تایر (لاستیک) خودرو از چه موادی ساخته می‌شود؟

تایر که به‌آن لاستیک خودرو هم می‌گوییم، جزء ظاهرا ساده اما واقعا مهم خودرو است. تایرها تنها بخش خودرو هستند که با زمین تماس دارند و نوع و کیفیت آن‌ها در میزان سایش، کشش، هدایت‌پذیری و ایمنی خودرو تاثیر مستقیم دارد و حتی در میزان مصرف سوخت خودرو نیز موثر است. ضمنا بعضی از فصل‌ها و شرایط جوی مختلف، لاستیک خاص خود (لاستیک زمستانی، تابستانی یا چهار فصل) را می‌طلبند. پس در هر حال، کیفیت و نوع مواد مورد استفاده در تایر خودرو در عملکرد و دوام آن تاثیر دارد.

در این مطلب به ترکیبات و مواد مورد استفاده در تایر (لاستیک) خودرو سواری اشاره می‌کنیم، برای درک بهتر موضوع، به ساختار تایر هم نگاهی خواهیم داشت.

مهندسی پیچیده

صنعت تایرسازی نقطه تلاقی ِ شیمی، فیزیک و مهندسی است. تایر اعم از تایر خودرو، موتورسیکلت، ماشین‌‌های سنگین و هواپیما محصولی ظاهرا ساده اما در اصل پیچیده است و در امنیت وسیله‌ی نقلیه‌ نقش مهمی دارد. ترکیبات و مواد مورد استفاده در ساخت تایر ممکن است از خودرویی به خودروی دیگر و از کارخانه‌ای تا کارخانه دیگر کم‌وبیش متفاوت باشد، اما به‌طور متوسط هر تایر حاوی بیش از 100 نوع ترکیب شیمیایی مجزا است. تایرها معمولا حاوی لاستیک یا همان کائوچوی طبیعی، لاستیک یا کائوچوی مصنوعی، فولاد، ابریشم مصنوعی (ریون)، سیلیس، پلی‌استر، کربن سیاه، نفت خام و... هستند. تفاوت ترکیب مواد و فرآیندهای تولیدِ هر نوع تایر بر کارایی و عملکرد آن تاثیر می‌نهد. لذا برای مثال، لاستیک زمستانی قاعدتاً با لاستیک چهار فصل تفاوت دارد. پیش از پرداختن به مواد مورد استفاده در ساخت تایر خودرو بهتر است ابتدا به ساختار تایر اشاره کنیم. 

ساختار تایر خودرو سواری

بعضی از قسمت‌های مهم تایر خودروهای سواری چنین هستند:

• زهوار (bead): زهوارها رشته‌هایی معمولا سیمی هستند که لاستیک را حول چرخ، محکم نگاه می‌دارند.
• پُرکننده‌ی زهوار (bead filter): ترکیبی لاستیکی روی زهوار است که بین توده‌های بدنه‌ی لاستیک که دورتادور زهوار می‌پیچند، به کار می‌رود تا تاثیر مثبت موردنظر در کیفیت رانندگی و هدایت خودرو را در پی داشته باشد.
• تسمه‌های تایر (belts): هر تایر معمولا دو تسمه از جنس سیم‌های فولادی در دو زاویه مخالف دارد. تسمه‌ها به ثباتِ ناحیه‌ی آجِ تایر که در سایش، هدایت و کشش خودرو تاثیر دارد، کمک می‌کنند.
• لایه‌ی بدنه (body ply): بیشتر تایرها یک یا دو لایه‌ی بدنه دارند که معمولا از جنس سیم‌های پلیمری یا ابریشم مصنوعی یا نایلون و درون لایه‌ای از جنس لاستیک است. لایه‌های بدنه، ساختمان تایر هستند و برای مهار فشار باد باید باندازه کافی استحکام داشته باشند.
• آستر داخلی (Innerliner): ترکیبی لاستیکی است که برای حفظ فشار باد درون تایر به کار می‌رود.
• دیواره جانبی (sidewall): ترکیبی لاستیکی است که برای پوشاندن لایه‌های بدنه‌ی کناره‌های تایر به کار می‌رود و در برابر سایش، اصطکاک و فرسایش در اثر هوا مقاوم است.
• آج لاستیک (thread): به نقوش برجسته رویه‌ی تایر، آج می‌گویند. ترکیبات لاستیکی و نقوش آج سبب می‌شوند تایر در تماس با سطح جاده چسبندگی کافی داشته باشد و ضمنا در برابر سایش مقاوم باشد. لذا در میزان چسبندگی تایر به سطح جاده و دوام تایر موثر است.

تایر خودرو از چه موادی ساخته می‌شود؟

هرچند لاستیک (rubber) ماده اصلی به‌کاررفته در ساخت تایر خودرو است، اما تعداد مواد مورد استفاده در ساخت تایر بسیار بیشتر است. در ساخت بعضی از تایرها حدود 200 ماده خام به کار می‌رود که با لاستیک مخلوط می‌شوند و در بخش‌های مختلف ساختمان تایر به‌کار می‌روند.

همانطور که برای پخت کیک مواد مختلفی را با هم مخلوط می‌کنیم، برای تولید تایر نیز باید مواد گوناگونی با هم مخلوط شوند تا هر نوع تایر انتظاراتی را که از آن می‌رود، برآورده کند. مثلا شکل آج‌‌ها یا همان نقوش بیرونی تایر در میزان چسبندگی آن به کف جاده و نیز مصرف سوخت خودرو تاثیر دارد¹. اما لاستیک به‌کاررفته در داخل تایر که به تسمه‌ی تایر می‌چسبد، به ثبات ناحیه‌ی آج کمک می‌کند. گاهی ترکیبات لاستیک بسته به نوع مواد به‌کاررفته در تایر فرق می‌کند. 

مواد مورد استفاده در ساخت تایر خودرو

یادآوری می‌کنیم که نوع و درصد مواد ممکن است از تایری به تایر دیگر متفاوت باشد. برای مثال، منطقی است که نوع، ترکیب و درصد مواد مختلف موجود در لاستیک‌های چهارفصل بنا به انتظاری که از آن‌ها می‌رود در مقایسه با لاستیک‌های زمستانی متفاوت باشد. لاستیک بنیادی‌ترین ماده مورداستفاده در تایر خودرو است و لذا توضیحات را با همین ماده شروع می‌کنیم و در ادامه به بعضی از دیگر مواد مهم مورد استفاده در ساخت تایر خودرو اشاره می‌کنیم. 

لاستیک (طبیعی و مصنوعی) ماده بنیادی در ساخت تایر خودرو

تایرهای امروزیِ خودروهای سواری بطور متوسط تا 25 جزء و 12 ترکیب لاستیک‌پایه دارند. همه‌چیز با لاستیک یا کائوچوی طبیعی شروع می‌شود که از درخت‌های خاصی که در مزارع بزرگ کشت می‌شوند به دست می‌آید. لاستیک طبیعی که حالت مایع دارد، با اسید مخلوط و سپس با آب، صاف می‌شود و تحت فشار در حفره‌های مخصوصی جای می‌گیرد.

نحوه تولید لاستیک یا کائوچوی مصنوعی متفاوت است. لاستیک مصنوعی از ترکیب مواد شیمیایی در آزمایشگاه‌ها حاصل می‌شود. در تولید تایر خودرو از هر دو نوع لاستیک (طبیعی و مصنوعی) استفاده می‌شود. 

ویژگی لاستیک‌ یا کائوچوی طبیعی و مصنوعی

• لاستیک یا کائوچوی طبیعی (natural rubber): اکثر لاستیک‌های طبیعی را از درخت کائوچو تهیه می‌کنند. دوام و مقاومت در برابر سایش از ویژگی‌های لاستیک طبیعی است.
• لاستیک یا کائوچوی مصنوعی (synthetic rubber): در اصل از نفت خام تهیه می‌شود و در برابر گرما مقاوم است.

مواد شیمیایی که با لاستیک مخلوط می‌شوند

• کربن سیاه: بر استحکام لاستیک می‌افزاید.
• سیلیس: پودر سفید دی‌اکسیدسیلیسیم بازده سوخت و چسبندگی لاستیک به کف جاده‌های مرطوب را افزایش می‌دهد.
• روغن: لاستیک را نرم می‌کند.
• ضداکسید (آنتی‌اکسیدان): جلوی اکسید شدن لاستیک (کائوچو) را می‌گیرد.
• گوگرد: بر انعطاف لاستیک می‌افزاید.
• مواد تسریع‌کننده‌ی پخت (volcanization accelerators): بین لاستیک و گوگرد پیوند متقابل ایجاد می‌کنند.

مواد مورد استفاده در ساختمان اصلیِ لاستیک

• پلی‌استر: در لایه‌‌ی بدنه‌ی تایر خودروهای سواری به‌کار می‌رود.
• ابریشم مصنوعی: در لایه‌ی بدنه‌ی لاستیک خودروهای سواری استفاده می‌شود.
• فولاد: در زهوارها و تسمه‌های فولادیِ تایر خودروهای سواری به‌کار می‌رود.

ویژگی‌های مواد مختلف و علت استفاده از آن‌ها در ساخت تایر خودرو

در این بخش توضیح می‌دهیم که هر ماده چه ویژگی‌هایی دارد و چرا در ساختمان تایر به‌کار می‌رود.

لاستیک طبیعی

یکی از مزایای لاستیک طبیعی، مقاوم بودنش در برابر ترک‌های ناشی از فرسایش و خستگی تایر است.

پلیمرهای مصنوعی

دو پلیمر مصنوعی اصلی که در ساخت تایر به‌کار می‌روند یکی لاستیک بوتادین (butadiene rubber) و دیگری لاستیک بوتادین استیرن (styrene butadiene rubber) است. این پلیمرهای لاستیکی مصنوعی با لاستیک طبیعی ترکیب می‌شوند. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این پلیمرها بر کارایی هر جزء از تایر و نیز در کارایی کلی تایر (از جمله در سرعت فرسایش و چسبندگی تایر) موثر است.

یکی دیگر از پلیمرهای لاستیکیِ مهم، لاستیک پلی‌ایزوبوتیلن هالوژنه‌ (اختصاراً XIIR مخفف halogenated polyisobutylene rubber) است که معمولا به آن لاستیک هالوبوتیل می‌گویند. این ماده سبب می‌شود آستر داخلیِ تایر غیرقابل نفوذ باشد و لذا به حفظ فشار باد تایر کمک می‌کند.

فولاد

سیم‌های فولادی در تسمه و زهوار تایر و نیز در لایه‌های تایر کامیون‌ها به‌کار می‌روند. تسمه‌های زیر آج به سفت شدن پوشش تایر و کاهش سایش و بهبود هدایت‌پذیری آن کمک می‌کند. سیمِ زهوار، تایر را محکم و چفتِ چرخ نگه می‌دارد.

منسوجات (پارچه)

منسوجات مورداستفاده در تایر خودرو، طناب‌‌واره‌های پارچه‌ایِ مختلف هستند که تایر را تقویت می‌کنند. طناب‌واره‌های پارچه‌ای سبب ثبات ابعادی می‌شوند و به تحمل وزن خودرو کمک می‌کنند.

این منسوجات شامل بافته‌هایی از جنس بندِ پلی‌استر، بندِ ابریشم مصنوعی، بندِ نایلون و بندِ آرامید هستند و از آن‌ها برای ساخت لایه‌های تایر خودروهای سواری استفاده می‌شود. آن‌ها مواد اصلیِ تقویت‌کننده‌ی پوشش تایر هستند و ضمنا سبب می‌شوند تایر در راه‌ها و جاده‌های مختلف، شکل خود را حفظ کند و نتیجتاً دوام بیشتر و کارایی بهتری داشته باشد.

پُرکننده‌ها (کربن سیاه، سیلیس رسوب‌یافته‌ی آمورف)

کربن سیاه و سیلیس هر دو پرکننده‌هایی هستند که لاستیک را تقویت می‌کنند و ضمن بهبود دادن استحکام کششی تایر از میزان فرسودگی و سایش آن می‌کاهند. لذا دوام و چسبندگی لاستیک را بهبود می‌دهند. استفاده از سیلیس همچنین مقاومت غلطشیِ تایر را هم بهبود می‌دهد.

مواد ضداکسید (آنتی‌اکسیدان‌)

لاستیک تحت تاثیر اکسیژن و دمای محیط تجزیه می‌شود اما مواد آنتی‌اکسیدان از تجزیه آن جلوگیری می‌کنند.

مواد ضد اوزون (آنتی‌اوزونات‌)

گاز اوزون بر رویه‌ی لاستیک اثر مخرب می‌نهد، اما مواد ضد اوزون جلوی آن را می‌گیرند.

مواد پُخت تایر (گوگرد و اکسید روی)

گوگرد و اکسید روی از مواد مهم برای تبدیل لاستیک به ماده جامد طی فرآیند پخت تایر یا اصطلاحا وُلکانیزاسیون هستند. سیستم‌های پخت، مدت ولکانیزاسیون را می‌کاهند و بر طول و تعداد پیوندهای متقاطع عرضی در ماتریس لاستیک که طی پخت تایر ایجاد می‌شود، تاثیر می‌نهند.

مواد مخصوص تایرهای هر فصل

ترکیبات مورداستفاده در ساخت هر نوع تایر، به انتظاراتی که از آن می‌رود بستگی دارد. ترکیبات نرم‌تر در فصول گرم سال در دمای کمتر از 7 درجه سانتی‌گراد سفت می‌شوند و چسبندگی تایر به کف جاده را کاهش می‌دهند. اما لاستیک‌های زمستانی فناوری خاصی دارند که سبب می‌شود حتی در هوای سرد نیز انعطاف و چسبندگی‌شان به زمین را حفظ کنند تا در سرما نیز کارایی لازم را داشته باشند.

برای مثال، درصد مواد مورداستفاده در تایر عادی تابستانی می‌تواند چنین باشد:

• لاستیک (طبیعی و مصنوعی): 14 درصد
• پُرکننده یا فیلر (کربن سیاه، سیلیس، کربن، گچ و...): 30 درصد
• مواد تقویت‌کننده (فولاد، پلی‌استر، ابریشم مصنوعی، نایلون): 15 درصد
• ترکیبات پلاستیک‌ساز (روغن‌ها و لاستیک): 6 درصد
• مواد شیمیایی لازم برای پخت (گوگرد، اکسید روی و...): 6 درصد
• عوامل ضدفرسایش و دیگر مواد شیمیایی: 2 درصد

سخن پایانی: لزوم بازیافت درست لاستیک خودرو

همانطور که دیدیم، تایر خودرو حاوی مواد طبیعی و شیمیایی متعددی است. بعضی از این مواد برای سلامتی انسان و محیط مضر هستند و برای مثال، برخی محققان سرطان‌زا بودن کربن سیاه را محتمل می‌دانند. لذا تایر خودرو را بهتر است به‌درستی بازیافت کرد. رها کردن لاستیک‌های فرسوده در طبیعت و حتی نگهداری طولانی‌مدت آن‌ها در سایر اماکن ممکن است به سلامتی انسان و محیط زیست آسیب برساند. در کشورمان چند شرکت‌ در حوزه بازیافت لاستیک خودرو فعال هستند. البته حتی در صورت بازیافت نیز پس‌مانده‌های احتمالیِ مضر و بیماری‌زا باید درست مدیریت شوند.

پی‌نوشت:

1. به‌همین سبب، شکل، مکان و عمق آج‌ها در تایرهای تابستانی، زمستانی و چهارفصل متفاوت است.