Rassegna della stampa tecnica estera

MISCELAZIONE AD IMPASTO PER UNA DISPERSIONE UNIFORME DI NANOTUBI DI CARBONIO IN COMPOSITI DI GOMMA NATURALE

J-S. Gao, Z. Liu, Z. Yan, Y. He, College of Electromechanical Engineering, Shandong Engineering Laboratory for Preparation and Application of High-Performance Carbon Materials, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao (China) - RESULTS IN PHYSICS 15, 2019, pag. 1-6

Inanotubi di carbonio (CNT) sono ormai da tempo oggetto di studi per le loro eccellenti prestazioni di alte proprietà meccaniche ed elevata conducibilità termica ed elettrica, caratteristiche che si cerca di introdurre nella gomma con il loro utilizzo in mescola. Il punto chiave per ottenere le proprietà citate e un desiderabile effetto di rinforzo è una buona dispersione dei CNT, per la quale è importante il processo di miscelazione di CNT e gomma. Purtroppo i sistemi in uso (miscelazione meccanica, in lattice, in soluzione, per spruzzatura e per fusione, tutti metodi illustrati brevemente nell’introduzione dello studio) presentano criticità di utilizzo a causa della facilità di aggrovigliamento dei CNT fra di loro, per i grandi rapporto dimensionale e forza di Van der Waals esistenti.

In questo studio viene adottato un semplice metodo di miscelazione a impasto per preparare CNT ben dispersi in compositi di gomma: il processo si compone di due fasi, la prima con la preparazione di una dispersione uniforme di CNT in un impasto di gomma naturale aggiungendo sodio dodecil solfato (SDS), la seconda con la miscelazione della gomma essiccata con carbon black e zolfo su mescolatore aperto e con successiva vulcanizzazione.

Il metodo presentato viene confrontato con il metodo Peng di miscelazione in lattice, esaminando morfologia, proprietà meccaniche, conducibilità termica etc. dei relativi compositi ottenuti, al fine di dimostrarne l’efficacia in termini di uniformità della miscela.

La preparazione della pasta di CNT/ gomma naturale viene fatta sulla base di una semplice formulazione con accelerazione a zolfo, con aggiunta di SDS ad una miscela iniziale di ossido di zinco, accelerante e antiossidante, tutti in polvere, che viene poi introdotta nel lattice di gomma naturale: il procedimento viene illustrato con alcune fotografie, che ne esplicitano la facilità di esecuzione. Dedicando un paragrafo a ciascuna delle proprietà verificate per le due miscele messe a confronto (morfologia, effetto Payne, proprietà meccaniche, conducibilità termica ed elettrica) con l’ausilio di immagini TEM (Transmission Electron Microscopy) e grafici opportuni, lo studio arriva infine alla conclusione che il nuovo metodo consente una dispersione uniforme dei CNT grazie al fatto che: SDS migliora l’attrazione fra gomma naturale e CNT, diminuendo la tensione interfacciale della gomma naturale e rafforzando la forza repulsiva elettrostatica fra i CNT; gli additivi mescolati aumentano la viscosità del lattice, che diventa pasta con una bassa tensione interfacciale; la posizione dei CNT si fissa nella gomma naturale dopo la loro miscelazione ed evita anche l’agglomeramento secondario.

RICICLO DELLA GOMMA

UTILIZZARE LA VALUTAZIONE DEL CICLO DI VITA PER COMPRENDERE

GLI IMPATTI AMBIENTALI DELL’INDUSTRIA DELLA GOMMABENEFICI, SFIDE E PROSSIMI PASSI

L. Stellner, R. Meys, Carbon Minds, Köln (Germany), R. Dahlmann, A. Limper, Institute of Plastics Processing (IKV) in Industry and the Skilled Crafts at RWTH Aachen University, Aachen (Germany) - RFP, Volume 17/2022, pag. 24-27 ell’industria della gomma l’analisi del ciclo di vita dei manufatti è considerata complessa e dispendiosa, a causa delle sue diverse materie prime e filiere globali, così che appare una sfida superare gli ostacoli per una valutazione degli impatti ambientali che porti a forti decisioni in merito. Questo articolo offre una prospettiva di come l’industria della gomma può beneficiare dell’utilizzo e dell’applicazione dell’analisi del ciclo di vita e individuare le maggiori rilevanti sfide che devono essere vinte. A questo scopo vengono presi in esame pneumatici e articoli tecnici per autoveicoli, in relazione ad una produzione e una filiera di utilizzo semplificate, che comprendono la produzione delle materie prime, la produzione dei manufatti, la fase d’uso del manufatto e della fine del suo ciclo di vita. Per quanto riguarda la produzione della materia prima, mentre sono disponibili i dati sull’impatto ambientale, nel caso per esempio di emissione di gas serra, delle principali materie prime quali SBR, carbon black e olio di processo, poco si conosce nel caso di molti additivi. Sarebbe tuttavia già un buon risultato sfruttare i dati esistenti, per prendere decisioni su componenti che riducano i relativi impatti ambientali.

Nell’ambito della produzione dei manufatti, la valutazione dell’impatto ambientale deve basarsi sulle varie fasi del processo, dalla mescola alle lavorazioni successive alla produzione del manufatto: gli impatti ambientali dipendono principalmente dai consumi di energia elettrica e termica, per i quali rimane un problema la conoscenza dei dati relativi alla singola macchina utilizzata. Occorrerebbe quindi raccogliere questi dati delle macchine in modo più dettagliato, preciso e consistente, con una metodologia che consentisse di convertirli agli impatti ambientali del manufatto. Occorre poi tener conto della crescente richiesta dell’impronta di carbonio dello specifico manufatto da parte dei clienti finali: soddisfarla sarà essenziale per mantenere vendite e fatturati.

L’analisi del ciclo di vita, inoltre, aumenta la comprensione degli impatti ambientali del processo produttivo dei manufatti, in relazione all’interazione fra scelte dei componenti e successiva produzione, e consente di bilancia- re vantaggi di processo e potenziali impatti ambientali di componenti aggiuntivi.

L’industria della gomma può anche adottare un approccio più propositivo verso l’analisi di fase d’uso e la fine del ciclo di vita, dal momento che calcolare l’impatto ambientale lungo la filiera fino al consumatore può identificare potenziali benefici per i clienti della gomma.

In questo modo essa può mostrare ai suoi partner industriali come certi manufatti di gomma siano in grado di ridurre l’impatto ambientale e giustificarne quindi l’utilizzo.

Al tempo stesso si può scoprire il peso ambientale dei manufatti, per evitare che la soluzione di un problema ne crei in realtà altri. Il seguito del paragrafo è particolarmente interessante e introduce il paragrafo conclusivo dell’articolo, incentrato sui passi successivi da intraprendere.

Per proseguire nella direzione indicata nel titolo dell’articolo, è necessa - rio che l’industria della gomma calcoli in primo luogo gli impatti ambientali dei suoi manufatti, focalizzandosi sulla comprensione di principi e benefici dell’analisi del ciclo di vita: per ottenere questi risultati si devono sviluppare le competenze di tutte le persone coinvolte (manager, tecnici, personale di marketing e di vendita) con l’attenzione rivolta soprattutto alla realtà quotidiana delle applicazioni. Si potranno così sviluppare metodologie per raccogliere i dati di materie prime e processi produttivi in funzione di alternative e scenari realistici, valutati da una prospettiva ambientale che mostri i potenziali benefici dei manufatti.

MACCHINARI E ATTREZZATURE

PROCESSO DI DEVULCANIZZAZIONE

HSM (HIGH SHEAR MIXING): UNO STUDIO PRATICO

R. Diaz, Rep International, Corbas (France) - email: rdiaz@repinjection.com - RFP, Volume 17/2022, pag. 30-33

Da alcuni anni il trattamento dei rifiuti di gomma è diventata una sfida impostata su criteri di fattibilità, che stanno dando risultati pratici. Anche se la quantità smaltita in discarica rimane notevole, così come quella destinata all’utilizzo come combustibile, il riciclo dei rifiuti di gomma nell’ambito di un’economia circolare sta diventando una realtà concreta.

Sulla scorta di ragioni di marketing, di consapevolezza ambientale o di adeguamento a nuove normative in merito, le aziende trasformatrici della gomma stanno finalmente lavorando per trovare soluzioni, che portino alla diminuzione dei rifiuti e al riciclo dei manufatti giunti a fine vita.

Tutti sanno ormai che il riciclo ideale della gomma consiste nella sua devulcanizzazione, ossia nella rottura dei legami formatisi durante la vulcanizzazione, così che le catene polimeriche tornino ad essere libere e quindi disponibili per una nuova vulcanizzazione: oggetto di questo studio è il processo di devulcanizzazione termomeccanica HSM (High Shear Mixing), sviluppata da REP International.

Posto che i legami esistenti nelle gomme vulcanizzate sono di tre tipi (C-C,

C-S e S-S, con energia di legame decrescente), la devulcanizzazione dovrebbe consistere solo nella scissione dei legami C-S e S-S fra le catene polimeriche. I processi di devulcanizzazione fisica, come quello illustrato in questo lavoro, sono progettati proprio per sfruttare le differenti energie dei legami fra le molecole della gomma vulcanizzata, fornendo alla gomma energia sufficiente per rompere i legami C-S e S-S. Il trattamento HSM (un semplice schema ne illustra le varie parti) consiste nel sottoporre la gomma ad una serie di alti livelli di sollecitazioni di taglio e di estensione, che siano in grado di selezionare efficacemente i legami da rompere: questo viene realizzato per mezzo di due coni metallici coassiali con superficie scanalata, tra i quali viene inserita la gomma da trattare. La combinazione di diversi parametri (distanza fra i due coni, velocità di rotazione e direzione di rotazione) fa sì che la gomma si muova nelle scanalature dei coni e venga sottoposta a sforzo e rilassamento in modo continuo e rapido. Trattata in continuo, la gomma si autoriscalda, con la temperatura controllata da un sistema di raffreddamento che dissipa il calore, in modo che non si superino gli 80 °C in nessuna zona della macchina. In questo studio la distanza fra i due coni è 0.5 mm e la velocità è impostata a 50 min -1. Lo studio prende in esame tre diverse formulazioni a base gomma poliacrilica AEM, fluoroelastomero FKM e gomma naturale, con le quali si producono alcune mescole, sempre con una mescola di riferimento senza gomma trattata con HSM e altre con diverse percentuali di polvere di gomma trattata con HSM di granulometria 200 e 500 μm, con trattamento di post-vulcanizzazione se previsto.

Condotte le prove di viscosità Mooney e di vulcanizzazione sulle gomme non vulcanizzate, si procede poi a determinare le proprietà tensili, di lacerazione e durezza sui campioni vulcanizzati.

Le conclusioni a cui portano i risultati delle prove sono le seguenti: tutti i campioni non vulcanizzati mostrano un aumento di viscosità; le percentuali di gomma trattata con HSM influenzano il carico di rottura della gomma naturale, ma non di AEM e FKM; a parità di percentuale di gomma trattata con HSM, i campioni con granulometria più fine mostrano proprietà più vicine a quelle della gomma vergine; la post-vulcanizzazione ha un effetto negativo sulle proprietà finali e occorre condurre altre prove per scoprirne la causa; per tutte le mescole con gomma trattata con HSM, le variazioni riscontrate sono tali da soddisfare comunque i requisiti richiesti per la maggior parte dei manufatti considerando che, nei casi in cui questo non si verificasse, una variazione di formulazione per alcuni ingredienti della mescola (plastificanti, acceleranti etc.) dovrebbe risolvere quasi tutti i problemi.

Prove E Misurazioni

PROPRIETÀ TENSILI MULTIASSIALI DI ELASTOMERI

V.A. Kolupaev, A. Nierbauer, Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability (LBF), Department Mechanics & Simulation, Darmstadt (Germany) - email: vladimir.kolupaev@lbf.fraunhofer.de - RFP, Volume 17/2022, pag. 34-37

Simulazione virtuale di componenti elastomerici e comportamento reale sono spesso sensibilmente diversi, probabilmente perché vengono presi in considerazione solo i dati di prova tensile unidirezionale. Lo scopo di questo studio è quello di fornire informazioni utili sul comportamento meccanico di elastomeri sotto carico multiassiale, sulla base del fatto che la prova di rigonfiamento è il modo più semplice per realizzare un carico tensile biassiale su questi materiali.

Sulla scorta della rivisitazione critica di molti studi precedenti, questo studio migliora notevolmente le specifiche di prova conosciute per la prova tensile biassiale, dal momento che la misurazione ottica 3D, adottata per le deformazioni durante il carico, consente la precisa acquisizione della risposta meccanica dei fogli elastomerici fino alla rottura.

L’equazione di Rivlin, opportunamente modificata, può essere adattata ai dati misurati con carico tensile uniassiale, biassiale e di sollecitazione piana, così che risulta chiaro l’impatto di ciascun termine nell’equazione.

L’esposizione delle fasi dello studio, illustrate da figure e da un breve filmato con accesso tramite codice QR, risulta senz’altro comprensibile a tutti i lettori, mentre la parte specifica della modellazione richiede familiarità concettuale e pratica con l’argomento. Considerando che le prove esposte nello studio sono state accettate a livello industriale e di ricerca (il metodo può essere applicato a film, tessuti biologici morbidi e, in generale, ad altri materiali in forma di fogli), viene sottolineato il fatto che gli scienziati dell’Istituto Fraunhofer LBF analizzano le sfide individuali della modellazione di materiali elastomerici e forniscono competenza a tutti i livelli del processo di progettazione.

ELASTOMERI E LAVORAZIONE

OTTIMIZZAZIONE DELLA PRECISIONE

DIMENSIONALE DI ESTRUSI DI GOMMA PER MEZZO DEL CONTROLLO DELLA VELOCITÀ DEL RULLO DI ALIMENTAZIONE

C. Hopmann, U. Nillius, M. Schön, A. Limper, Institute for Plastics Processing (IKV) in Industry and Craft at RWTH Aachen University, Aachen (Germany) - email: uwe.nillius@ikv.rwth-aachen.de - RFP, Volume 17/2022, pag. 38-43

Iprodotti di gomma estrusi semilavorati devono soddisfare elevati requisiti di accuratezza dimensionale per soddisfare l’alta automazione delle lavorazioni successive. La presenza, infatti, di zone con accumulo o carenza di materiale influiscono sull’alimentazione della macchina, causando anomali pressioni o portate, che possono rovinare la geometria dell’estruso.

Il rullo, che porta le strisce di gomma nella zona di alimentazione dell’estrusore, nella maggior parte dei casi è connesso alla vite da un ingranaggio con rapporto di trasmissione fisso, il che elimina la possibilità di controllare il flusso della massa di gomma cambiando la sua velocità. Per superare questa difficoltà bisogna ricorrere a un dispositivo separato che gestisca il rullo, integrazione della macchina che dovrebbe essere possibile attuare per quasi tutti gli estrusori esistenti, posto che si possa disaccoppiare il dispositivo dalla vite e che ci sia spazio sufficiente per inserire trasmissione e motore elettrico nuovi.

Quanto sopra esposto può sembrare a prima vista semplice, ma in realtà è complicato, prima di una attuazione pratica, da tutte le indagini preliminari, intese a stabilire adeguati parametri di controllo: questo è l’argomento del più lungo paragrafo della ricerca, che valuta l’opportunità di controllare la velocità del rullo per mezzo di misurazioni della pressione nel cilindro o della coppia di trasmissione sia della vite che del rullo.

La trattazione è molto accurata e comprensibile anche per chi non ha grande dimestichezza con il processo di estrusione ed aiuta anzi a rendersi conto, in questo caso, di come siano in relazione pressioni e portate della macchina con velocità e temperatura del rullo nella sua attività di alimentazione ed eventuali sovra e sot- toalimentazione. Descritti gli approcci per un controllo della velocità del rullo e per una ulteriore comprensione della zona di alimentazione, la ricerca arriva alla conclusione, che si articola essenzialmente in valide considerazioni: le prove preliminari mostrano che le coppie di trasmissione della vite e del rullo reagiscono in modo molto sensibile alle alterazioni nell’alimentazione e sono quindi adatte al controllo; le pressioni del materiale fuso, in ogni zona del cilindro, reagiscono lentamente alle alterazioni nella zona di alimentazione e di conseguenza sono idonee solo per monitorare il processo; le prove preliminari mostrano anche che la velocità del rullo può influenzare la portata dell’estrusore, per cui è possibile regolare l’alimentazione del materiale con il rullo nel caso in cui l’estrusore non funzioni al massimo della capacità; dove è possibile regolare la temperatura del rullo, questa regolazione non si può utilizzare per il controllo, ma solo per ottimizzare i valori di frizione e massimizzare così il flusso di massa fornito dal rullo.

MACCHINARI E ATTREZZATURE

L’ANALISI SMARTFLOW OTTIMIZZA LA PROGETTAZIONE DELLE ATTREZZATURE PER GOMMA E SILICONE

S. Early, D. Hart, Klockner Desma Elastomertechnik, Fridingen (Germany)RUBBER&TIRE, giugno/luglio 2022, pag. 16-18

Klöckner Desma Elastomerictechnik di Friding (Germania) produce macchinari e stampi e sviluppa celle di produzione per la lavorazione di gomma e silicone: fondata nel 1965, l’azienda è specializzata nello sviluppo di stampi e canali freddi.

Oggigiorno i processi di progettazione di una stampo beneficiano di software sofisticati, che creano modelli 3D facilmente trasferibili alla produzione, alla programmazione CAM e al taglio del metallo. Tuttavia le decisioni di base, che comprendono la posizione della linea di divisione, i tipi di ingresso, il previsto comportamento di riempimento del materiale e portano al concetto di stampo finale e alle conseguenti fasi di progettazione, sono guidate da conoscenza pratica ed esperienza dell’e - lastomero. Anche se Desma è in grado di sfruttare l’esperienza collettiva dei suoi team globali per i progetti di stampi, occorre considerare che la progettazione ideale di uno stampo non si realizza sempre al primo passaggio, vuoi per le caratteristiche dei polimeri o altri fattori imprevisti, ma richiede ottimizzazione, prove di produzione e modifiche dello stampo per ottenere un processo stabile.

Tutto questo richiede tempo e risorse: per valorizzare la situazione, Desma ha creato un processo di analisi di flusso chiamato SmartFlow.

L’articolo illustra il funzionamento del software SmartFlow molto dettagliatamente nelle sue varie fasi, unitamente all’unità di controllo Desma DRC2030

TBM, a partire dall’analisi dei clienti della mescola e dei dati CAD della geometria dell’articolo stampato, per passare poi all’unità di iniezione, ai parametri di stampaggio etc.

Viene esposto anche un caso pratico di applicazione dell’analisi SmartFlow ad uno stampo a cavità multiple per guarnizioni motore, evidenziando i vantaggi della sua simulazione in confronto ai metodi tradizionali di progettazione. Tanti sono comunque i benefici di SmartFlow citati nell’articolo, dalla verifica degli ingressi nello stampo alla determinazione delle zone di sfiato, dalla individuazione tempestiva dei difetti di stampaggio alla definizione dei parametri dello stampaggio a iniezione.

MACCHINARI E ATTREZZATURE

MIGLIORARE LA REDDITIVITÀ PER MEZZO DI TECNOLOGIE E PROCESSI INMNOVATIVI

G. Veit, C.D. Tittensor, Zeppelin Systems, Friedrichschafen (Germany), S. Liébana Viñas, Evonik Industries, Essen (Germany)RUBBER&TIRE, giugno/luglio 2022, pag. 19-21

Nell’ambito della produzione di pneumatici esistono oggi due situazioni antitetiche: aumenta infatti l’utilizzo di materiali ad alte prestazioni ma, contemporaneamente, aumentano anche le richieste di prodotti economici. Il gruppo Evonik, produttore di specialità chimiche, e Zeppelin Systems, fornitore di automazione di stabilimenti, stanno lavorando insieme per dimostrare come l’utilizzo di prodotti e processi innovativi possa migliorare le prestazioni dei pneumatici, rendendo allo stesso tempo perfino più economica la loro produzione.

Un’interessante parte dell’introduzione dell’articolo, prendendo come riferimento una tipica formulazione per pneumatici green, parla dei vantaggi dell’utilizzo di prodotti liquidi, che riducono la viscosità della mescola o migliorano, come additivi funzionali, le proprietà del pneumatico, mettendo però in rilievo che essi vengono impiegati per lo più come plastificanti, che migliorano le proprietà di processo della mescola ma possono peggiorare alcune proprietà di prestazione e sicurezza come l’aderenza di frenata. Viene così presentata la gomma butadiene liquida (LBR), che può essere incorporata in modo reattivo nella mescola durante la vulcanizzazione con formazione di legami chimici covalenti solidi e permanenti, continuando comunque ad offrire vantaggi di mescolazione.

Delle due aziende citate viene presentata prima la Zeppelin, che ha sviluppato la soluzione innovativa Liquid Dosing System, sistema completamente automatico e sigillato, che garantisce un dosaggio esatto delle materie prime liquide usate e proprietà consistenti delle mescole.

Spiegato il funzionamento e i vantaggi del sistema Zeppelin, l’articolo passa a presentare il polibutadiene, funzionalizzato silano, PolyVest ST di Evonik, illustrandone il comportamento in mescola con silice e matrice gomma ed evidenziandone gli effetti positivi sulle prestazioni del pneumatico e i vantaggi nel processo di mescolazione.

M ettendo l’accento sulle elevate esigenze di gestione delle gomme liquide, l’articolo, precisando che il sistema Zeppelin funziona con oli, cere e additivi chimici, spiega il suo funzionamento in rapporto anche con l’analisi di capacità di processo.

L a conclusione dell’articolo conferma che Zeppelin si concentra sull’ottimizzazione del processo ed informa che la società ha finora realizzato più di 80 progetti di impianti di produzione di pneumatici nel mondo ed offre la pos- sibilità di testare il suo Liquid Dosing System nello stabilimento delle aziende interessate, perché si rendano conto della sua validità in un reale ambiente di produzione.

MATERIE PRIME E APPLICAZIONI NANOTUBI DI CARBONIO CON FUNZIONALIZZAZIONE DI ORGANOSILANO MIGLIORANO ABRASIONE E RESISTENZA AL ROTOLAMENTO DI MESCOLE BATTISTRADA PNEUMATICO CON SILICE-SILANO

A. Krupp, K. Swogger, Molecular Rebar Design, Austin, Texas (USA) - RUBBERWORLD, ottobre 2022, pag. 14-16

Iveicoli elettrici consumano i pneumatici molto più velocemente dei tradizionali veicoli con motore a combustione interna ICE (Internal Combustion Engine), soprattutto per il loro peso più elevato, per la coppia quasi istantanea e per la guida essenzialmente urbana. Di solito i pneumatici automobile sono prodotti con una mescola battistrada a base SSBR-BR e silice silanizzata, che assicura migliori risparmi di carburante e tenuta sul bagnato. Attualmente i CNT commerciali di Molecular Rebar per l’industria del pneumatico sono separati (ben dispersi e individualizzati) ma solo leggermente funzionalizzati con ossidazione < 0.5 wt.%. Si è perciò ipotizzata la necessità di un’ulteriore ossidazione della superficie dei CNT, che consentisse a sua volta un’ulteriore modifica chimica con un organosilano. Scelto il silano Si69, lo studio spiega come i suoi gruppi reattivi formino dapprima legami -OH e -COOH con i CNT e successivamente legami S-S col polimero durante la vulcanizzazione.

Lo scopo di questo nuovo prodotto di Molecular Rebar è quello di sostituire parzialmente la silice nella mescola di un pneumatico green e offrire migliore resistenza all’abrasione e al rotolamento, con conseguente più lunga durata e maggiore risparmio di energia motrice.

Per ottenere questi risultati gli autori dello studio hanno compiuto molti studi su metodologie di processo e di inserimento dei CNT modificati nella matrice gomma, giungendo alla ottimizzazione di due formulazioni, sulla base di una formulazione originaria per mescola battistrada green, in cui il contenuto di silice è stato ridotto da 90 a 40 e 60 phr con la presenza di 13 e 5 phr rispettivamente di CNT, modificando anche la quantità di olio e silano Si69 originali. I risultati ottenuti sono notevoli: il CNT modificato silano di Molecular Rebar ha migliorato drasticamente del 25 % la resistenza all’abrasione, riducendo il peso del pneumatico del 6-7 % e la resistenza al rotolamento del 20 %. Di conseguenza lo studio dimostra che si possono progettare nuove mescole per battistrada pneumatico, che migliorano il risparmio energetico (carburante ed energia elettrica), riducono il peso del pneumatico e aumentano la vita dei pneumatici per veicoli elettrici.

di Daniela Garbillo