Немного о резине Toyo.

Всё дело в заложенных в самую суть автомобильных шин противоречиях, ведь шина должна соединить автомобиль с дорогой и отделить его от поверхности, по которой движется машина. Она должна быть достаточно мягкой и упругой, чтобы эффективно поглощать неровности, и достаточно жесткой, чтобы не деформироваться слишком сильно и не ухудшать управляемость. Она должна уверенно цепляться за дорожное полотно, ведь иначе автомобиль не сможет ни двигаться вперед, отталкиваясь шинами от дороги, ни останавливаться тогда, когда это нужно водителю. При этом шина должна иметь минимальное сопротивление качению, чтобы автомобиль не расходовал слишком много горючего, а это достигается только при уменьшении деформаций, и при этом она не должна изнашиваться слишком быстро. Вот и попробуйте совместить высокое сцепление с дорогой, низкое трение качения и маленький износ (эти требования получили название «магический треугольник») в одном изделии… 

 Понятно, что свойства той или иной модели шин определяет совокупность рисунка протектора и внутренней конструкции, но, так или иначе, все начинается с состава резиновой смеси. А теперь давайте вспомним, что вообще такое резина. Основу её составляет каучук. У этого природного полимера одна беда – он эластичен, но быстро окисляется на воздухе и становится хрупким. 

В 1839 году Чарльз Гудьир открыл процесс вулканизации, обнаружив, что нагретая смесь каучука с серой превращается в необыкновенно плотный эластичный материал, гораздо более устойчивый по сравнению с исходной легкоплавкой полимерной массой. А получилось это потому, что сера, атакуя двойные связи в молекулах каучука, создает так называемые «сульфидные мостики» – прочные связи, соединяющие между собой соседние цепочки каучука и образующие сетчатую структуру. В принципе, с точки зрения химии вся резиновая масса представляет собой единую молекулу. В 1888 году Джон Данлоп, пытаясь улучшить велосипед своего сына, создал и запатентовал шину из вулканизированного каучука, а в 1895 году Андре и Эдуард Мишлен установили резиновые шины на автомобиль, участвовавший в гонке Париж-Бордо-Париж. Так родилась автомобильная шина, начавшая победное шествие по планете, продолжающееся и по сей день. А вот состав смеси, из которых сделаны современные шины, куда сложнее. В нее по-прежнему нередко входит природный каучук – по целому ряду причин заменить его полностью не получается. Дело в том, что боковые цепочки молекул каучука «висят» строго по одну сторону от основной цепи, и хотя уже давно открыты методы промышленного получения искусственных аналогов (кстати, приоритет в этом вопросе принадлежит российскому химику С. В. Лебедеву), добиться такой структуры у искусственных полимеров не удается. Контроль над сборкой цепи, который обеспечивают сложные ферменты растений, невозможно повторить в реакторах с существенно более простыми металлоорганическими катализаторами. Плюс ко всему, природная база для получения натурального каучука ограничена, его попросту не хватает для того, чтобы удовлетворить все потребности человечества в резине вообще и в автомобильных шинах в частности. В итоге доля натурального каучука в современных шинах в лучшем случае составляет 10-15%, а не менее 20% приходится на синтетические полимеры – полиизопрен, полибутадиен, сополимеры полибутадиена с полистиролом и с полиизобутиленом. Впрочем, последнее время все чаще встречаются шины, полностью изготовленные из синтетических каучуков – прогресс химических технологий не стоит на месте, да и экономические причины сказываются. Искусственные каучуки не только более устойчивы к окислению и ультрафиолетовому излучению, но и банально дешевле. Кроме каучуков в состав шинной смеси обязательно входит технический углерод, попросту говоря – промышленная сажа. Она придает шине механическую прочность и износостойкость, поскольку обеспечивает хорошее молекулярное соединение в ходе процесса вулканизации, ну а заодно и хорошо знакомый всем черный цвет. 

 Важным компонентом является двуокись кремния, она же «силика». Она отвечает за улучшение сцепления с поверхностью. Люди постарше наверняка помнят советские ластики красного цвета, в которых даже зрительно проглядывала стеклянная пыль и которыми можно было стирать даже написанное чернилами, причем вместе с верхним слоем бумаги. А что такое стекло? Это и есть двуокись кремния... Ну а далее настает черед разнообразных добавок. Одни из них являются антиоксидантами, и главная их задача – «отлавливать» опасные для каучуков и других полимеров активные формы кислорода (например, озон или перекись), превращая их в безвредную воду. Другие, например, органические масла, добавляют для того, чтобы смесь сохраняла эластичность при низких температурах. Третьи – скажем, оксид цинка – играют роль активаторов вулканизации. И весь этот сложнейший молекулярный набор должен работать согласованно, в едином концерте. Понятно, что ведущие шинные компании тратят на разработку и исследования новых резиновых смесей огромные усилия, и одним из несомненных лидеров в этом плане считается японская компания Toyo Tires. Они первыми сумели поставить то эмпирическое шаманство, каковым и было создание новых смесей, на строгую научную основу. Комплекс научных методов, позволивший создавать смеси с заданными свойствами и прогнозировать их поведение в различных условиях, получил название технологии Nano Balance. Чтобы понять, как работает эта технология, нужно сначала разобраться, что такое «наномир» и «нанообъекты». Сегодня нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1-100 нанометров хотя бы по одному измерению. Именно в таком диапазоне лежат размеры молекул полимеров. Ну а чтобы понять, что такое 1 нанометр, давайте проделаем мысленный эксперимент. Представьте себе автомобильную шину, увеличенную в размере до диаметра земного экватора. Так вот, в сопоставлении с ней объект размером 1 нанометр будет выглядеть как современная монета достоинством в 1 рубль! Понятно, что для того, чтобы изучать такие объекты, нужна специальная техника. И точно так же, как изобретение Антоном Левенгуком оптического микроскопа открыло человечеству окно в микромир, доступ в мир нанообъектов обеспечил изобретенный М. Кноллем и Э. Руском электронный микроскоп. Это случилось в 1931 году, и ученые, наконец, смогли увидеть объекты субмикронных и нанометровых размеров. Тут и сработал принцип Фомы неверующего: «Пока не увижу, не поверю!». Но настоящая эра нанотехнологий наступила только в 1981 году, когда изобретенный Г. Биннигом и Г. Рорером сканирующий туннельный микроскоп дал ученым возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. Эти инструменты до сих пор остаются в арсенале исследовательских центров шинных компаний, но их было все-таки недостаточно. 

Например, рассмотрим ситуацию с включением в смеси диоксида кремния. Вся проблема заключается в том, что по химическим свойствам каучуки и другие полимеры радикально отличаются от диоксида кремния и соединяются примерно столь же охотно, как масло и вода. Это означает, что при простом смешивании компонентов мы получим отдельные большие слипшиеся комки наполнителя и отдельные участки резиновой массы, в которых наполнителя нет. И теперь представьте себе, что вы попытаетесь сделать из такой резины, ну, скажем, резинку для рогатки. Она, во-первых, не выдаст ожидаемой силы броска, а во-вторых, очень быстро порвется, поскольку будет растягиваться неравномерно, а границы участков с разными свойствами послужат концентраторами напряжений. Значит, требуется вещество, способное покрыть поверхность частиц диоксида кремния и сделать её похожей по своим свойствам на окружающие полимеры. Такими веществами являются, например, бис (триэтоксисилилпропил) тетрасульфид и его аналоги. Их молекулы состоят из двух частей, одна из которых легко связывается с диоксидом кремния, а другая – с сеткой вулканизированного полимера. Но даже имея такое вещество, требуется равномерно распределить его по поверхности частиц, иначе они всё равно слипнутся, ведь молекулы маскирующего агента, увы, сами по себе лишены способности к самостоятельной агрегации. Для изучения этого процесса специалисты Toyo Tires применили синхротронные методы, которые позволяют напрямую, на наноуровне, посмотреть, как деформируется материал. Для этого был использован синхротрон SPring-8 лаборатории RIKEN, расположенный в префектуре Хёго. Это огромное сооружение (длина кольца синхротрона – 1436 м) может получать пучок заряженных частиц с энергией до 8 ГэВ. Такая высокая энергия позволяет глубоко проникать в массу вещества и записывать происходящие на молекулярном уровне процессы в виде «кинофильма». 

 Именно исследование образцов на синхротроне позволило изучить дисперсию наполнителей в резиновом материале и процессы, протекающие в нем во время динамической деформации. На базе этих исследований была построена математическая модель, описывающая процессы, протекающие в резиновой смеси, ну а это, в свою очередь, позволило отказаться от слепого подбора основных компонентов и их пропорций и перейти к научно обоснованному конструированию материалов для шин с нужными параметрами. Теперь специалисты Toyo Tires работают по следующему циклу: сначала проводятся виртуальные эксперименты на модели, затем создается реальный образец, испытывается на соответствие реальных параметров теоретически предсказанным, и, наконец, опытная смесь идет на производство серийной продукции. Но и тут все не просто. Исследования показали, сколь важным параметром является равномерность распределения и дисперсность наполнителя в резиновом материале. Чтобы достичь нужных показателей, пришлось разработать принципиально новые технологии приготовления смеси и использовать высокоточные методы соблюдения соотношений всех составных частей компаунда. То, что Nano Balance – это не просто маркетинговое название, а реальный путь к достижению идеальных результатов, стало ясно еще в 2011 году, когда Toyo Tires впервые удалось создать шину, получившую высший балл «ААА» за низкое сопротивление качению (а значит, и наивысшую экологичность), и высший балл «а» за высокий показатель сцепления с мокрой поверхностью. А ведь и сцепление с дорогой, и трение качения на самом деле регулируются одним и тем же параметром – коэффициентом потерь tg σ. За трение качения отвечает коэффициент потерь при низкочастотных деформациях в шине, а за сцепление с дорогой – при высокочастотных. Так что при прямых попытках увеличить сцепление обычными методами будет увеличиваться и трение качения. Ну а применение технологии Nano Balance все-таки позволило решить эту проблему, которая на первый взгляд кажется неразрешимой. Прямым доказательством могут послужить параметры, полученные при сравнении новинок марки Toyo со своими предшественниками.