L’équipe développe une nouvelle méthode pour déterminer les défauts du caoutchouc

Une nouvelle méthode pour assurer la cohérence et la qualité dans la fabrication du caoutchouc, développée par une équipe de recherche de l’Université du Tennessee, Knoxville et Eastman, est susceptible de montrer un impact réel sur la durabilité et la durabilité des matériaux pour des produits tels que les pneus de voiture.

Alors que les consommateurs aux États-Unis et dans le monde sont de plus en plus incités à privilégier les véhicules électriques et à s’éloigner de la dépendance aux combustibles fossiles, les utilisateurs actuels de véhicules électriques ont découvert un problème de maintenance inattendu. En raison de la combinaison d’un poids plus élevé et d’un couple plus élevé, les véhicules électriques exercent plus de pression sur les pneus standard, les obligeant à se dégrader 30 % plus rapidement que les pneus des véhicules à combustion interne.

Le professeur Fred N. Peebles de l’UT et la chaire d’excellence IAMM Dayakar Penumadu, ainsi que l’étudiant diplômé en génie électrique Jun-Cheng Chin, le chercheur postdoctoral Stephen Young et trois scientifiques d’Eastman, ont récemment publié une recherche visant à résoudre l’un des défis les plus courants de la fabrication du caoutchouc : l’identification des défauts dans le matériel.

Le caoutchouc contient des additifs tels que l’oxyde de zinc et le soufre qui améliorent la résistance, l’élasticité et d’autres caractéristiques favorables. Lorsque les ingrédients ne sont pas répartis uniformément dans un produit en caoutchouc tel qu’un pneu de voiture, le matériau contiendra des défauts qui entraîneront une dégradation prématurée du produit.

« Si des composants tels que le soufre ne se dispersent pas bien, cela génère des points durs localisés », a déclaré Penumadu. « Cette matière dure attire beaucoup de contraintes mécaniques et thermiques, ce qui fait que le matériau se dégrade prématurément. »

Même un défaut de la largeur d’un cheveu humain peut réduire la durée de vie d’un gros composant en caoutchouc tel qu’un pneu de voiture.

« Cela entraîne des impacts sur la sécurité et l’économie », a déclaré Penumadu.

L’identification et l’étude de ces défauts – un domaine connu sous le nom de mécanique de la rupture – sont essentielles pour comprendre comment le matériau se comportera. Pourtant, trouver de tels défauts avant qu’ils ne causent des problèmes est un problème qui sévit depuis longtemps dans l’industrie du caoutchouc.

« L’approche actuelle de l’industrie consiste à découper un petit échantillon de caoutchouc, puis à l’observer au microscope optique », a déclaré Penumadu. « Non seulement c’est fastidieux et destructeur, mais c’est peu fiable. Cela vous oblige à deviner à l’avance où, dans un échantillon opaque, vous devez vérifier les incohérences. »

De plus, les microscopes optiques ne peuvent pas différencier les composants du caoutchouc – par exemple, le soufre et l’oxyde de zinc apparaissent tous deux sous forme de points blancs.

L’équipe de Penumadu a surmonté ce problème en passant de l’analyse optique à la tomodensitométrie à rayons X. Les rayons X qui traversent l’échantillon sont diffusés et absorbés différemment selon les matériaux qu’ils frappent. Un ordinateur reconstruit ensuite un modèle numérique 3D de l’intérieur du caoutchouc.

« C’est un point très important », a déclaré Penumadu. « XCT nous permet de voir l’intérieur du matériau de manière non invasive, et nous pouvons réellement voir la distribution de chaque composant. »

L’application de cette nouvelle méthode augmente la capacité de l’industrie du caoutchouc à visualiser et à prévoir les défauts et conduira finalement à des produits en caoutchouc de qualité plus constante et plus durables.

En octobre, l’équipe a reçu le prix d’excellence de la publication 2021 du Journal de la chimie et de la technologie du caoutchouc pour leur innovation papier« Analyse quantitative de la dispersion du soufre dans les formulations de pneus élastomères à l’aide de la tomodensitométrie à rayons X à haute résolution », qui traite de la nouvelle méthode XCT et des résultats de leurs recherches.