سیلیس در صنعت لاستیک چگونه استفاده می‌شود؟

جابجایی از دوده کربنی به سیلیکا (دوده سفید کربنی) در فرمولاسیون‌های مدرن لاستیک

سیلیکا، که اغلب به عنوان دوده سفید شناخته می‌شود، از اوایل دهه ۹۰ به عنوان جایگزینی سبزتر برای دوده کربنی معمولی، به ماده‌ای پرکاربرد در صنعت لاستیک تبدیل شده است. دلیل اصلی این است که سیلیکا به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا تعادل مناسبی بین عملکرد خوب تایر و تولید سازگار با محیط زیست برقرار کنند. به عنوان مثال، تایرهای کامیون‌های تجاری که در لایه سطحی آنها سیلیکا به کار رفته است، می‌توانند مقاومت غلتشی را نسبت به نسخه‌های سنتی حاوی دوده کربنی حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد کاهش دهند؛ این موضوع مطابق با تحقیقات منتشر شده در مجله Frontiers in Materials در سال گذشته است. قوانین سخت‌گیرانه‌تر در مورد مصرف سوخت وسایل نقلیه و بهبود چسبندگی در جاده‌های مرطوب، این تغییر را به ویژه در بازارهای اروپایی و بخش‌هایی از آمریکای شمالی که استانداردهای زیست‌محیطی سخت‌گیرانه‌تری دارند، تسریع کرده‌اند.

مکانیسم‌های تقویت سیلیکا در ماتریس‌های لاستیکی

سیلیکا به دلیل تعامل فیزیکی و شیمیایی خود با ماده، ترکیبات لاستیکی را به‌طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. با سطح ویژه‌ای در محدوده ۱۵۰ تا ۲۰۰ متر مربع بر گرم، سیلیکا اتصالات قوی‌تری بین پرکننده‌ها و پلیمرها ایجاد می‌کند. علاوه بر این، گروه‌های هیدروکسیل موجود بر روی سطح آن می‌توانند با استفاده از عوامل جفت‌کننده سیلان، پیوندهای شیمیایی واقعی تشکیل دهند. تحقیقات اخیر منتشر شده در سال ۲۰۲۴ به بررسی این نانوکامپوزیت‌های بهینه‌شده پرداخته و چیزی جالب را کشف کرده‌اند: مواد پر شده با سیلیکا حدود ۱۵٪ مقاومت بهتری در برابر پارگی نسبت به مواد مشابه حاوی دوده کربنی نشان داده‌اند. چرا؟ زیرا تنش به‌صورت یکنواخت‌تری در سراسر ماده توزیع می‌شود. مزیت دیگری از ساختار بی‌شکل سیلیکا در مقابل آرایش شبیه به گرافیت دوده کربنی ناشی می‌شود. این تفاوت به این معناست که سیلیکا در هنگام کشش و فشارهای مکرر، انرژی را بهتر پراکنده می‌کند، که این امر به عملکرد بهتر در شرایط پویا مانند آنچه در تایرهای خودرو یا آب‌بندی‌هایی که تحت حرکت مداوم قرار دارند، منجر می‌شود.

مقایسه عملکرد در کف لاستیق کامیون: سیلیس در برابر دوده کربن

اگرچه سیلیس از نظر مقاومت در برابر سایش ۵ تا ۸ درصد از دوده کربن عقب‌تر است، اما طول عمر ۴۰٪ طولانی‌تر کف لاستیق در شرایط واقعی جاده‌های بزرگراه این کمبود را جبران می‌کند، که عمدتاً به دلیل مدیریت بهتر حرارت و کاهش هیسترزیس است.

افزایش استفاده از سیلیکا در تایرهای با عملکرد بالا و تایرهای سبز

بیش از دو سوم تایرهای مسافربری لوکس در حال حاضر از سیلیکا به عنوان ماده تقویت‌کننده اصلی خود استفاده می‌کنند. این تغییر عمدتاً ناشی از مقررات برچسب‌زنی تایر اتحادیه اروپا و علاقه فزاینده مصرف‌کنندگان به مصرف سوخت بهتر است. بر اساس داده‌های اخیر از گزارش مواد شیمیایی تخصصی (2023)، سازندگان بهبود حدود 7 تا 9 درصدی در مصرف سوخت را در شرایط رانندگی شهری مشاهده کرده‌اند، هنگامی که تایرهای زمستانی آنها از پرکننده‌های سیلیکا استفاده می‌کنند. بخش در حال گسترش وسایل نقلیه الکتریکی (EV) نیز این روند را تقویت می‌کند، زیرا خواص سیلیکا اصطکاک داخلی کمتری ایجاد می‌کند که اهمیت فزاینده‌ای برای خودروهایی دارد که بسته‌های سنگین باتری حمل می‌کنند و در آنها هر واحد انرژی اهمیت دارد.

بهینه‌سازی بارگذاری پرکننده برای دستیابی به خواص مکانیکی متعادل

نقطه بهینه عملکرد معمولاً زمانی رخ می‌دهد که بارگذاری سیلیسیا در حدود ۶۰ تا ۸۰ قسمت در هر صد قسمت لاستیک باشد. اما وقتی مقدار پرکننده از ۱۰۰ phr فراتر رود، شرایط دشوار می‌شود. ترکیب به‌طور قابل توجهی سخت‌تر می‌شود، معمولاً در حدود ۲۵ تا ۳۰ درجه روی مقیاس شور A، اما این افزایش سختی با هزینه‌ای همراه است. مقاومت در برابر خستگی انحنایی به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، گاهی تا ۴۰ درصد. خوشبختانه، تولید مدرن در این زمینه پیشرفت کرده است. روش‌هایی مانند فرآیندهای اختلاط چندمرحله‌ای به حفظ استحکام کششی در سطحی بالاتر از ۱۸ مگاپاسکال کمک می‌کنند، در حالی که دمای فرآوری همچنان زیر ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد نگه داشته می‌شود. کنترل دما واقعاً مهم است، زیرا از فعال‌شدن زودهنگام سیلان در طول تولید جلوگیری می‌کند که می‌تواند کل محموله را خراب کند.

بهبود عملکرد تایر: نقش سیلیسیا در مقاومت غلتشی و چسبندگی در شرایط مرطوب

درک «مثلث جادویی» عملکرد تایر

طراحان تایر امروزه باید بین سه نگرانی اصلی تعادل برقرار کنند: مقدار سوختی که تایرها مصرف می‌کنند (مقاومت در غلطیدن)، توانایی چسبیدن به جاده‌های تر (عامل ایمنی) و مدت زمانی که تایر قبل از فرسودگی دوام می‌آورد. در اینجا سیلیکا به عنوان یک عامل تحول‌آفرین برجسته است، زیرا به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا مشکلی را که اغلب مثلث جادویی نامیده می‌شود، دور بزنند. هنگامی که تایرها در حین رانندگی تغییر شکل می‌دهند، سیلیکا در واقع ضایعات انرژی را کاهش می‌دهد بدون آنکه باعث لیز خوردن تایر روی سطوح مرطوب شود. تحقیقات اخیر منتشر شده توسط Traction News در سال ۲۰۲۴ نیز چیزهای قابل توجهی نشان داده است. آزمایش‌های آنها نشان داد که تایرهایی که در لاستیک آنها سیلیکا به کار رفته است، مقاومت در غلطیدن را بین ۱۸ تا ۲۴ درصد نسبت به ترکیبات قدیمی کربن بلک بهبود می‌بخشند، در حالی که عملکرد ترمز در جاده‌های تر همچنان به همان اندازه یا گاهی حتی بهتر از قبل باقی می‌ماند.

چگونه سیلیکا رفتار هیسترزیس و کشش را تنظیم می‌کند

طبیعت متخلخل سیلیکا باعث اتصال بهتر بین پلیمرها و مواد پرکننده نسبت به دوده کربن می‌شود، که به معنای تولید گرمای کمتر در هنگام خمش مکرر مواد است. کاهش تولید گرما در این چرخه‌ها به معنای مصرف سوخت بهتر برای خودروهاست. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که کاهش تولید گرما تا حدود ۱۲٪ می‌تواند مصرف سوخت را در وسایل نقلیه معمولی بین ۵ تا ۷٪ بهبود بخشد. نکته جالب اینجاست که سیلیکا از نظر شیمیایی نیز چگونه عمل می‌کند. خواص سطح قطبی آن در واقع چسبندگی بین لاستیک و جاده را در شرایط مرطوب بهبود می‌بخشد. آزمایش‌های آزمایشگاهی نتایج قابل توجهی در این زمینه نشان داده‌اند، به طوری که در شرایط کنترل‌شده، چسبندگی در شرایط خیس تا ۳۰٪ افزایش یافته است.

بهبود کارایی سوخت در وسایل نقلیه سواری با تیغه‌های پرشده از سیلیکا

سازندگان خودرو متوسط صرفه‌جویی در مصرف سوخت را با لاستیک‌های غنی‌شده با سیلیس، ۰٫۳ تا ۰٫۵ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر ذکر کرده‌اند که توسط تحلیل مجله Fleet Equipment Magazine در سال ۲۰۲۴ تأیید شده است. این مقدار معادل کاهش سالانه ۱۲۰ تا ۲۰۰ کیلوگرم دی‌اکسیدکربن در یک سدان معمولی است. پذیرش این فناوری در بخش خودروسازی اروپا نسبت به سال قبل ۲۷ درصد رشد داشته است که این امر تحت تأثیر استانداردهای سفت و سخت اتحادیه اروپا در زمینه مقررات برچسب‌گذاری کارایی لاستیک‌ها بوده است.

سیلیس در مقابل کربن بلک: تفاوت‌های کلیدی در شیمی سطحی و معاوضه‌های عملکردی

مسیرهای متفاوت در فناوری پرکننده برای تحرک پایدار

روندهای متحرک‌سازی پایدار واقعاً جایگاه سیلیکا را به عنوان عملکرد بالاتر نسبت به دوده کربن در تولید لاستیک ارتقا داده است. دوده کربن همچنان به طور گسترده در کاربردهای سنگین استفاده می‌شود، اما به اعداد امروزی نگاه کنید: طبق تحقیقات اسمیترز از سال گذشته، سیلیکا حدود ۷۰٪ از تمام فرمول‌های لاستیک خودروهای سواری را تشکیل می‌دهد. چرا؟ زیرا این ماده واقعاً مشکلات دشوار معامله‌ای را که با آنچه صنعت به آن «مشکل مثلث جادویی» می‌گوید، حل می‌کند. مقرراتی که به دنبال بهبود بازدهی سوخت هستند قطعاً در پیش برد این تغییر نقش دارند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که لاستیک‌های ساخته شده با سیلیکا می‌توانند مقاومت غلتشی را در مقایسه مستقیم با گزینه‌های سنتی دوده کربن حدود ۳۰٪ کاهش دهند.

شیمی سطحی و برهمکنش پلیمر: چرا پیوندهای سیلیکا متفاوت هستند

سطح سیلیس دارای گروه‌های هیدروکسیل است که در واقع از طریق پیوند هیدروژنی به مولکول‌های لاستیک متصل می‌شوند، چیزی که دوده کربن به دلیل داشتن لایه‌های غیرقطبی گرافیتی انجام نمی‌دهد. به خاطر این تفاوت قطبیت، پیوند قوی‌تری در مرز فاز بین سیلیس و لاستیک ایجاد می‌شود. اما صبر کنید، یک مشکل وجود دارد. عوامل اتصال‌دهنده سیلان مانند TESPT، که مخفف بیس-(تری‌اتوکسی‌سیلیل‌پروپیل) تترا سولفید است، برای جلوگیری از تجمع ذرات سیلیس مورد نیاز هستند. مطالعات منتشر شده در Rubber Chemistry and Technology در سال 2022 نشان دادند که با استفاده از سیلیس همراه با TESPT، حدود ۴۰٪ پیوند عرضی بیشتری نسبت به مخلوط‌های معمولی دوده کربن ایجاد می‌شود. این بدین معناست که مقاومت در برابر پارگی بهتر و ویژگی‌های ضربه‌زننده (برگشت انرژی) بهبود یافته است. با این حال قابل توجه است که دوده کربن همچنان محبوب است، زیرا در فرآیند تولید کار با آن آسان‌تر است و به طور طبیعی الکتریسیته را هدایت می‌کند و بنابراین برای کاربردهایی که در آن‌ها تجمع بار الکترواستاتیک مسئله‌ساز است، مانند برخی محیط‌های صنعتی یا قطعات ویژه وسایل نقلیه، مناسب است.

مزایا و معایب در مقاومت در برابر سایش و قابلیت پردازش

استفاده از سیلیکا شامل چندین مصالحه عملی است:

• مقاومت علیه سوزنی : لاستیق‌های کامیون با سیلیکا نسبت به معادل‌های دوده فعال، ۱۵٪ نرخ سایش تاج بالاتری دارند (Fleet Equipment، ۲۰۲۳)، هرچند این تفاوت در لاستیق خودروهای سواری ناچیز است
• چالش‌های پردازش : ترکیبات سیلیکا به زمان اختلاط ۳۰٪ طولانی‌تر و کنترل دقیق رطوبت (<۰٫۵٪ رطوبت) نیاز دارند تا سیلانیزاسیون مؤثر انجام شود که این امر هزینه انرژی را به میزان ۱۸ دلار در تن افزایش می‌دهد (Polymer Engineering & Science، ۲۰۲۲)
• پیچیدگی پراکندگی : پراکندگی ضعیف می‌تواند استحکام کششی را تا ۲۵٪ نسبت به دسته‌های خوب اختلاط‌شده کاهش دهد

پیشرفت‌های اخیر در فرمولاسیون نشان می‌دهد که سیستم‌های سیلیکای اصلاح‌شده با سیلان می‌توانند تا ۸۰٪ از این معایب را در لاستیق‌های تجاری کامیون کاهش دهند که نشان‌دهنده همگرایی آینده در عملکرد پرکننده‌ها است.

مکانیسم اتصال سیلیکا-سیلان و پیشرفت‌ها در فناوری سیلانیزاسیون

غلبه بر ناسازگاری ضعیف بین سیلیکا و لاستیک

گروه‌های هیدروکسیل قطبی سیلیس به طور طبیعی ماتریس‌های لاستیک غیرقطبی را دفع می‌کنند و منجر به چسبندگی ضعیف در مرز فاز می‌شوند. لاستیک پر شده با سیلیس بدون پردازش، استحکام کششی ۳۸٪ پایین‌تری نسبت به معادل‌های دوده فعال دارد (ScienceDirect، 2020). عوامل جفت‌کننده سیلان به عنوان پل‌های مولکولی عمل می‌کنند و رابط‌های ناسازگار را به شبکه‌های بادوام و متصل شده کووالانسی تبدیل می‌کنند.

شیمی واکنش سیلانی‌سازی در حین اختلاط

فرآیند سیلانی‌سازی در سه مرحله در حین اختلاط انجام می‌شود:

1. هیدرولیز گروه‌های اتوکسی (Si-OC₂H₅ → Si-OH)
2. پیوند هیدروژنی بین سیلانول و سطح سیلیس
3. اتصال عرضی با واسطه گوگرد به زنجیرهای لاستیک
   دو(ترای‌اتوکسی‌سیلیل‌پروپیل) تترا سولفید (TESPT) همچنان عامل جفت‌کنندگی غالب است، به طوری که گروه‌های گوگرد آن در دمای 145°C تجزیه شده و پیوندهای پلی‌سولفیدی ایجاد می‌کنند. این واکنش در 60–70%کل پیوندهای عرضی در ترکیبات روکش امروزی نقش دارد.

تأثیر دو(ترای‌اتوکسی‌سیلیل‌پروپیل) تترا سولفید (TESPT) بر چگالی پیوند عرضی

توسعه عوامل جفت‌کننده سیلان سازگار با محیط زیست و سریع‌العمل

نسل جدید سیلان‌های مبتنی بر مرکاپتو مانند TESPD و NXT در واقع می‌توانند دمای فرآیند را حدود 15 تا شاید حتی 20 درجه سانتی‌گراد نسبت به دمای مورد نیاز برای TESPT پایین بیاورند. برخی از مواد جدیدتر امروزه دو کارکرد دارند. آن‌ها همزمان به عنوان عامل جفت‌کننده و آنتی‌اکسیدان عمل می‌کنند، که به معنای تولید حدود 40 درصد ترکیبات آلی فرار کمتر در کارخانه‌ها هنگام تولید محصولات است (مطالعه اخیری از Polym. J. در سال 2023 این موضوع را تأیید می‌کند). و نکته دیگری که ارزش اشاره دارد این است که فرم‌های مایع پیش‌هیدرولیز شده به تولیدکنندگان اجازه می‌دهند تا تمام مواد را در کمتر از 90 ثانیه در دستگاه‌های اختلاط پیوسته بزرگی که در خط تولید استفاده می‌شود، مخلوط کنند. این افزایش سرعت، گسترش عملیات را برای شرکت‌هایی که می‌خواهند تولید خود را بدون افزایش بودجه افزایش دهند، بسیار آسان‌تر می‌کند.

چالش‌های فرآوری و ملاحظات صنعتی ترکیبات لاستیکی پر شده با سیلیکا

گرانروی بالا و حساسیت به رطوبت در حین اختلاط

ترکیبات پر شده با سیلیکا از گرانروی ۳۰ تا ۵۰ درصد بالاتر نسبت به فرمول‌بندی‌های دوده کربنی برخوردار هستند (Frontiers in Materials, 2025)، که فرآوری را پیچیده می‌کند. ماهیت هیگروسکوپیک سیلیکا نیازمند کنترل دقیق رطوبت در محیط‌های تولید است. رعایت نمایه‌های مناسب دما واکنش‌های زودهنگام سیلان را به حداقل می‌رساند و در عین حال پراکندگی کامل را تضمین می‌کند — رویه‌هایی که در آزمایش‌های صنعتی نشان داده شده است تا ۱۸ درصد به کاهش ضایعات کمک کنند.

تعامل پرکننده با لاستیک و مشکلات پراکندگی

دستیابی به تقویت خوب واقعاً به پراکندگی یکنواخت سیلیس در سراسر ماده بستگی دارد، اما این کار به دلیل عدم سازگاری سیلیس با مواد لاستیکی غیرقطبی در سطح مشترک آنها دشوار است. با این حال راه‌حل‌هایی برای این مشکل وجود دارد. برخی از تولیدکنندگان از دوغاب‌های اولیه سیلیس پیش‌تیمار شده استفاده می‌کنند یا نحوه اختلاط مواد را تنظیم می‌کنند که این امر به پرکننده کمک می‌کند تا به جای تشکیل دانه‌های متراکم، بهتر با لاستیک پیوند بخورد. هنگامی که این تجمعات تشکیل می‌شوند، نقاط ضعفی در محصول نهایی ایجاد می‌کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که ذرات سیلیسی که سطوح آنها اصلاح شده باشد، بسیار بهتر از سیلیس معمولی پخش می‌شوند. یک مطالعه حدود 25 تا 30 درصد بهبود در پراکندگی سیلیس در دیواره جانبی تایرهای کامیون با استفاده از این ذرات اصلاح‌شده نسبت به روش‌های سنتی گزارش کرده است.

تعادل بین عملکرد بهبودیافته و مصرف بالاتر انرژی در فرآیند پردازش

علیرغم ارائه بهبود 22 تا 35 درصدی در مقاومت غلتشی و چسبندگی مرطوب، فرمولاسیون‌های سیلیسی نیازمند 15 تا 20 درصد انرژی بیشتر در اختلاط هستند (مرزهای پیشرفت مواد، 2025). برای رفع این مسئله، تولیدکنندگان اقدام به استفاده از موارد زیر کرده‌اند:

• مخلوط‌کنی چندمرحله‌ای با مناطق برشی هدفمند
• اکستروژن واکنشی برای سیلانی‌سازی در دمای پایین‌تر
• سیستم‌های نظارت آنی بر خواص ویسکوالاستیک

این نوآوری‌ها به تعادل بین بهبود عملکرد بلندمدت و هزینه‌های تولید کوتاه‌مدت کمک می‌کنند و باعث می‌شوند دوده شیشه‌ای (سیلیکا) گزینه‌ای عملی در تمامی بخش‌های لاستیک خودروهای سواری و تجاری باشد.

‫سوالات متداول‬

علت اصلی تغییر از دوده کربن به سیلیکا در فرمول‌بندی لاستیک چیست؟

این تغییر به دلیل توانایی سیلیکا در بهبود عملکرد لاستیک و مزایای سازگار با محیط زیست مانند کاهش مقاومت غلتشی و بهبود بازدهی سوخت است.

سیلیکا چگونه ترکیبات لاستیکی را بهبود می‌بخشد؟

سیلیکا هم از نظر فیزیکی و هم شیمیایی با ماتریس لاستیک تعامل دارد، اتصالات قوی‌تری بین پرکننده و پلیمر ایجاد می‌کند و توزیع تنش و اتلاف انرژی بهتری فراهم می‌کند.

مزایا و معایب استفاده از سیلیکا به جای دوده کربن چیست؟

سیلیکا می‌تواند منجر به افزایش پیچیدگی و هزینه‌های فرآوری، و همچنین مقاومت کمی کمتر در برابر سایش نسبت به دوده کربن شود، اما مزایای عملکردی بلندمدتی ارائه می‌دهد.

در فناوری‌های لاستیک مبتنی بر سیلیکا چه پیشرفت‌هایی صورت گرفته است؟

پیشرفت‌ها شامل عوامل جفت‌کننده سیلان سازگار با محیط زیست، تکنیک‌های بهبود یافته پراکندگی و بارگیری پرکننده بهینه‌شده برای ارتقای بیشتر عملکرد لاستیک می‌شود.

چرا سیلیکا در لاستیک‌های با کارایی بالا و لاستیک‌های سبز ترجیح داده می‌شود؟

سیلیکا بهره‌وری سوخت بهبود یافته، چسبندگی بهتر در شرایط تر و عمر طولانی‌تر آج را ارائه می‌دهد و به همین دلیل در طراحی لاستیک‌های با کارایی بالا و دوستدار محیط زیست محبوب است.