئات الإنتاج. ويقلل التنظيم المناسب لدرجة الحرارة من التفاعلات المبكرة للسليلان مع ضمان التوزيع الكامل— وهي ممارسات أثبتت خفض معدلات الفاقد بنسبة تصل إلى 18% في التجارب الصناعية.

قضايا تفاعل الحشو مع المطاط والتوزيع

يعتمد الحصول على تقوية جيدة بشكل كبير على توزيع السيليكا بالتساوي في جميع أنحاء المادة، ولكن هذا أمر صعب لأن السيليكا لا تتفاعل جيدًا مع المواد المطاطية غير القطبية عند واجهتها. ومع ذلك، هناك طرق للتغلب على هذه المشكلة. فبعض الشركات المصنعة تستخدم خليطًا أوليًا من السيليكا مُعالَج مسبقًا أو تقوم بتعديل طريقة خلط المكونات، مما يساعد الحشوة على الارتباط بشكل أفضل بالمطاط بدلًا من التكتل. وعند تشكل هذه التجمعات، فإنها تخلق نقاط ضعف في المنتج النهائي. تشير الأبحاث إلى أنه عندما يتم تعديل سطح جسيمات السيليكا، فإنها تنتشر بشكل أفضل بكثير مقارنةً بالسيليكا العادية. ووجدت إحدى الدراسات تحسنًا بنسبة 25-30% في مدى انتشار السيليكا داخل جوانب إطارات الشاحنات باستخدام هذه الجسيمات المعدلة مقارنةً بالأساليب التقليدية.

موازنة الأداء المحسن مع استهلاك أعلى للطاقة أثناء المعالجة

رغم أنها توفر تحسنًا بنسبة 22–35% في مقاومة الدحرجة والتماسك على الأسطح الرطبة، فإن تركيبات السيليكا تتطلب زيادة بنسبة 15–20% في طاقة الخلط (ال fronts في المواد، 2025). للتعامل مع هذا، تتبنى الشركات المصنعة ما يلي:

• خلط متعدد المراحل مع مناطق قص مستهدفة
• البثق التفاعلي لعملية السيلانة عند درجات حرارة منخفضة
• أنظمة مراقبة اللزوجة المرنة في الوقت الفعلي

تساعد هذه الابتكارات في تحقيق توازن بين المكاسب طويلة الأجل في الأداء وتكاليف الإنتاج القصيرة الأجل، مما يجعل ثاني أكسيد السيليكون خيارًا قابلاً للتطبيق عبر قطاعات إطارات الركاب والشاحنات.

الأسئلة الشائعة

ما السبب الرئيسي وراء التحول من الكربون الأسود إلى ثاني أكسيد السيليكون في تركيبات المطاط؟

يُعزى هذا التحوّل إلى قدرة ثاني أكسيد السيليكون على تحسين أداء الإطارات وتقديم فوائد صديقة للبيئة مثل تقليل مقاومة الدحرجة وتحسين كفاءة استهلاك الوقود.

كيف يحسن ثاني أكسيد السيليكون مركبات المطاط؟

يتفاعل ثاني أكسيد السيليكون مع مصفوفات المطاط تفاعلاً فيزيائيًا وكيميائيًا، مشكلًا روابط أقوى بين الحشو والبوليمر، ويمنح توزيعًا أفضل للإجهاد وتفريق الطاقة.

ما هي المقايضات الناتجة عن استخدام ثاني أكسيد السيليكون بدلًا من الكربون الأسود؟

يمكن أن يؤدي السيليكا إلى زيادة تعقيد العمليات وتكاليفها، فضلاً عن انخفاض طفيف في مقاومة التآكل مقارنة بالكربون الأسود، لكنه يوفر فوائد أداء على المدى الطويل.

ما هي التطورات التي تُجرى في تقنيات الإطارات القائمة على السيليكا؟

تشمل التطورات عوامل ربط سيلان صديقة للبيئة، وتقنيات توزيع محسّنة، وتحميل ممتلئ مُحسّن لتعزيز أداء الإطارات بشكل أكبر.

لماذا يُفضَّل السيليكا في الإطارات عالية الأداء والصديقة للبيئة؟

يوفر السيليكا كفاءة وقود أفضل، وتماسكًا أعلى على الطرق الزلقة، وعمرًا أطول لنعل الإطار، ما يجعله شائعًا في تصميمات الإطارات عالية الأداء والصديقة للبيئة.