martedì 1 settembre 2015

Pneumatici: dalla silice e dal riso le nuove mescole per le supergomm

L’aggiunta di silice alla mescola degli pneumatici aumenta l’aderenza al suolo, la durata e diminuisce il consumo di carburante

Per ottenere una maggiore resistenza è importante la forma delle nanoparticelle di silice, che si possono ricavare anche dalla cenere degli scarti del riso

Poter disporre di pneumatici che abbiano una maggiore aderenza al suolo, siano più sicuri e duraturi e nello stesso tempo diminuiscano il consumo di carburante, è il desiderio di tutti i conducenti di veicoli a due e a quattroruote. Un desiderio che si sta trasformando a poco a poco in realtà grazie a recenti studi eseguiti su materiali avanzati che hanno portato l’Università di Milano-Bicocca e Pirelli Tyre a sviluppare e a brevettare una nuova mescola a base di nanoparticelle di silice allungata. «Abbiamo valutato l’impiego di particelle di silice di morfologia diversa dalla sferica, finora mai esplorato, e il grande risultato della nostra ricerca, che ha comportato la sintesi e la dispersione di particelle con differente lunghezza nonché lo studio della relazione tra caratteristiche morfologiche e proprietà meccaniche, è stato quello di aver capito l’importante ruolo esercitato della loro forma: più è infatti allungata e più consente un effetto di rinforzo degli pneumatici», spiega Franca Morazzoni, professore ordinario di chimica generale e inorganica e coordinatrice del team di sintesi dei materiali inorganici dell’Università di Milano-Bicocca che, in collaborazione con i ricercatori di Pirelli Tyre diretti da Thomas Hanel, ha realizzato la ricerca pubblicata sulla rivista Soft Matter della Royal Society of Chemistry.

I nuovi filler

Gli attuali battistrada sono costituiti per il 60-70% circa da miscele contenenti gomma - fatta di polimeri sintetici e di gomma naturale - mescolata con un 20-30% di filler, cioè di componenti inorganici, quali la silice sferica che da dieci anni a questa parte ha sostituito il black carbon, il cosiddetto nero fumo, che tendeva ad agglomerarsi e a non aderire bene alla gomma. Per evitare che gli pneumatici dissipino troppa energia rotolando sulle strade, si è cercato negli anni di ridurre il più possibile il movimento del filler interno alla gomma, qual è la silice appunto, incrementando l’interazione tra filler e gomma. Come è stato perseguito questo obiettivo? Si sono utilizzati compatibilizzanti, vale a dire molecole organiche che grazie ai propri atomi di carbonio e di idrogeno fanno da trait d’union tra la silice e la gomma. Ma non solo. «Grazie alla ricerca svolta oggi si sa che si può anche modificare la forma della particella di silice, in modo da aumentare il rapporto superficie/volume e renderla più capace di contornarsi di gomma», prosegue Morazzoni.

Dalle particelle alle miscele

Per capire quale forma garantisse una migliore aderenza della silice alla gomma, i ricercatori hanno eseguito uno studio durato tre anni. Sono partiti da una silice ottenuta per idrolisi da precursori organometallici, quali il tetraetossisilano (Teos) e il 3-mercaptopropiltrimetossisilano (Mptms), la cui forma è stata indirizzata con il cetiltrimetilammonio bromuro (Ctab), un templante (cioè una particella che funge da nucleo centrale intorno al quale avviene una determinata reazione, nda) impiegando differenti rapporti Mptms/Teos. In questo modo si sono ottenute particelle di silice rod-like (allungata) con un diverso rapporto lunghezza/diametro (sezione di 80 nanometri e lunghezza variabile da 200 a 400 nm) che, dopo essere state caratterizzate al microscopio elettronico in trasmissione, sono state unite alla miscela di stirene butadiene in vari rapporti a una temperatura di 133 gradi. Dalle particelle l’attenzione è passata alle mescole che sono state analizzate con la microscopia elettronica a trasmissione (Tem) e con la microscopia a forza atomica (Afm) per mettere in evidenza la morfologia della superficie dei loro componenti.

I risultati della ricerca

I dati ottenuti hanno dimostrato che la silice allungata permetteva una maggiore interazione con la gomma: intorno a essa si disponeva infatti una quantità più alta di gomma eterogenea, cioè più densa, pari al 10% rispetto a quella che circondava la superficie della silice sferica (2%). Ad aumentare ulteriormente l’effetto di rinforzo contribuiva anche la disposizione parallela che i bastoncini di silice assumevano nella mescola. Grazie alla loro forma allungata, le particelle acquistano infatti un momento di dipolo, hanno cioè una parte positiva e una parte negativa, che le fa disporre parallelamente rispetto al loro asse principale. In questo modo i loro domini avevano un’ulteriore regione di gomma densa e irrigidita da condividere che riducendo la motilità del filler miglioravano nel complesso le proprietà meccaniche degli pneumatici.

Silice dagli scarti del riso

Sulla silice si sono concentrati anche i ricercatori di Goodyear che hanno messo a punto un metodo chimico per ottenerla dalla cenere della lolla di riso, nella quale è contenuta in grande quantità. L’idea di derivarla da questa fonte, tra l’altro molto abbondante, non è tuttavia nuova: da anni ormai la silice si ottiene trasformando la cenere della lolla ma solo recentemente si è realizzato un procedimento che ha permesso di estrarre silice con una qualità sufficientemente alta per essere utilizzata negli pneumatici. L’innovativo approccio, che usa la soda caustica per digerire la cenere e produrre una soluzione di silicato di sodio dopo filtrazione e che prevede la precipitazione della silice e il suo essiccamento sotto specifiche condizioni di tempo e di temperatura, ha consentito di produrre il primo pneumatico con questa materia prima sostenibile che sarà introdotto a breve nel mercato cinese. Questo nuovo battistrada, che i ricercatori garantiscono avere le stesse prestazioni degli pneumatici realizzati con fonti tradizionali, mette d’accordo un po’ tutti. Soddisfa le esigenze di approvvigionamento di silice – secondo la Fao ogni anno si raccolgono nel mondo più di 700 milioni di tonnellate di riso e lo smaltimento della lolla di riso rappresenta una grande sfida ecologica – presenta numerosi vantaggi ambientali, tra cui quelli di ridurre la quantità di scarti da smaltire in discarica e di abbassare del 30% l’energia di produzione della silice, e consente di produrre pneumatici di qualità con una minore resistenza al rotolamento, più aderenti alla strada e meno dispendiosi da un punto di vista energetico.

FONTE: Manuela Campanelli (corriere.it)

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