Il para-aramide viene utilizzato negli pneumatici ad alte prestazioni per le sue eccellenti proprietà meccaniche, quali elevata resistenza, elevato modulo, resistenza alla fatica e basso creep.
Sin dalla produzione ufficiale del primo pneumatico Michelin nel 1895, parallelamente al rapido sviluppo dell'industria automobilistica, l'industria dei pneumatici ha costantemente migliorato la tecnologia e introdotto nuovi prodotti. Oggi, a livello mondiale, è stata creata una filiera produttiva di pneumatici completa e consolidata. Per gli pneumatici, i materiali dello scheletro sono fondamentali per garantirne la resistenza, la capacità di carico e la stabilità dimensionale. Con la crescente popolarità degli pneumatici radiali, si stanno gradualmente sviluppando pneumatici radiali ad alte prestazioni e pneumatici ecologici, il che impone requisiti più elevati per le prestazioni dei materiali dello scheletro. Il para-aramide viene gradualmente utilizzato negli pneumatici ad alte prestazioni grazie alle sue eccellenti proprietà.
Classificazione e prestazioni dei materiali dello scheletro del pneumatico
I materiali dello scheletro sono il principale strato portante dei prodotti in gomma, e svolgono un ruolo decisivo nelle prestazioni, nella durata e nel valore d'uso dei prodotti in gomma. I materiali dello scheletro ideali devono possedere proprietà meccaniche come elevata resistenza, elevato modulo elastico, resistenza alla fatica, basso creep, e proprietà fisiche e chimiche come bassa densità, resistenza alle alte e basse temperature, resistenza alla corrosione e ignifugazione. Esistono quattro categorie principali di materiali dello scheletro in fibra di pneumatico, ciascuna con i propri vantaggi e svantaggi.
(1) Il cordone in rayon presenta un'eccellente ritenzione del modulo elastico ad alta temperatura e basse caratteristiche di restringimento, e la sua stabilità dimensionale è di gran lunga superiore a quella dei cordoni in nylon e poliestere. Può essere utilizzato nelle carcasse di pneumatici radiali per ottenere eccellenti prestazioni di guida, ma presenta una bassa resistenza all'umidità e un grave inquinamento da produzione.
(2) Il cordone in poliestere presenta i vantaggi di un elevato modulo elastico, elevata resistenza, basso allungamento, basso restringimento termico, buona stabilità dimensionale e pressoché la stessa resistenza a secco e a umido. La sua resistenza alla fatica e all'impatto sono migliori rispetto al cordone in rayon, ma il suo aumento di temperatura causerà aminolisi ad alte temperature.
(3) I vantaggi del filo di nylon sono l'elevata resistenza, la bassa densità relativa, la bassa perdita per isteresi, il basso tasso di assorbimento di umidità, l'elevata resistenza all'umidità, la buona elasticità, una resistenza alla flessione 10 volte superiore a quella del filo di rayon e una migliore resistenza alla fatica rispetto ad altri fili in fibra. I principali svantaggi sono l'elevato restringimento termico, la scarsa stabilità termica e la scarsa stabilità dimensionale.
(4) Negli ultimi anni, il cordone in aramide è stato gradualmente ampliato grazie alla sua elevata resistenza alle alte temperature, all'elevata resistenza, all'elevato modulo e alla ridotta deformazione. Studi hanno dimostrato che il cordone in aramide non solo può ridurre la massa del pneumatico e la resistenza al rotolamento, ma contribuisce anche a migliorare la resistenza alle forature e ai tagli.
Nella Tabella 1 è illustrato il confronto delle prestazioni dei materiali più comunemente utilizzati per gli scheletri degli pneumatici.
| Elementi |
Para-aramide |
filo d'acciaio |
Rayon |
Nylon 66 |
Poliestere |
| Densità/（Mg∙m^-3） |
1.44 |
7,85 |
1.53 |
1.14 |
1.38 |
| Temperatura di decomposizione (azoto)/°C |
>500 |
1600 |
200 |
255 |
260 |
| Resistenza alla trazione/MPa |
2830 |
2550 |
780 |
960 |
1150 |
| Resistenza specifica/(mN∙tex^-1) |
1970 |
330 |
510 |
840 |
830 |
| Modulo iniziale/GPa |
80 |
160 |
18 |
6 |
14 |
| Modulo specifico/(N∙tex^-1) |
55 |
20 |
12 |
5 |
10 |
| Coefficiente di dilatazione termica ×10⁶/K^-1 |
-2.2 |
3.7 |
- |
- |
- |
| Allungamento a rottura/% |
3.6 |
1.9 |
13.0 |
20.0 |
13.5 |
| Tasso di mantenimento della resistenza dopo 200 °C×48 h/% |
90 |
100 |
20 |
45 |
55 |
| Restringimento termico a secco all'aria (160 °C ×4min)/% |
<0,1 |
0 |
1.0 |
3.8 |
5.0 |
La resistenza specifica e il modulo specifico del para-aramide sono rispettivamente circa 6 e 3 volte superiori a quelli del filo d'acciaio e 2 e 10 volte superiori a quelli del nylon 66. Le prestazioni dei materiali para-aramide possono mantenersi a livelli normali nell'intervallo di temperatura compreso tra -200 e 200 °C. A parità di resistenza alla trazione, la massa dei prodotti in gomma può essere notevolmente ridotta e può essere utilizzata in condizioni climatiche estreme. Il para-aramide presenta un'eccellente resistenza al creep, alla fatica, al ritiro termico e alla corrosione chimica, che possono migliorare significativamente la stabilità dimensionale dei prodotti in gomma e prolungarne la durata. Pertanto, il para-aramide è un materiale estremamente ideale per la realizzazione di scheletri per pneumatici.
Applicazione del para-aramide nei materiali dello scheletro del pneumatico
La prima applicazione dell'aramide nella struttura degli pneumatici è stata come strato di cintura radiale. Grazie alle sue proprietà speciali, ora viene utilizzata in un numero crescente di componenti diversi per pneumatici. Da un punto di vista tecnico, l'aramide può essere utilizzata come materiale di scheletro per qualsiasi parte dello pneumatico e può persino essere combinata con la resina per sostituire il filo di acciaio nella produzione dei talloni, riducendone notevolmente il peso. Attualmente, esistono esempi di applicazioni dell'aramide nello strato di cintura con bordo esposto, nello strato di cintura piegato, nello strato di cintura circonferenziale, nella carcassa di pneumatici radiali, nella copertura del tallone, nell'anello metallico, nella carcassa di pneumatici da corsa diagonali e nello strato tampone di pneumatici diagonali.
L'applicazione di cordicelle in aramide da 1680 dtex/2 al posto di cordicelle in acciaio 2×0,30HT nello strato di cintura degli pneumatici per autovetture può ridurre il peso dello pneumatico dal 6,4% al 7,5% e la resistenza al rotolamento del 12,5%. L'utilizzo di cordicelle in aramide da 1680 dtex/2 per la carcassa e lo strato di cintura può ridurre il peso dello pneumatico del 15% e altre proprietà dello pneumatico soddisfano i requisiti standard e migliorano il comfort di guida dell'auto.
A parità di massa, la sua resistenza e il suo modulo superano di gran lunga quelli di materiali come poliestere, poliammide e filo d'acciaio, e offre eccellenti livelli di sicurezza e durata. Il vantaggio più significativo dell'utilizzo di corde in aramide al posto di quelle in acciaio per gli pneumatici da corsa pieghevoli è la riduzione del peso dello pneumatico e la sua pieghevolezza. Le caratteristiche di leggerezza dell'aramide lo rendono ideale per pneumatici da corsa ad alte prestazioni. Oltre a ridurre il peso della vettura, consente di ottenere frenate più rapide e migliori prestazioni in curva.
Applicazione di fibre corte di aramide nella gomma di riempimento di pneumatici radiali portanti interamente in acciaio. La speciale struttura e le proprietà delle fibre corte di aramide conferiscono ai prodotti in gomma eccellenti proprietà come elevato modulo elastico, elevata durezza, elevata resistenza, stabilità dimensionale e resistenza all'usura. I risultati dei test mostrano che le fibre corte di aramide riducono la viscosità Mooney della mescola di gomma, riducono il T90, riducono l'aumento di temperatura, il fattore di perdita, l'effetto Payne e garantiscono una buona durata del pneumatico finito, a dimostrazione dell'efficacia del materiale aramidico nel migliorare le prestazioni del pneumatico.
| Elementi |
1100dtex/2 |
1680dtex/2 |
| Resistenza alla rottura/N |
≥330 |
≥450 |
| Tasso non uniforme di resistenza alla rottura/% |
≤3,5 |
≤3,5 |
| 66,6 N Allungamento al carico nominale/% |
1,8±0,6 |
2,0±0,6 |
| Allungamento a rottura/% |
4,5±1,5 |
6,0±1,5 |
| Allungamento a rottura irregolare/% |
≤5,0 |
≤5,0 |
| Restringimento a secco/% |
≤0,5 |
≤0,5 |
| H Forza di estrazione/（N•cm^-1) |
≥100 |
≥130 |
Sebbene il cordone in aramide offra numerosi vantaggi, come materiale di scheletro in gomma, presenta anche problemi come la scarsa resistenza alla compressione e alla fatica da flessione, difficoltà di incollaggio e costi di produzione elevati, che ne limitano l'ampia applicazione. Per questo motivo, è stato sviluppato un tessuto composito in aramide/nylon ad alta resistenza. Il tessuto composito ottenuto dalla filatura, torsione, immersione e trattamento termico di aramide e nylon in un determinato rapporto può eliminare i difetti di nylon e aramide e combinare i vantaggi di entrambi, realizzare proprietà complementari e soddisfare i rigorosi requisiti degli pneumatici ad alte prestazioni. In futuro, il tessuto composito in aramide sarà sempre più utilizzato negli pneumatici.
