يستخدم البارا أراميد في الإطارات عالية الأداء بسبب خصائصه الميكانيكية الممتازة مثل القوة العالية، والمرونة العالية، ومقاومة التعب، والزحف المنخفض.
منذ إنتاج أول إطار هوائي من ميشلان رسميًا عام ١٨٩٥، وبالتزامن مع التطور السريع لصناعة السيارات، شهدت صناعة الإطارات تطورًا مستمرًا في التكنولوجيا وإنتاج منتجات جديدة. والآن، تشكّلت سلسلة إنتاج إطارات متكاملة وناضجة حول العالم. تُعدّ المواد الهيكلية للإطارات موادًا أساسية لضمان متانة الإطارات وتحملها للحمل والحفاظ على ثبات أبعادها. ومع تزايد شعبية الإطارات الشعاعية، تتطور الإطارات الشعاعية عالية الأداء والإطارات الخضراء الصديقة للبيئة تدريجيًا، مما يزيد من متطلبات أداء المواد الهيكلية. ويُستخدم البارا أراميد تدريجيًا في الإطارات عالية الأداء نظرًا لخصائصه المادية الممتازة.
تصنيف وأداء مواد هيكل الإطارات
مواد الهيكل هي الطبقة الرئيسية التي تتحمل الإجهاد في منتجات المطاط، ولها دور حاسم في أداء هذه المنتجات وعمرها الافتراضي وقيمتها الاستهلاكية. يجب أن تتمتع مواد الهيكل المثالية بخصائص ميكانيكية مثل القوة العالية، ومعامل المرونة العالي، ومقاومة التعب، وانخفاض الزحف، بالإضافة إلى خصائص فيزيائية وكيميائية مثل الكثافة المنخفضة، ومقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومة التآكل، ومقاومة اللهب. هناك أربع فئات رئيسية من مواد هيكل ألياف الإطارات، لكل منها مزاياها وعيوبها.
(1) يتميز حبل الرايون بمعامل مرونة ممتاز عند درجات الحرارة العالية وخصائص انكماش منخفضة، كما أن ثباته البُعدي أفضل بكثير من حبال النايلون والبوليستر. يمكن استخدامه في هياكل الإطارات الشعاعية لتحقيق أداء مناولة ممتاز، إلا أن حبل الرايون يتميز بمقاومة منخفضة للرطوبة وتلوث إنتاجي خطير.
(2) يتميز حبل البوليستر بمعامل مرونة عالٍ، وقوة عالية، واستطالة منخفضة، وانكماش حراري منخفض، وثبات أبعاد جيد، وقوة تحمل متساوية تقريبًا في الجفاف والرطوبة. كما أن مقاومته للتعب والصدمات أفضل من حبل الرايون، إلا أن ارتفاع درجة حرارته قد يؤدي إلى انحلال الأمين عند درجات الحرارة العالية.
(3) يتميز حبل النايلون بقوة عالية، وكثافة نسبية منخفضة، وفقدان هستيريسيس منخفض، وامتصاص منخفض للرطوبة، وقوة تحمل عالية للرطوبة، ومرونة جيدة، ومقاومة مرونة أعلى بعشر مرات من حبل الرايون، ومقاومة أفضل للتعب من حبال الألياف الأخرى. أما عيوبه الرئيسية فهي الانكماش الحراري الكبير، وضعف الاستقرار الحراري، وضعف الاستقرار البعدي.
(4) في السنوات الأخيرة، توسّع استخدام حبل الأراميد تدريجيًا بفضل مقاومته العالية لدرجات الحرارة، وقوته العالية، ومرونته العالية، وتشوّهه المنخفض. وقد أظهرت الدراسات أن حبل الأراميد لا يقتصر على تقليل كتلة الإطارات ومقاومة التدحرج فحسب، بل يُحسّن أيضًا مقاومة ثقب الإطارات وقطعها.
يظهر في الجدول 1 مقارنة أداء مواد هياكل الإطارات المستخدمة بشكل شائع.
| أغراض |
بارا أراميد |
سلك فولاذي |
رايون |
نايلون 66 |
البوليستر |
| الكثافة/(Mg∙m^-3) |
1.44 |
7.85 |
1.53 |
1.14 |
1.38 |
| درجة حرارة التحلل (النيتروجين)/°م |
>500 |
1600 |
200 |
255 |
260 |
| قوة الشد/ميجا باسكال |
2830 |
2550 |
780 |
960 |
1150 |
| القوة النوعية/(mN∙tex^-1) |
1970 |
330 |
510 |
840 |
830 |
| معامل المرونة الأولي/جيجا باسكال |
80 |
160 |
18 |
6 |
14 |
| معامل المرونة النوعي/(N∙tex^-1) |
55 |
20 |
12 |
5 |
10 |
| معامل التمدد الحراري ×10⁶/K^-1 |
-2.2 |
3.7 |
- |
- |
- |
| الاستطالة عند الانكسار/% |
3.6 |
1.9 |
13.0 |
20.0 |
13.5 |
| معدل الاحتفاظ بالقوة بعد 200 درجة مئوية × 48 ساعة/% |
90 |
100 |
20 |
45 |
55 |
| انكماش حراري جاف بالهواء (160 درجة مئوية ×4 دقيقة)/% |
<0.1 |
0 |
1.0 |
3.8 |
5.0 |
تبلغ القوة النوعية ومعامل المرونة النوعي للبارا أراميد ما يقرب من 6 و3 أضعاف قوة أسلاك الفولاذ، و2 و10 أضعاف قوة النايلون 66. يحافظ أداء مواد البارا أراميد على مستوياته الطبيعية في نطاق درجات الحرارة بين -200 و200 درجة مئوية. وبفضل قوة الشد نفسها، يمكن تقليل كتلة المنتجات المطاطية بشكل كبير، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الظروف المناخية القاسية. يتميز البارا أراميد بمقاومة ممتازة للزحف والتعب والانكماش الحراري والتآكل الكيميائي، مما يُحسّن بشكل كبير من ثبات أبعاد المنتجات المطاطية ويطيل عمرها الافتراضي. لذلك، يُعد البارا أراميد مادة مثالية لهيكل الإطارات.
استخدام البارا أراميد في مواد هيكل الإطارات
كان أول استخدام للأراميد في هيكل الإطارات هو طبقة حزام الإطار الشعاعي. وبفضل خصائصه المميزة، يُستخدم الآن بشكل متزايد في مكونات الإطارات المختلفة. من الناحية التقنية، يمكن استخدام الأراميد كمادة هيكلية لأي جزء من الإطار، بل ويمكن دمجه مع الراتنج لاستبدال أسلاك الفولاذ لصنع حبيبات الإطار، مما يقلل وزنه بشكل كبير. حاليًا، توجد أمثلة على استخدام الأراميد في طبقة حزام الحافة المكشوفة، وطبقة الحزام المطوي، وطبقة الحزام المحيطي، وهيكل الإطار الشعاعي، وغطاء الخرز، والحلقة السلكية، وهيكل إطار سباق التحيز، وطبقة عازلة إطار التحيز.
إن استخدام حبل الأراميد 1680dtex/2 بدلاً من حبل الفولاذ 2×0.30HT في طبقة سير إطار سيارة الركاب يُقلل وزن الإطار بنسبة تتراوح بين 6.4% و7.5%، ويُقلل مقاومة التدحرج بنسبة 12.5%. كما يُقلل استخدام حبل الأراميد 1680dtex/2 في هيكل الإطار وطبقة السير من وزن الإطار بنسبة 15%، وتُلبي خصائص الإطار الأخرى المتطلبات القياسية، مما يُحسّن راحة قيادة السيارة.
بنفس الكتلة، تتجاوز قوته ومرونته بكثير قوة ومرونته مواد مثل البوليستر والبولي أميد والأسلاك الفولاذية، كما يتميز بسلامة ومتانة فائقة. الميزة الأهم لاستخدام سلك الأراميد بدلاً من السلك الفولاذي في إطارات السباق القابلة للطي هي أنه يقلل وزن الإطار ويجعله قابلاً للطي. خصائص الأراميد خفيفة الوزن مناسبة جدًا لإطارات السباق عالية الأداء. فمع تقليل وزن السيارة، يمكن أن يحقق فرملة أسرع وأداءً أفضل في المنعطفات.
استخدام ألياف الأراميد القصيرة في حشوات المطاط للإطارات الشعاعية الفولاذية الحاملة للأحمال. بفضل بنيتها وخصائصها المميزة، تُعطي ألياف الأراميد القصيرة منتجات المطاط خصائص ممتازة، مثل معامل المرونة العالي، والصلابة العالية، والقوة العالية، والثبات البُعدي، ومقاومة التآكل. أظهرت نتائج الاختبارات أن ألياف الأراميد القصيرة تُقلل من لزوجة موني للمركب المطاطي، وتُقصر طول T90، وتُقلل من ارتفاع درجة الحرارة، ومعامل الفقد، وتأثير باين، وتُحسن متانة الإطار النهائي، مما يُشير إلى فعالية مادة الأراميد في تحسين أداء الإطارات.
| أغراض |
1100dtex/2 |
1680dtex/2 |
| قوة الكسر/نيوتن |
≥330 |
≥450 |
| معدل غير متساوٍ لقوة الكسر/% |
≤3.5 |
≤3.5 |
| 66.6 نيوتن استطالة عند الحمل المقدر/% |
1.8±0.6 |
2.0±0.6 |
| الاستطالة عند الانكسار/% |
4.5±1.5 |
6.0±1.5 |
| الاستطالة عند الكسر غير المتساوي/% |
≤5.0 |
≤5.0 |
| الانكماش الحراري الجاف/% |
≤0.5 |
≤0.5 |
| قوة الاستخلاص H/（N•cm^-1) |
≥100 |
≥130 |
على الرغم من مزايا حبل الأراميد العديدة، كونه مادة هيكلية مطاطية، إلا أنه يواجه أيضًا مشاكل مثل ضعف مقاومة الضغط والانحناء والتعب، وصعوبة الالتصاق، وارتفاع تكلفة الإنتاج، مما يحد من استخدامه على نطاق واسع. لذلك، طُوّر نسيج حبل مركب من الأراميد والنايلون عالي القوة. يُنتج هذا النسيج عن طريق غزل ولفّ وغمس ومعالجة حرارية للأراميد والنايلون بنسب معينة، مما يُغني عن عيوب النايلون والأراميد، ويجمع بين مزايا كليهما، ويحقق خصائص المواد المتكاملة، ويلبي المتطلبات الصارمة للإطارات عالية الأداء. في المستقبل، سيزداد استخدام نسيج الحبل المركب في الإطارات.
