La Gomma Nd40 di Sinopec Rivoluziona le Prestazioni degli Pneumatici per Veicoli Elettrici
L’ascesa rapida dei veicoli elettrici (EV) in Cina e nel mondo ha imposto richieste senza precedenti ai componenti automobilistici, in particolare agli pneumatici. Con pesi dei veicoli più elevati, erogazione istantanea della coppia e una forte attenzione del settore all’efficienza energetica e alla sicurezza, i produttori di pneumatici sono sotto pressione crescente per sviluppare mescole di gomma avanzate che possano soddisfare questi requisiti in evoluzione. Tra le ultime innovazioni nei materiali per pneumatici ad alte prestazioni, un nuovo studio evidenzia i significativi vantaggi della gomma poli-butadiene cis-1,4 con terre rare di Sinopec Yanshan Petrochemical, in particolare il grado Nd40, nel migliorare le prestazioni degli pneumatici per EV.
La ricerca, condotta da Rong Gang, senior economist di Sinopec Chemical Commercial Holding Co., Ltd., North China Branch, fornisce prove complete che l’Nd40 non solo supera le alternative nazionali a base di nichel, ma supera anche le migliori gomme con terre rare importate nelle metriche prestazionali chiave. Questo sviluppo segna un momento cruciale per le industrie della gomma e degli pneumatici cinesi, indicando un cambiamento verso materiali high-tech sviluppati a livello nazionale in grado di competere con gli standard globali.
Mentre i governi di tutto il mondo spingono per la neutralità carbonica e i trasporti sostenibili, i veicoli elettrici sono emersi come pilastro centrale della mobilità futura. In Cina, il supporto politico strategico e gli investimenti aggressivi nelle infrastrutture per i veicoli elettrici hanno accelerato i tassi di adozione, rendendo il paese il più grande mercato di veicoli elettrici al mondo. Tuttavia, questa crescita comporta nuove sfide ingegneristiche. A differenza dei veicoli con motore a combustione interna, i veicoli elettrici sollecitano in modo unico gli pneumatici a causa del loro peso a vuoto aumentato, spesso dal 10% al 30% più pesante rispetto ai modelli a benzina comparabili, e della maggiore potenza di coppia, che può portare a un’usura accelerata del battistrada, a una ridotta efficienza frenante e a una maggiore resistenza al rotolamento. Questi fattori influiscono direttamente sull’autonomia, sulla sicurezza e sull’esperienza di guida complessiva.
Per affrontare queste sfide, gli ingegneri degli pneumatici si concentrano sempre di più sull’ottimizzazione delle formulazioni della gomma. La scelta del polimero di base nei composti per pneumatici, specialmente nel battistrada e nel fianco, svolge un ruolo critico nel determinare la resistenza al rotolamento, la tenuta sul bagnato, la durata e la generazione di calore. La tradizionale gomma poli-butadiene cis-1,4 catalizzata al nichel (BR), come la ampiamente utilizzata BR9000, è da tempo un punto fermo nella produzione di pneumatici. Tuttavia, la sua distribuzione del peso molecolare relativamente ampia e il minor contenuto di cis-1,4 risultano in maggiori perdite per isteresi, aumento dell’accumulo di calore e resistenza al rotolamento non ottimale, svantaggi che sono amplificati nelle applicazioni per veicoli elettrici.
Entra in scena la gomma poli-butadiene catalizzata con terre rare, nota anche come gomma al neodimio (Nd). Questo materiale avanzato è sintetizzato utilizzando catalizzatori a base di terre rare che consentono un più alto grado di regolarità strutturale cis-1,4, spesso superiore al 97%, rispetto ai sistemi a base di nichel, che tipicamente raggiungono circa il 96%. Questa maggiore stereoregolarità porta a un miglior allineamento delle catene molecolari, a una ridotta frizione interna e a proprietà meccaniche potenziate. Il risultato è un composto di gomma con minore resistenza al rotolamento, migliore resistenza all’usura e prestazioni dinamiche superiori, qualità che si allineano perfettamente con le esigenze dei moderni pneumatici per veicoli elettrici.
Sinopec Yanshan Petrochemical, un attore chiave nel settore della gomma sintetica cinese, è all’avanguardia nello sviluppo e commercializzazione della gomma poli-butadiene con terre rare. I suoi gradi Nd40 e Nd60 rappresentano un progresso significativo nella tecnologia polimerica domestica. Lo studio di Rong Gang valuta sistematicamente le prestazioni dell’Nd40 sia nei composti del battistrada che del fianco, confrontandolo direttamente con la gomma con terre rare importata (A1 della tedesca LANXESS) e la BR9000 nazionale a base di nichel.
Nella formulazione del composto del battistrada, l’Nd40 ha dimostrato proprietà fisiche e meccaniche superiori. Quando miscelato con gomma stirene-butadiene polimerizzata in soluzione (SSBR), silice e nerofumo, il composto a base di Nd40 ha mostrato una resistenza alla trazione di 23,4 MPa, superiore del 35,3% rispetto al composto a base di BR9000 e notevolmente più alta sia di Nd60 che dell’A1 importata. L’allungamento a rottura ha raggiunto il 526%, superando significativamente gli altri materiali. Questi miglioramenti sono attribuiti all’alto contenuto di cis-1,4 (98,09%) e alla favorevole distribuzione del peso molecolare (PDI di 2,48) dell’Nd40, che promuovono la cristallizzazione indotta dalla deformazione e migliorano la tenacità complessiva.
Ugualmente importante è il comportamento dinamico-meccanico del composto. Nella valutazione delle prestazioni degli pneumatici, il fattore di perdita (tanδ) a 0°C è un indicatore chiave della tenuta sul bagnato, mentre tanδ a 60°C si correla con la resistenza al rotolamento. Un alto tanδ a 0°C garantisce una migliore trazione su superfici bagnate, cruciale per la sicurezza, mentre un basso tanδ a 60°C indica una ridotta perdita di energia e un miglioramento dell’efficienza energetica. Lo studio ha rilevato che il composto del battistrada a base di Nd40 ha raggiunto il più basso tanδ a 60°C tra tutti i materiali testati, traducendosi in una riduzione del 14,7% della resistenza al rotolamento rispetto alla BR9000. A 0°C, il suo tanδ era leggermente inferiore a quello dell’A1, ma comunque all’interno di un intervallo che garantisce una forte prestazione di aderenza sul bagnato. Questo equilibrio tra bassa resistenza al rotolamento e adeguata trazione sul bagnato rende l’Nd40 particolarmente adatto per gli pneumatici per veicoli elettrici, dove il risparmio energetico e la sicurezza devono essere ottimizzati simultaneamente.
La resistenza all’usura, un altro fattore critico per gli pneumatici dei veicoli elettrici a causa del maggiore peso del veicolo e della coppia, è stata valutata anche attraverso test di abrasione Akron. Il composto Nd40 ha mostrato un’eccellente resistenza all’abrasione, con una perdita per usura di 0,129 cm³, migliore della BR9000 (0,135 cm³) e competitiva con l’A1 (0,104 cm³). Sebbene l’A1 abbia mostrato le migliori prestazioni di abrasione, la durata complessiva dell’Nd40 rimane molto favorevole, specialmente considerando la sua superiore resistenza alla trazione e la minore resistenza al rotolamento.
Passando all’applicazione nel fianco, i vantaggi prestazionali dell’Nd40 diventano ancora più pronunciati. Il fianco è sottoposto a flessione continua e deve resistere all’accumulo di calore, alla screpolatura e alla fatica durante il ciclo di vita dello pneumatico. Nello studio, i composti del fianco sono stati formulati con una miscela 50/50 di gomma naturale (SMR20) e varie gomme poli-butadiene. I composti a base di Nd40 hanno dimostrato una durezza, una resistenza alla trazione (19,8 MPa) e una resistenza allo strappo (81 kN/m) più elevate rispetto alla BR9000. Ancora più importante, hanno mostrato un accumulo di calore significativamente inferiore durante i test di compressione: 48,1°C per Nd40 contro 56,5°C per BR9000, rappresentando una riduzione del 14,9% nella generazione di calore.
Il basso accumulo di calore è cruciale per gli pneumatici dei veicoli elettrici, poiché il calore eccessivo può accelerare l’invecchiamento, ridurre l’integrità strutturale e aumentare il rischio di guasto. La migliorata performance termica dell’Nd40 è collegata alla sua alta regolarità molecolare e flessibilità della catena, che riducono l’attrito interno e l’isteresi durante la deformazione dinamica. Inoltre, il composto ha mostrato un’eccellente resistenza alla flessione e screpolatura, con tutti i campioni di test che hanno sopportato 510.000 cicli senza formazione di crepe, una testimonianza della sua durata sotto stress ripetuto.
L’analisi dinamico-meccanica dei composti del fianco ha ulteriormente confermato la superiorità dell’Nd40. A 60°C, il valore tanδ per Nd40 era il più basso tra tutti i materiali testati, indicando il minor contributo alla resistenza al rotolamento da parte del fianco. Questo è un vantaggio significativo, poiché la flessione del fianco rappresenta una porzione sostanziale della perdita totale di energia dello pneumatico. Rispetto alla BR9000, il composto Nd40 ha ridotto la resistenza al rotolamento del 15,5%, mentre l’Nd60 ha ottenuto una riduzione ancora maggiore del 21,3%. Questi risultati suggeriscono che la gomma poli-butadiene con terre rare non solo migliora le prestazioni del battistrada, ma aumenta anche l’efficienza dell’intera struttura dello pneumatico.
Uno degli aspetti più convincenti dello studio è l’applicazione riuscita dell’Nd40 in prototipi reali di pneumatici per veicoli elettrici. Due modelli di pneumatici per autovetture, 205/55R16 91V e 235/45ZR18 98W, sono stati prodotti utilizzando Nd40 sia nei composti del battistrada che del fianco. Questi pneumatici hanno subito test rigorosi in conformità con gli standard nazionali, inclusi precisione dimensionale, prestazioni ad alta velocità, resistenza, resistenza al rotolamento e aderenza sul bagnato.
Il pneumatico 205/55R16 91V ha dimostrato prestazioni eccezionali. Le sue dimensioni esterne corrispondevano da vicino ai valori nominali, confermando la coerenza produttiva. Nei test ad alta velocità, ha superato lo standard nazionale sostenendo velocità fino a 260 km/h, ben al di sopra del requisito di 240 km/h. La resistenza del pneumatico è stata misurata a 472 J, superando significativamente il requisito minimo di 295 J. Soprattutto, il suo coefficiente di resistenza al rotolamento è stato misurato a meno di 6,5 kg/t, guadagnandosi un voto “A” nel sistema di etichettatura degli pneumatici dell’UE. Questo punteggio di primo livello riflette un’efficienza energetica eccezionale, contribuendo direttamente a un’autonomia estesa dei veicoli elettrici. I livelli di rumore sono stati registrati a 71 dB, soddisfacendo i requisiti standard.
Il pneumatico 235/45ZR18 98W, progettato per veicoli elettrici di prestazioni più elevate, ha anche performato solidamente. Test indipendenti del TÜV Rheinland Group in Europa hanno confermato un indice di aderenza sul bagnato di 1,415, classificato come livello “B”, indicando una trazione molto buona su superfici bagnate. Il suo coefficiente di resistenza al rotolamento era di 8,147 kg/t, collocandolo nella categoria “C”. Sebbene non efficiente come il pneumatico più piccolo, questa performance soddisfa ancora le aspettative dei produttori nazionali di veicoli elettrici e fornisce un compromesso equilibrato tra grip e consumo energetico. I livelli di rumore erano leggermente più alti a 72 dB, il che è tipico per pneumatici più larghi e orientati alle prestazioni.
Questi risultati nel mondo reale convalidano i risultati di laboratorio e dimostrano che l’Nd40 non è solo un miglioramento teorico, ma una soluzione commercialmente valida per la prossima generazione di pneumatici per veicoli elettrici. Il materiale consente ai produttori di pneumatici di produrre prodotti che soddisfano o superano i benchmark prestazionali internazionali, affidandosi a una materia prima di alta qualità prodotta a livello nazionale.
Da una prospettiva industriale più ampia, il successo dell’Nd40 rappresenta una pietra miliare significativa negli sforzi della Cina per raggiungere l’autosufficienza nei materiali avanzati. Storicamente, le gomme sintetiche ad alte prestazioni sono state dominate da produttori occidentali e giapponesi. Lo sviluppo della gomma poli-butadiene con terre rare competitiva da parte di Sinopec riduce la dipendenza dalle importazioni e rafforza la catena di approvvigionamento domestica per il settore automobilistico.
Inoltre, le implicazioni ambientali sono degne di nota. Una minore resistenza al rotolamento si traduce direttamente in un ridotto consumo energetico, che per i veicoli elettrici significa una maggiore autonomia di guida con una singola carica e minori emissioni di carbonio complessive durante il ciclo di vita del veicolo. Questo si allinea con gli obiettivi globali di sostenibilità e supporta la più ampia missione del trasporto elettrificato.
La ricerca di Rong Gang evidenzia anche l’importanza della collaborazione tra fornitori di materiali, produttori di pneumatici e case automobilistiche. Man mano che le piattaforme per veicoli elettrici continuano a evolversi, con richieste crescenti per un funzionamento silenzioso, un’autonomia estesa e una sicurezza migliorata, il ruolo dei composti di gomma avanzati crescerà solo. Materiali come l’Nd40 forniscono una base per l’innovazione, consentendo agli ingegneri degli pneumatici di spingere i limiti delle prestazioni senza compromettere durata o efficienza.
Guardando avanti, un’ulteriore ottimizzazione delle formulazioni della gomma con terre rare, come la messa a punto della distribuzione del peso molecolare, l’incorporazione di polimeri funzionalizzati o la miscelazione con altri materiali sostenibili, potrebbe sbloccare guadagni prestazionali ancora maggiori. Inoltre, espandere l’applicazione dell’Nd40 oltre gli pneumatici per autovetture a veicoli commerciali, veicoli elettrici fuoristrada o applicazioni speciali potrebbe ampliarne l’impatto.
In conclusione, lo studio pubblicato su Petrochemical Technology offre prove convincenti che la gomma poli-butadiene con terre rare Nd40 di Sinopec è un punto di svolta per l’industria degli pneumatici per veicoli elettrici. Le sue proprietà meccaniche superiori, la bassa resistenza al rotolamento, l’eccellente aderenza sul bagnato e l’eccezionale durata la rendono una scelta ideale per i moderni veicoli elettrici. Mentre il mondo automobilistico passa all’elettrificazione, l’innovazione dei materiali sarà tanto critica quanto la tecnologia delle batterie o dei motori. Con l’Nd40, la Cina ha dimostrato la sua capacità di leadership in questa vitale area di sviluppo di materiali avanzati.
Rong Gang, Sinopec Chemical Commercial Holding Co., Ltd., North China Branch, Petrochemical Technology, DOI: 10.3969/j.issn.1000-8144.2024.07.013