De band tussen rubber en asfalt

Autobanden zijn complexe constructies, waarbij materiaalkeuze van grote invloed is op de veiligheid, zuinigheid en geluidsproductie van de wagen. Het Tire Road Consortium, waarin de UT samenwerkt met partners in de auto-industrie, onderzoekt de wisselwerking tussen band en wegdek. Er is nog een grote potentie voor verbetering.

Autobanden bestaan uit rubber, dat flexibiliteit geeft, en een vulmiddel voor de stevigheid. Van oudsher wordt als vulmiddel roet gebruikt – vandaar de zwarte kleur. Tegenwoordig is silica (heel fijn glaspoeder) in zwang, omdat dit de rolweerstand van de band aanzienlijk verlaagt, waardoor aanzienlijk minder brandstof nodig is tijdens het rijden. Tegelijkertijd wordt de band er niet harder door, zodat de remweg gelijk blijft, of zelfs wat verkort wordt. De precieze samenstelling van rubber en vulmiddel, en de onderlinge verhoudingen, zijn cruciaal voor de prestaties van de band.

‘Als je rijdt, en het rubber vervormt teveel, bijvoorbeeld omdat het op nanoschaal niet goed hecht aan het vulmiddel, dan faalt de band op allerlei fronten’, legt dr. Wilma Dierkes uit. Zij is, na een carrière in de rubberindustrie, verbonden aan de onderzoeksgroep Elastomer Technology & Engineering van de UT. ‘Dat gaat ten koste van de brandstofzuinigheid, de veiligheid en de slijtagebestendigheid.’

De onderzoeksgroep bestudeert verschillende manieren om de prestaties van banden te verbeteren. Een van de onderzoekslijnen is de verbetering van de ‘coupling agents’, die de verbinding tussen rubber en silica verzorgen. Dit gebeurt met silanen, organische moleculen waarin silicium- in plaats van koolstofatomen de centrale rol vervullen. De vraag is welke silanen in welke verhoudingen het beste coupling agent opleveren, en hoe je de interactie met de vulstof het best tot stand brengt.

Gegeven bepaalde materiaaleigenschappen laat zich niet een op een voorspellen wat de eigenschappen zijn van de band die ervan gemaakt wordt (althans de toplaag, ‘het loopvlak’ dat in contact komt met het wegdek). Dit meer inzichtelijk maken is het onderwerp van een project dat de UT uitvoert in samenwerking met bandenfabrikant Apollo Vredestein, die ook in Enschede gevestigd is, en het Deventerse rubbertestbedrijf ERT, dat geleid wordt door een voormalig promovendus.

In een ander project is de partner VMI, een bedrijf dat vanuit Epe de wereld bedient met productiemachines voor rubberbanden. Het doel is hier betrouwbare meetapparatuur te ontwikkelen om de grip op een droge wegdek te bestuderen zonder dat er daadwerkelijk banden van gemaakt hoeven te worden en kilometers gemaakt (zie ook hieronder ‘Trillen op het wegdek’).

Vrachtwagens

Een hoofdstuk apart vormen vrachtwagenbanden, die nog altijd met name van natuurrubber gemaakt worden, omdat dit verreweg de sterkste rubber is, die bovendien bij intensief gebruik minder warm wordt. De warmte maakt de band zachter, waardoor hij sneller slijt en de rolweerstand toeneemt. Natuurrubber bindt echter slecht met silica, zodat de voordelen daarvan niet goed te benutten zijn. Dat komt weer doordat natuurrubber eiwitten bevat, die zich makkelijker aan de vulstof silica hechten dan de polymeren.

‘Onderzoek op dit vlak voeren we uit samen met de Prince of Songkla University in Thailand, dat de grootste producent van natuurrubber is’, aldus Dierkes. ‘De financiering komt van Apollo Vredestein en de Natuurrubberstichting, die Nederland nog kent uit de tijd dat het zelf vanwege zijn koloniën een van de grootste producenten was.’

De internationale component in het onderzoek is groot – er zijn wereldwijd praktisch geen academische groepen met vergelijkbare expertise en faciliteiten. Naast het Indiase Apollo, dat in 2009 Vredestein overnam en het onderzoek aan banden voor personenauto’s in Nederland concentreerde, werken ook bandenproducenten uit onder andere Japan (Yokohama) en Italië (Pirelli) met de Universiteit Twente samen.

De wereldwijde inspanningen op bandenonderzoek zijn groot. Dat is niet verwonderlijk, want betere materialen of ontwerpen kunnen zomaar een paar procent aan brandstofkosten schelen. Op de schaal van het autoverkeer gaat het dan al snel om miljardenbesparingen en veel minder uitstoot van CO2.

Recycling

Aan het eind van hun levensduur behoren banden tot een hardnekkig soort afval, die moeilijk te verwerken valt. Versnipperen en verwerken tot tegels voor kinderspeelplaatsen en dergelijke is een mogelijkheid, maar een erg hoogwaardige oplossing is dat niet. Bovendien is die markt niet erg groot.

Een grotere markt zou het bijmengen in asfalt kunnen zijn, om het wegdek geluidsarmer te maken. In experimenten daarmee wordt nu gebruik gemaakt van nieuw rubber, omdat hergebruikt rubber niet geschikt lijkt. Die mogelijkheid lijkt er in principe wel te zijn, blijkt uit een project dat momenteel in de beginfase zit. Ook dit is echter niet een heel hoogwaardige toepassing van gebruikt rubber.

Het alternatief is het rubber te devulcaniseren, ofwel het verbreken van de zwavelbruggen die het vloeibare rubber zijn vaste vorm geven, om het opnieuw te kunnen vormen. De Universiteit Twente pionierde tien jaar geleden met dit inmiddels commercieel toegepaste proces voor overtollig rubber van dakbedekkingen.

De synthetische rubbersoorten van autobanden zijn echter veel moeilijker te devulcaniseren. Met name het beheersen van de procescondities is lastig. En als het echt niet kan is flash liquefaction, een proces dat ooit bedacht is om houtafval om te zetten in vloeibare brandstof, mogelijk toepasbaar te maken voor rubber. Het doel is om de vulstoffen, silica en roet, terug te winnen. De resulterende olie is alleen bruikbaar als brandstof, maar dat is altijd beter dan storten.

In een hoek van het rubberlaboratorium staat een machine om de slijtage van rubber mee te meten, een met schuurpapier bedekte rol die langs een rubbermonster geschraapt kan worden. Het is de beste manier die op dit moment beschikbaar is om slijtage te meten zonder daadwerkelijk te gaan rijden over verschillende soorten wegdek. Daar is ongetwijfeld ruimte voor verbetering erkent Dierkes. Maar ook nu al zijn er meer dan genoeg vragen om de rubberonderzoekers van de straat te houden.

Trillen op het wegdek

Daar waar de band het wegdek raakt, ontstaat een veelheid aan trillingen. Allerlei factoren spelen daarbij een rol: de omwentelingssnelheid van het wiel, de elasticiteit van het wegdek, het profiel van de band, het weer (windsnelheid, regen, temperatuur), noem maar op. Die trillingen zitten tussen de 1000 en 2000 Hertz, precies het gebied waar het menselijke gehoor het gevoeligst is.

Net als bij de rubbersamenstelling geldt dat het samenspel der factoren zo complex is dat het moeilijk is van tevoren te voorspellen wat het geluidseffect van een band zal zijn. Toch is daar grote behoefte aan, want als je bijvoorbeeld tien potentiële profielen hebt en tien asfaltsoorten, is het houden van praktijkproeven extreem kostbaar.

Een van de projecten binnen het Tire Road Consortium betreft dan ook het maken van een computermodel om de geluidsproductie van banden te voorspellen. Uitgangspunt is een driedimensionaal model van de band, afhankelijk van de materiaaleigenschappen. Om het niet meteen te ingewikkeld te maken, rolt die band virtueel over een gestandaardiseerd oppervlak – en dan nog zijn de trillingen zo complex dat ze niet goed zijn door te rekenen. Het model maakt gebruik van gemiddelden over een langere tijd. De berekeningen worden vergeleken met de resultaten van praktijktests. Het blijkt goed te werken.

En is geluid nog maar één minder goed begrepen aspect van de interactie tussen band en wegdek. Zeker zo belangrijk is de grip van de band. Bij regen en ijzel wordt die minder, dat is wel bekend. Maar hoe precies? Waar voor het meten van geluid een microfoon volstaat, is voor grip niet eens duidelijk hoe je die exact zou kunnen meten. Om dat te ondervangen is een meetwagen ontwikkeld die continu de ruwheid en temperatuur van een asfaltlaag kan meten, tijdens proeven met verschillende banden.

Langzamerhand ontstaat zo een completer beeld van wat zich afspeelt op die paar vierkante centimeter die het raakvlak tussen band en wegdek vormen. Met de nadruk op langzamerhand.

×