Syntetický kaučuk a ekologické pneumatiky

V nasledujúcom roku (2012) zavádza EÚ takzvaný Tire Labeling, t.j. označovanie pneumatík ekologickými etiketami, podobne ich poznáme pri chladničkách či televízoroch. Nasadenie etikiet, zásadne zmení trh s pneumatikami. Podľa analýz koncernu Lanxess, ktorý je lídrom medzi výrobcami kaučuku a dodávateľmi surovín pre výrobcov pneumatík, by podiel pneumatík s vyšším ekologickým a bezpečnostným štandardom mal v roku 2012 dosiahnuť až 25 %. Vďaka etiketám dostanú zákazníci prvýkrát v histórii príležitosť rozlišovať medzi úspornými pneumatikami a modelmi, ktoré zásadne zaťažujú životné prostredie a získajú možnosť porovnať cenu a úsporu počas životnosti pneumatiky.  Tento informačný systém výrazne pomôže pri rozhodovaní o nákupe pneumatík: etiketa bude obsahovať palivovú účinnosť, priľnavosť na mokrej ceste a hlučnosť. Rozdiel napríklad vo valivom odpore medzi pneumatikami najvyššej  kategórie A a najhoršej kategórie G je okolo 40%. To znamená cca 10% úsporu v spotrebe paliva. Firma Lanxess je pritom presvedčená, že sa pomocou high-tech syntetických kaučukov dá spotreba paliva pri vysokovýkonných pneumatikách ešte ďalej znížiť. Podporou ekologických pneumatík možno výrazne znížiť aj hlukové emisie a emisie CO2 na európskych cestách, a to pri zachovanej bezpečnosti.

Vďaka high-tech kaučukom dokáže výrobný priemysel pneumatík plniť už aj dnes vysoké nároky EU na ekologickosť a bezpečnosť pneumatík. Od nových smerníc EÚ sa očakáva pozitívny impulz na európsky pneumatikársky priemysel a tiež pre kľúčových dodávateľov surovín, ako je napríklad Lanxess a ďalšie firmy špeciálnej chémie. Lanxess pracuje na ďalšej optimalizácii a vývoji nových funkčných syntetických kaučukov, aby dokázal rozšíriť tzv. „magický trojuholník“ pneumatikárskeho priemyslu. To poskytuje výrobcom väčší priestor pri dizajnovaní pneumatík. Kľúčovým krokom k znižovaniu spotreby pohonných hmôt, a tým k ochrane klímy sú jednoznačne zmeny v konštrukcii a zložení pneumatiky a  gumenej zmesy. Ďalším vývojom svojich kaučukov na báze syntézy (SBR kaučuky, neodýmiové kaučuky, butylkaučuky), ako aj kaučukových chemikálií prispieva Lanxess k zlepšovaniu kombinácie troch kľúčových vlastností pneumatík: opotrebovanie, priľnavosť za vlhka (grip) a valivý odpor (zodpovedný za úroveň spotreby).

Inovatívne riešenia v pneumatikárskom priemysle

Pneumatiky „spália“ dnes 20-30% zo spotreby auta. Zníženie je možné kombináciou novovyvinutých styrolbutadiénových kaučukov, silánov s kombináciou plniacich látok silika – kyselina kremičitá. Takto sa podarilo prvýkrát vyrobiť produkty s dobrým valivým odporom a vylepšenou odolnosťou voči šmyku na vlhkej vozovke. Najnovšie produkty vykazujú o 20% nižšie hodnoty valivého odporu ako predchádzajúca generácia.  Vývojári firmy Lanxess sú presvedčení, že sa táto hodnota dá znížiť ešte o ďalších 10%, a to v dohľadnej dobe vďaka najnovším technológiám špeciálnej chémie, ktoré sú už dnes k dispozícii.

Lanxess vyvinul v uplynulých rokoch kaučuky na báze syntézy, ktoré sa pevnejšie ako predtým spájajú s čiastočkami siliky vďaka špeciálnym tzv. funkčným skupinám. V súčasnosti sa Lanxess podarilo rozmiestniť tieto funkčné skupiny cez celú molekulu kaučuku.  Tým drasticky zvyšujeme hustotu v elastoméri. Prvé skúmania ukazujú, že nové funkcionalizované  roztokové SBR (styrén-butadién) kaučuky sa viažu ešte lepšie na siliku ako doteraz. Výskum Lanxess je preto presvedčený, že toto je cesta znižovania valivého odporu. Súbežne s tým sa zvyšuje priľnavosť za vlhka (grip).

Aj nové neodýmiové butadién kaučuky od Lanxess (skrátene Nd-BR) ponúkajú príležitosť pre ďalší vývoj  pneumatík. Prírodný kaučuk sa radí medzi elastické materiály vďaka nedosažiteľne pravidelnej štruktúre tohto polyméru. Nd-BR kaučuky s podielom vinylu pod 0,5% a cis-podielmi cez 98% sa vzoru v podobe prírodného kaučuku výrazne približujú, ale zásadne ho prekonávajú v nižšom opotrebovaní oterom a valivom odpore. S Nd-BR kaučukmi sa darí zásadne zlepšiť valivý odpor pneumatík a súčasne prispieva k tomu, aby si gumárenské produkty zachovali ohybnosť pri nízkych teplotách a zároveň aby sa zabránilo oteru.

Ďalší príklad toho, ako vyspelý molekulárny dizajn  pomáha vývojárom pneumatík v tvorbe kvalitnejších produktov sú polybutadiénové kaučuky s tesným rozložením molekulárnej hmotnosti. To je pre technikov enormne dôležité, pretože molekulárna hmotnosť definuje, koľko krátkoreťazcových a dlhoreťazcových molekúl kaučuk obsahuje. Čím dlhšie sú reťazcové molekuly, o to dynamickejšia je výsledná guma. Aj z tejto výhody čerpá valivý odpor. Problémom však je, že pridlhé molekuly súčasne zvyšujú viskozitu kaučuku, a to dokonca exponenciálnym (geometrickým) radom.  Krátkoreťazcové molekuly naopak pôsobia ako zmäkčovače, a tým zhoršujú dynamické vlastnosti, čo v tomto prípade vedie k vyššiemu oteru a nevýhodnejším hodnotám valivého odporu. To znamená, že najlepšie kaučuky sa spracúvali najproblematickejšie. Tento problém  riešia vysoko molekulárne kaučuky Lanxess s tesným rozložením molekulárnej hmotnosti ako napríklad Buna CB 22 a CB 21. Obsahujú menej krátkoreťazcových, zmäkčujúcich častí v kaučuku. Keďže súčasne obsahujú menej výnimočne dlhých reťazcov, klesá aj Mooney viskozita elastoméru. Napriek tomu je molekulárna hmotnosť elastomérových reťazcov v priemere vyššia ako pri konvenčných produktoch.  Výsledok je priaznivý valivý odpor. Buna CB 22 s popísanými vlastnosťami je už dnes súčasťou priemyselných výrobných procesov. Novší variant Buna CB 21 sa v súčasnosti testuje v behúňoch a bočných  stenách  pneumatík. Priebežné testy ukazujú kladné výsledky.

Kvalitu pneumatík ovplyvňujú aj aditíva

Samozrejme výkonnosť gumenej zmesi neurčujú len polyméry. Aj aditíva spôsobujú výrazný rozdiel medzi dobrými a výbornými pneumatikami. To platí aj pre rastúci segment zelených, t.j. eko pneumatík na báze siliky. Ďalší vývoj týchto produktov  si vyžaduje aj prispôsobenie prídavných látok. Tu naráža na svoje limity napríklad využívanie celosvetovo veľmi rozšíreného sekundárneho urýchľovača N,N’-Diphenylguanidin (DPG), keď sa jedná o naviazanie kyseliny kremičitej pri miešaní  (kompaundovaní) cez silan SI 363 na kaučuk. Tento problém rieši priemysel produktom firmy Lanxess s názvom Vulcuren. Vulcuren dokáže nahradiť DPG ako sekundárny urýchľovač. Okrem iného pritom zabraňuje tomu, aby pneumatika s obsahom siliky časom stvrdla, čím by stratila časť dobrých vlastností z hľadiska odolnosti voči šmyku na vlhkej vozovke. Tým plní Vulcuren vo vysokovýkonných pneumatikách  ako jediné aditívum svojho druhu niekoľko dôležitých funkcií. Pomáha ako ochranný prostriedok proti reverzii (prechodu vulkanizátu do plastického stavu) pri uchovaní vlastností pneumatiky. Ako sekundárny urýchľovač uľahčuje výrobu pneumatík a umožňuje tiež integráciu nových silanov ako je SI 363.

Ďalšie aditívum, ktorý má stále väčší význam pre „zelené“ pneumatiky je silika aditívum 9202. Aby sa kyselina kremičitá rovnomernejšie rozložila v zmesi, tvoriacej pneumatiku, prekladá sa obyčajne emulgátormi. Často sa pritom používajú zinkové mydlá. Tieto však majú zásadné nedostatky: obsiahnutý zinok sa opotrebúvaním pneumatiky dostáva do životného prostredia. Okrem toho môžu zinkové mydlá pôsobiť v gumenej zmesi ako zmäkčovadlá. Tým za istých okolností uberú „zelenej“ pneumatike časť jej výkonových vlastností.  Výkonné silika aditívum 9202 má rovnaký prínos ako zinkové mydlá, avšak bez škodlivého  zinku a bez zmäkčovacieho účinku emulgátorov.

Aj použitie alternatívnych  olejov, ktorých používanie je povinné podľa smernice EU 2005/69/EG od začiatku roka 2010, ponúka technické príležitosti. Tieto oleje môžu pomôcť pozitívne ovplyvniť dôležité vlastnosti pneumatík. SSBR kaučuk PBR 4013 od firmy Lanxess využíva takzvané „Safe Oils“. V priamom porovnaní so štandardným typom VSL 5025-2 (čo je TDAE olej pre SSBR kaučuky) dosahuje nový produkt PBR 4013 v testoch odrážavosti (rebound) a dynamických testoch lepšie výsledky. Podobne pozitívne výsledky sú v pneumatike spravidla spojené  s kombináciou menšieho valivého odporu a dobrých vlastností pri jazde na vlhkom povrchu.

High-tech plasty pre zníženie hmotnosti vozidiel

Lanxess sa zameriava aj na najnovšie aplikácie pre inovatívne a ekologické riešenia pre ľahké konštrukcie, t.j. úsporu hmotnosti v automobilovom priemysle. Nižšia spotreba, väčší dojazd a vyššia bezpečnosť totiž hrajú stále väčšiu rolu pri automobiloch. Príkladom je hybridnou technológiou vyrábaný predný rám automobilu Audi A8, v ktorom sa prvýkrát popri hliníkovom plechu používa aj ľahký organický plech: termoplast, zosilnený sklenými vláknami. „Táto predná maska vozidla potvrdzuje, že organické plechy spĺňajú požiadavky týkajúce sa, napríklad, torznej alebo ohybovej pevnosti. Ide o vynikajúcu alternatívu k oceľovému a hliníkovému plechu v hybridnej technológii. Považujeme tento komponent za medzistupeň na ceste k celoplastovým sériovo vyrábaným hybridným predným maskám vozidla iba s vložkami organických plechov kombinovaných s polyamidom 6,“ povedal Ulrich Dajek, odborník na hybridnú technológiu v obchodnej jednotke LANXESS Semi-Crystalline Products.

Z dôvodu ešte väčšieho rozšírenia potenciálu aplikácie a výkonnosti hybridnej techniky pracuje spoločnosť LANXESS v súčasnosti na náhrade oceľového a hliníkového komponentu „organickými plechmi“. S týmto cieľom spolupracuje s firmou Bond-Laminates GmbH, jedným z najväčších výrobcov týchto termoplastických dosiek s nepretržitým skleneným vláknom (TEPEX), so sídlom v Brilone. „Výsledkom by mal byť v podstate hybridný diel vyrobený iba z plastu. Je ľahší než jeho náprotivok z kovu a má vyššiu odolnosť povrchu i vyššiu pevnosť. Okrem toho si nevyžaduje žiadnu ochranu pred koróziou, čo sú pri použití kovov dodatočné náklady,“ vysvetľuje Dajek.

Doteraz sa ako kovový komponent využívala oceľ alebo hliník. Organické plechy sú termoplasty (v tomto prípade s polyamidom 6 ako základnou hmotou) vystužené neprerušovanými vláknami. Tieto organické plechy pozostávajú zo špeciálnej výstuže, ktorá je v určenej orientácii vložená do termoplastickej matrice. Výstuž tvorí sklenené vlákno, Kevlar alebo uhlíkové vlákno. Vhodná termoplastická matrica je z polyamidu, lebo okrem jeho mnohých predností vykazuje aj dobrú priľnavosť k vláknam. Pri výrobe celoplastového hybridného dielu je organický plech najprv tvarovaný lisovaním za tepla. Výsledný polotovar sa potom nahreje teplotou neprevyšujúcou bod topenia plastickej matrice a následne sa vloží do vstrekovacieho nástroja a zapuzdrí sa. V prípade nutnosti je možné do vybraných bodov vložiť termoplastické rebrá a výstuže. Keďže je organický plech predhrievaný, veľmi dobre priľne k termoplastu v celej kontaktnej oblasti, podobne ako dobrá väzba alebo zvar. Rovnako ako pri tradičnej hybridnej technológii vzniká medzi dvoma komponentmi spoj v dôsledku trenia, čo výrazne zvyšuje mechanické vlastnosti komponentu ako celku. Spoločne so svojimi partnermi spoločnosť LANXESS v súčasnosti pracuje na presune pôvodne samostatného tvarovacieho procesu do vstrekovacieho nástroja, aby bolo možné vykonávať tvarovanie a vstrekovanie ako jednu operáciu, čo by znamenalo vyššiu efektívnosť nákladov a produktivity. V prípade použitia tejto technológie sa dosahujú úspory v hmotnosti vo výške až 20%.

Easy-flow Durethan BKV 30 EF polyamid 6 s 30 % výstuhou zo skleneného vlákna sa používa na vstrekovanie hybridných predných masiek vozidiel. Je ho možné spracovávať pod vstrekovacím tlakom, ktorý je o 40 % nižší než je tlak používaný pri porovnateľných štandardných triedach polyamidu 6. Výsledkom je nižšia opotrebovanosť formy, ako aj nižšie náklady na údržbu formy. Okrem toho je možné použiť tenšie steny a presnejšie reprodukovať jemne štruktúrované geometrie. Dodatočné úspory je možné získať aj vďaka nižším vstrekovacím teplotám (spotreba energie, doba cyklu). Navyše stačí menej vstupných bodov, čo napomáha dosiahnutiu jednotnej orientácie sklenených vlákien a minimalizovaniu zrážania a deformácie.

Hybridná technológia, patentovaná firmou Lanxess, sa používa už niekoľko rokov. Celkovo automobilky integrovali štatisticky viac ako 40 miliónov súčiastok s hybridnou technológiou do 70 rôznych tried áut na svete.

TEXT/FOTO: Peter Blažečka