پودر الستیک جت آبی در آمیزه رویه تایر سواری

محققین: مهدی شیوا ، محمد آریان نژاد

چکیده:

در این پژوهش، اثر استفاده از پودر الستیک ریزدانه تهیه شده به روش جت آب در آمیزه رویهتایر رادیال سواری مطالعه شده است. آثار برهمکنشی پودر الستیک با سایر اجزای فرمولبندی در قالب طرح آزمون آماری، افزودن کمکفراورش (Vestenamer) ، همچنین اثر افزایش مقدار عوامل پخت آمیزهها در مجاورت پودر الستیک مطالعه شد. آمیزههای الستیکی در مخلوطکن داخلی آزمایشگاهی تهیه و نتایج خواص رئومتری و فیزیکی بهدست آمده تحلیل شد. در بخش طرح آزمون آماری مدلهای رگرسیون شامل جملههای خطی و برهمکنش دوتایی برحسب سه متغیر مورد مطالعه برای هر خاصیت بهطور موفقیتآمیز توسعه و اعتبارسنجی آماری شد. پودر الستیک اثر کاهشی بر خواص کششی نشان داد که بخشی از آن به کاهش چگالی اتصاالت عرضی به واسطه مهاجرت گوگرد از فاز الستیک به فاز پودر الستیک نسبت داده شد. كاهش جزئی امامعنیدار آماری در خواص و رفتار پیرسازی، جهندگی و سایش از دیگر ویژگیهای استفاده از پودر الستیک بود. اما، مقاومت پارگی و رشد ترک دیمتیا با افزایش پودر بهبود معنیدار نشان داد که به اثر کاهشی پودر الستیک بر مدول آمیزه ارتباط داده شد. نشان داده شد، با افزایش جزئی مقدار عوامل پخت، گوگرد و شتابدهنده، میتوان ضمن حفظ نسبی سایر خواص، كاهش خواص کششی را تا حدودی و كاهش سایش، جهندگی و پیرسازی را بهطور کامل جبران كرد. همچنین نشان داده شد، در محدوده مطالعه شده کمکفراورش وستنامر اثر چندانی بر خواص بهجز سایش
در مجاورت پودر الستیک ندارد.

مقدمه:

    دورریز محصوالت الستیکی، بهويژه تایر مستعمل مشکالت زیست محیطی بسیاری ایجاد كرده و تالشهای زیادی برای بازیافت و استفاده مجدد از آنها با اهداف زیستمحیطی و نیز مالحظات اقتصادی انجام شده است. این مهم به یاری روشهای مختلف گرمامکانیکی، سرمامکانیکی و شیمیایی انجام شده است. تولید پودر الستیک از خردایش تایر، از روشهای مهم برای استفاده مجدد از تایرهای فرسوده بوده و راهی مؤثر برای کاهش مشکالت زیستمحیطی مرتبط با تایرهای دور ریخته فراهم میآورد. همچنین، در مقایسه با بسیاری از روشهای بازیافت تایر از جمله پیرولیز، آلودگی زیستمحیطی و هزینه سرمایهگذاری کمتری دارد. امروزه پودر حاصل از تایر فرسوده موسوم به GTR موارد کاربرد خوبی پیدا كرده است.
       GTR میتواند از خردایش مکانیکی در دمای محیط، شرایط مرطوب، دمای زياد و نیز در شرایط سرمایشی تولید شود.
به دلیل حجم زياد تولید، اگر بتوان از پودر الستیک بهعنوان افزودنی در فرمولبندیبندي بخشهای مختلف تایر استفاده كرد، قابليت مصرف مناسبی برای آن فراهم میشود و میتوان در راستای اهداف زیستمحیطی گام بلندی برداشت. در استفاده از پودر الستیک بهعنوان افزودنی مفید به قطعه الستیکی، بهويژه قطعه تایری، مسئله مهم ایجاد برهم‌کنش مناسب آن با بستر پلیمر است. این مهم با کاهش اندازه ذره پودر و ارتقای شکلشناسی یا اصالح و عملآوري پودر براي ایجاد سازگاری بیشتر با شبکه الستیک انجام میشود.
   استفاده از پودر الستیک تولید شده با روش آسیاب )خردایش( خشک در فرمولبندیبندهای الستیکی مختلف گزارش شده است. پودر الستیک با ابعاد مختلف با این روش قابل تولید است و برحسب نوع آسیاب و با صرف هزینه بیشتر میتوان پودر الستیک با ابعاد کمتر از mm 200 نیز تولید كرد. در مقادیر کم غلظت، افزودن این پودر با ابعاد بیش از mm 500 اثر منفی بر خواص فیزیکی آمیزه الستیکی دارد. گزارش شده است، استحکام کششی آمیزه الستیکی داراي %10 پودر الستیک )اندازه mm 425 تا mm 600 )باعث كاهش %15 استحکام کششی میشود. احمدی نشان داد، استفاده از پودر الستیک به مقدار 10 و 15 قسمت وزنی در آلیاژ BR/NR پرشده با دوده، كاهش استحکام کششی و جهندگی را به همراه دارد.  همچنین نشان داده شد، هر چه اندازه پودر کوچکتر باشد، افت خواص حاصل از استفاده از آن در آمیزه الستیکی کمتر است.  با استفاده از روش آسیاب مرطوب که شامل مجموعه عملیات مکانیکی-شیمیایی در فاز آبی ) یا حالل مشابه( با استفاده از حاللها و افزودنیهای شیمیایی است، میتوان به ابعاد پودر الستیک کمتر از mm 20 دست یافت. نشان داده شد، اگر این پودر به آمیزه رویه تایر سواری اضافه شود، حتی در مقادیر قابل توجه، كاهش در عملکرد تایر ایجاد نميشود. با وجود این، فرایند تولید یادشده از لحاظ زیستمحیطی به دلیل استفاده از انواع حالل و مواد شیمیایی چندان مناسب بهنظر نمیرسد.
   خردایش سرمایشی روش دیگری برای تولید پودر الستیک است. در فرایند سرمایشی مکانیکی، پودر الستیک از سرمایش تایر فرسوده در نیتروژن مایع تا دمای کمتر از دمای انتقال شیشهای الستیک و سپس ساییدن مواد شکننده حاصل در آسیاب چکشی تولید میشود. با خردایش سرمایشی در شرایط اقتصادی مناسب، ذرات پودر به کوچکی mm 75 را میتوان تولید كرد. ناخالصی الیاف و فلز در پودر سرمایشی کمتر است. با وجود این ، پودر حاصل از این روش در مقایسه با پودر با مش یکسان تولید شده به روش خردایش معمولی دارای مساحت سطح کمتری است. همچنین، این روش به دلیل استفاده از گاز نیتروژن هزینه بیشتری دارد.
   فناوری جت آب رویکرد جدیدی برای تولید پودر الستیک است . در این فناوری مواد الستیک بهوسيله نیروی برشی و کششی در اثر برخورد جت آب با فشار بسيار زياد و فرسایش حاصل از جریان آب با سرعت زياد به شکل پودر بسیار ریز با ابعاد mm 500-50 درمیآیند. خلوص زياد و نبود فلزات مزیت مهم این نوع پودر است و پودر حاصل، نسبت سطح به حجم زيادي دارد. تاکنون مقالهای درباره استفاده از پودر الستیک تولید شده با فناوری جت آب در قطعات تایر منتشر نشده است. به نظر میرسد، این پودر قابليت خوبی برای استفاده در آمیزههای الستیکی داشته باشد. در این مقاله، آثار استفاده از پودر الستیک تولید شده به روش جت آب در آمیزه الستیکی رویه تایر سواری ارائه شده است که مستلزم کنترل و برقراری موازنه ميان محدوده گستردهای از خواص رئومتری، مکانیکی و دینامیکی است. بخشی از این مطالعه بهطور نظاممند در قالب طراحی آزمون انجام شده است.

تجربی

مواد:

    پودر الستیک جت آبی مصرفي محصول شرکت Jet Hunger مجارستان، با ابعاد کمتر از mm 100 بود. جنس این پودر با توجه به منبع تهیه آن که رویه تایرهای باری است بر پایه SBR/BR/NR دودهای بود. سایر مواد استفاده شده در این مطالعه، شامل مواد معمول مصرفي در آمیزه رویه تایر سواری رادیال بهشرح زير بود:
       کائوچوی سیس بوتادیان از پتروشیمی اراک، کائوچوی SBR از پتروشیمی بندر امام، دوده، روغن آروماتیک، شتابدهنده سولفونامیدی، گوگرد معمولی، محافظت‌کنندهها، روی اکسید و استئاریک اسید و کمکفراورش وستنامر )Rvestenamer.

دستگاه:

    مخلوط‌کن (بنبوری) آزمایشگاهی الستیک دولیتری مد ل POMI MIX32 NI ساخت ایتالیا، آسياب دوغلتکی مدل R503X251-E NICCM ساخت شرکت Bergamo ایتالیا، پرس پخت 20 تن مدل 010-SD TP2.M.R.H ساخت ژاپن، دستگاه کشش (دینامومتر) مدل S-10K-5 ساخت شرکت Hounsfield انگلستان، دستگاه سنجش سایش DIN مدل H04-6102 Zwick ساخت آلمان، سختیسنج شور A مدل 3100 Zwick ساخت آلمان، رئومتر مدل BMDR ساخت شرکت آلفا، دستگاه اندازهگیری رشد ترک دیمتیا ساخت شرکت Hounsfield انگلستان، دستگاه سنجش جهندگی مدل Dunlop R2 tripsometer ساخت شرکت Wallace انگلستان، دستگاه اندازهگیری چگالی آمیزه الستیکی و میکروسکوپ SEM مدل EM3900M-KYKY ساخت چین بهكار گرفته شد. 

روشها

فرمول‌بندی و روند مطالعه

    فرمولبندی پایه استفاده شده آمیخته کائوچوی استیرن بوتادیان و سیس بوتادیان پرشده با دوده بود. مقدار دوده 53 قسمت وزنی و مقدار کل روغن موجود در فرمولبندی معادل 27 قسمت وزنی بود. روی اکسید، استئاریک اسید، شتابدهنده و گوگرد و انواع محافظت‌کنندههای ازنی و اكسيداني، سایر افزودنیهای فرمولبندیبندي با مقادیر معمول در فرمولبندی تایرهای رادیال سواری استفاده شدند فرمولبندی به شرح جدول زیر:

    ابتدا، به طور معمول اثرهاي افزایش 10 و 15 قسمت وزنی پودر الستیک به فرمولبندی اصلی بررسی شد )فرمولبندی A2 و A3 جدول 1 .)افزودن مستقیم پودر به فرمولبندی )بدون جایگزیني با سایر اجزای فرمولبندی( رویکرد متداولی است که در اکثر مراجع از آن استفاده شده است.
    
با هدف مطالعه نقش کمکفراورش بر خواص آمیزه داراي پودر الستیک، آمیزه A4 با 10 قسمت وزنی پودر الستیک و یک قسمت وزنی وستنامر تهیه شد. همچنین، با هدف بررسی اثر افزایش مقدار عوامل پخت گوگردی بر خواص آمیزه داراي پودر الستیک، نمونه با افزایش %5 مقدار گوگرد و شتابدهنده نیز تهیه A3 و A2 و A4 ، اصلی شد که در جدول 1 با کدهای A6 و A7 و A8 آماده است
    
در بخش دیگر این مطالعه، از طراحي آزمون فاکتوریل کامل سهمتغیري در دو سطح استفاده شد تا هم از نتایج اثر وجود پودر الستیک بهطور نظاممند اطمینان حاصل شود و اثرهاي احتمالی برهم‌کنش آن با سایر عوامل فرمولبندی )گوگرد و دوده( نيز شناخته شوند. همچنين، قابليت تغییر دو عامل گوگرد و دوده در برقراری موازنه خواص با وجود پودر الستیک نیز بررسی شود. در این طراحي آزمون، پودر الستیک به مقدار 4 و 8 قسمت وزنی به فرمولبندی اضافه و مقدار دوده از 50 تا 55 قسمت وزنی و مقدار گوگرد از 3/1تا 6/1 قسمت وزنی تغییر داده شد. سطوح متغیرها برای هر فرمولبندی بر اساس طراحي آزمون در جدول زیر آمده است. 

 

شرایط تهیه آمیزه الستیکی، پخت (ولکانش) و ثبت خواص

    تمام آمیزههای این مطالعه براساس فرمولبندیهای جدولهاي 1 و 2 بدون عوامل پخت، گوگرد و شتابدهنده در مخلوط‌کن آزمایشگاهی 2 لیتری در شرایط یکسان تهیه شدند. آمیزههای حاصل در شرایط یکسان روی آسياب دوغلتکی با افزودن عوامل پخت، نهایی شدند. برای بررسی زمان مناسب برای پخت آمیزهها از آزمون رئومتری استفاده شد. سپس، آمیزهها در پرس پخت 20 تنی برای بررسی خواص فیزیکی مکانیکی ولکانیده شدند.
 
خواص اندازهگيري شده که در این مطالعه ارائه شده، بهشرح زير cm3/g ،چگالیسنج(، زمان پخت بهینه )min ،)زمان است: چگالی ) ایمنی )min ،)گشتاور حداقل، حداکثر و اختالف )m.dN )و سرعت پخت )min/m.dN ،رئومتر MDR در دماي C°185 بهمدت min 6 ،) استحکام کششی و مدول %300( MPa )و ازدیاد طول تا پارگی )%، دستگاه کشش(، مقاومت در برابر پارگی )m/kN ،دستگاه کشش طبق استاندارد D624 ASTM )مقاومت در برابر رشد ترك )آزمونگر ديمتيا(، مقدار رشد ترک )گزارش شده در 1000cycle/وmm 10 ،) mm3 ،دستگاه سايش DIN طبق استاندارد 4649 ISO ،) سايش ) سختي )A Shore ،سختيسنج A Shore طبق استاندارد ASTM D2240 ،)جهندگی )%، دستگاه جهندگیسنج طبق استاندارد DIN 53512 ،)آزمون پیرسازی که برای انجام آن نمونههای کشش بهمدت h 72 در دمای C°100 قرار گرفتند و سپس آزمون کشش نمونههای پیرسازیشده، درصد كاهش ازدیاد طول در مقایسه با حالت معمول )بدون پیرسازی( گزارش شده است. در نهایت، تصاویر میکروسکوپ الکترونی از نمونه پودر بهوسيله میکروسکوپ SEM تهیه شد. برای این مهم، سطح نمونههای پودر الستیک با الیه نازک طال پوشانده شد و با پرتو الکترونی باریکی به قطر Å 100 بمباران شد..

تحلیل آماری و بهینه‌سازی

    تحلیل آماری تنها روی دادههای گردآوری شده براساس طراحي آزمون فاکتوریل انجام شد )جدول 2 .)بهكمك نرمافزار MINITAB يك معادله درجه اول شامل اثرهاي اصلی و برهم‌کنش بر خواص اندازهگيري شده برازش شد. ضرايب معادله رگرسيون، انحراف استاندارد آن و اهميت آماري اثر هر ضريب مشخص شد. همچنين بهكمك تحلیل واريانس، اهميت رگرسيون، جمله خطي و جمله برهمكنش تحليل آماري شد. مدل خطی درجه اول شامل جملههای برهم‌کنش دوتایی بهشرح زير برای هر خاصیت توسعه داده شد:

   
 در اين معادله، Y متغیر پاسخ یا وابسته است که همان خاصیت قابل اندازهگیری آمیزه الستیکی است: گشتاورهای حداقل، حداکثر و اختالف، زمانهای ایمنی و پخت بهینه، سرعت پخت، استحکام کششی، ازدیاد طول، مدول 300 ،مقاومت پارگی، جهندگی، سختی، چگالی، سایش، رشد ترک و درصد كاهش ازدیاد طول پس از پیرسازی. همچنین در معادله )1 )متغیرهای مستقل شامل مقدار پودر الستیک )RP ،)مقدار گوگرد )S )و مقدار دوده )N375 )هستند که متغیرهای وابسته برحسب این سه متغیر در معادله )1 )بیان شدهاند. ai در واقع ضرایب برازش )رگرسیون( مدل خطی هستند ضرایب که از برازش مدل )1 )با دادههای تجربی به روش رگرسیون خطی a4 تا a3 ضریب اثرهای اصلی و ضریب a1 تا محاسبه شدند. ضریب a6 ضرایب اثرهای برهم‌کنشی دوتایی هستند. معادله )1 )یک معادله رگرسیون خطی کامل شامل اثرهای اصلی و برهم‌کنشي است. افزون بر مدل مزبور، میتوان با حذف ضرایب بیاهمیت از لحاظ آماری به مدلهای کوتاه شدهای دست یافت. بنابراين، در این مطالعه با حذف مرحلهای جملههای برهم‌کنشی کماهمیت از لحاظ آماری مدلهای کوتاه شده و سادهتری نیز ارائه شده است.
    همچنین، براي بهتصويركشيدن نحوه وابستگي خواص مختلف به متغيرهاي فرمولبندی از منحنيهاي اثرهای اصلی استفاده شد. در نهایت، فرمولبندی بهینه با جفتكردن مدل ریاضی با الگوریتم بهینهسازی مناسب توسعه داده شد. در این قسمت، شرایط مناسب آمیزه بر اساس فرمولبندی مرجع به نرمافزار داده شد. نرمافزار با تغییر سطوح سه متغیر پودر الستیک، گوگرد و دوده )در محدوده طرح آزمون( و از جفتكردن مدلهای برازش موجود با الگوریتم بهینهسازی مناسب، شرایط بهینه آمیزه را محاسبه كرد. برای تکمیل مطالعه، در نهایت آمیزه بهینه بر اساس مقادیر پیشنهادی نرمافزار، مجدداً در بنبوری آزمایشگاهی تهیه و ثبت خواص شد(آمیزه A5)

نتایج و بحث

بررسی شکل‌شناسی پودر الستیک تهیه شده به روش جت آب

    شکل 1-الف تصاویر میکروسکوپ الکترونی پودر الستیک تهیه شده به روش جت آب را نشان میدهد. برای مقایسه تصاویر SEM یک نمونه پودر معمولی نیز آمده است. تصاویر با بزرگنمایی 100 ،200 و 400 نشان داده شده است. تصاویر بهوضوح ابعاد بسیار ریز پودر الستیک استفاده شده در این پژوهش را نشان میدهد. ابعاد ذرات پودر جت آب )شکل 1-الف( بهندرت به بیش از mm 100 رسیده و بهطور عمده کمتر از mm 50 است. در مقابل، پودر معمولی ابعاد درشتتری دارد )شکل 1-ب(. ابعاد این پودر بهندرت به کمتر از mm 100 میرسد. همچنین، تخلخل و زبری سطوح پودر الستیک جت آبی زياد بوده و نزدیک به نوع معمولی است.
    اندازه ذرات بسیار ریز و نیز تخلخل و زبری سطح زياد پودر الستیک تهیه شده به روش جت آب داللت بر آن دارد که این پودر برهم‌کنش بهتری با بستر پلیمر در مقایسه با پودر الستیک معمولی و نیز سرمایشی فراهم میآورد که بهطور عمده سطحي صاف دارد. نکته دیگر این است که تصاویر SEM نشان میدهد، توزیع اندازه ذرات پودر الستیک جت آبی، بسیار یکنواختتر از پودر الستیک نوع معمولی است. ذرات درشت موجود در پودر الستیک معمولی میتواند بهعنوان ترکهایی )flaws )در قطعه الستیکی پخت شده ظاهر شوند و مقاومت خستگی و شروع ترک را کاهش دهند. این خاصیت با آزمونهای معمول که در این مقاله استفاده شده قابل ارائه نیست. اما، قابل پیشبینی است که ذرات درشت احتمال هستهزایی و شروع ترک را افزایش دهند. 

مطالعه اثر افزایش پودر الستیک بر خواص آمیزه رویه تایر سواری

    وستنامر افزودنی پلیاولفینی نیمهبلوری است که نقش کمکفراورش، نرم‌کننده الستیک و سازگارکننده فازی در مخلوط الستیکها را دارد.درآمیزه A4 از 1 قسمت وزنی وستنامر در کنار 10 قسمت وزنی پودر الستیک استفاده شده است. نتایج اندازهگیری خواص آمیزه در جدول 1 آمده که با نتایج سایر آمیزهها قابل مقایسه است. A4 A2( داراي 10 قسمت وزنی پودر الستیک( و مقایسه خواص آمیزه )داراي 10 قسمت وزنی پودر الستیک و یک قسمت وزنی وستنامر ( نشان میدهد، در مجموع وجود وستنامر در محدوده آزمون اثر بهبوددهنده شايان توجهی بر خواص ندارد. هرچند که بهنظر میرسد، سایش اندکی بهبود یافته که حائز اهمیت است. حداقل میتوان گفت، اثر وستنامر با آزمونهایی که در این مطالعه ارائه شده است، قابل تشخیص نیست. 

نتيجه‌گيری

    در این مقاله، قابليت استفاده از پودر الستیک تولید شده به روش جت آب در آمیزه رویه تایر سواری رادیال بررسي شده است. نشان داده شد، كاهش استحکام کششی و ازدیاد طول که مشخصه بارز استفاده از پودر الستیک در آمیزه الستیکی است، با وجود پودر الستیک جت آبی در مقایسه با سایر انواع پودر کمتر است. كاهش جزئی سایش و جهندگی اثر نامطلوب دیگر این جایگزینی بود. در حالی که ویژگی رشد ترک دیمتیا بهبود شايان توجه نشان داد. مشخص شد، فقط با افزایش %5 عوامل پخت (گوگرد و شتابدهنده) با وجود پودر الستیک، كاهش جهندگی، خواص پیرسازی، سایش و تا حدودی استحکام کششی آمیزه الستیکی در مجاورت این نوع پودر الستیک جبران میشود. هر چند که ویژگی مهم ازدیاد طول تا پارگی بهطور چشمگير كاهش مي‌يابد. در این حالت نیز رشد ترک دیمتیای آمیزه در محدوده نمونه بدون پودر الستیک قرار میگیرد.
    پودر تولید شده بهروش جت آبی در مقایسه با انواع رایج تولید شده به روشهای متداول آسیاب خشک و مرطوب و سرمایشی دارای مزایایی است که مهمترین آن افزون بر اندازه ذرات بسیار ریز با سطحی زبر و متخلخل که اثرهاي تقویتی مناسبی ارائه میدهد، اطمینان از نبود ناخالصی از جمله فلزات است. با توجه به اینکه آمیزه رویه تایر بیشترین وزن را در بین بخشهای مختلف تایر دارد، اگر بتوان از این پودر در آمیزه رویه تایر استفاده كرد، بازار مصرف مناسبی برای آن فراهم میشود. همچنین، تحلیل قیمت انجام شده حاکی از آن است که استفاده از این پودر قیمت تمام شده آمیزه الستیکی را نیز کاهش میدهد و افزون بر مالحظات زیستمحیطی آورده ریالی مناسبی نیز نصیب شرکتهای تایرسازی ميكند. در این مقاله نشان داده شد، بهكمك طراحی آزمون میتوان حتی در محدوده کم تغییرات عوامل فرمولبندی مطالعه قابل اطمینانی انجام داد. این مهم برای حوزه آمیزه‌کاری که خطاهای آزمایشگاهی جزء جداييناپذير مطالعات است، باعث اطمینان بیشتر به نتایج و تحلیل مطالعه ميشود.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

ارتباط با ما

   گروه صنعتی پانل (تولیدی صنعتی پارسا اوج نوین لاستیک) با پیشینه چهل ساله نامی آشنا برای اهل فن در حوزه تولید فرآورده های لاستیکی به ویژه زیره و قطعات میباشد.
   به لطف خداوند متعال توانسته ایم در این چهار دهه با استفاده از تجربیات و بهره گیری از نیروهای متخصص و متعهد مسیر پر فراز و نشیب تولید را با موفقیت طی نماییم و امروز به عنوان یکی از تولید کنندگان نمونه و بروز صنعت لاستیک مطرح باشیم ، با وجود ظهور رقبایی جدید باز در میدان کارزار تولید حرفهای بسیاری را برای گفتن داریم .