การเสื่อมสภาพของยางล้อรถยนต์

5 มิถุนายน 2556

 

        ยางล้อจัดเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญของรถยนต์อย่างหนึ่ง ยางล้อเป็นชิ้นส่วนเดียวของระบบขับเคลื่อนรถยนต์ที่สัมผัสกับพื้นถนน คุณภาพของยางล้อจึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการขับเคลื่อนและการบังคับควบคุมรถยนต์และที่สำคัญยิ่งคือความปลอดภัยต่อผู้ใช้รถยนต์ในปัจจุบันเทคโนโลยีการออกแบบและผลิตยางล้อได้ถูกพัฒนาขึ้นเป็นอย่างมาก โดยมีการปรับแต่งสมรรถนะให้เหมาะสมและสอดคล้องกับความต้องการของผู้ใช้ เช่นยางล้อสำหรับรถยนต์นั่ง ยางล้อสำหรับรถกระบะ ยางล้อสำหรับรถตู้ ยางล้อสำหรับรถขับเคลื่อน 4 ล้อ และยางล้อสำหรับรถบรรทุกและรถโดยสาร

        การผลิตยางล้ออาศัยวัสดุหลากหลายเพื่อที่จะให้ได้ยางล้อมีคุณสมบัติที่ต้องการ เช่น ยางธรรมชาติ ยางสังเคราะห์เพื่อใช้ป้องกันยางล้ออ่อนตัวเมื่ออุณหภูมิยางขณะใช้งานสูงขึ้น ผงคาร์บอนหรือผงเขม่าเพื่อช่วยให้โมเลกุลของยางจับตัวกันแน่นทำให้ยางล้อทนต่อการสึกและทนต่อการเกิดรอยขีดข่วน สารเคมีต่างๆ เช่น ออกไซด์ของสังกะสีเพื่อช่วยชะลอการย่อยสลายด้วงรังสีอัลตราไวโอเล็ตหรือยูวีจากดวงอาทิตย์ กัมมะถันสำหรับการทำให้ยางมีความยืดหยุ่นคงรูป ตลอดจนโลหะหนักและสารประกอบไฮโดร์คาร์บอนบางอย่าง นอกเหนือจากนั้นยังมีการเสริมความแข็งแรงในโครงสร้างของล้อยางโดยการเสริมด้วยชั้นของผ้าใบที่ทำมาจากเส้นด้ายไนลอน หรือโพลีเอสเตอร์ และเส้นลวดเหล็ก 

      ถึงแม้ว่าเทคโนโลยีการออกแบบและผลิตยางล้อรถยนต์ได้พัฒนามาอย่างก้าวไกล แต่ในความเป็นจริงยางล้อรถยนต์เสื่อมตามสภาพและเวลาการใช้งาน และหลายคนอาจจะสงสัยว่าเมื่อไรควรเปลี่ยนยางล้อรถยนต์ บางคนมีความเชื่อว่ายางล้อที่เปลี่ยนนั้นต้องเป็นชุดที่เพิ่งผลิตใหม่ และเชื่อว่ายางล้อค้างเก็บเป็นระยะเวลานานเป็นยางที่เสื่อมสภาพ คำตอบหรือคำอธิบายสำหรับคำถามและข้อสงสัยดังกล่าวมีหลากหลายขึ้นอยู่ว่าผู้ไขข้อสงสัยดังกล่าวเป็นใคร แต่อย่างไรก็ตามมีความจำเป็นบางอย่างซึ่งเป็นสาเหตุที่ชัดเจนว่าถึงเวลาแล้วที่ต้องเปลี่ยนล้อยาง ได้แก่กรณีล้อยางบวม มีรอยแตกร้าว มีบาดแผลที่ล้อยาง ไม่สามารถกักเก็บลมอยู่ได้ หรือดอกยางหมดถึงจุดที่กำหนดที่เรียกว่า TWI (Tread Wear Indicator) ในกรณีทั่วไป หลายคนเลือกอยากที่จะเปลี่ยนตามระยะทางหรือระยะเวลาการใช้งานตามมาตรฐานของโรงงานผู้ผลิตล้อยาง ซึ่งมีหลากหลายมาตรฐานจนทำให้เกิดความสับสน เช่น บางบริษัทระบุว่ายางหมดอายุการใช้งานที่ 2 ปี หรือ 50,000 กิโลเมตรบางบริษัทระบุว่ายางล้อของบริษัทตนสามารถใช้งานได้ถึง 100,000 กิโลเมตร มีจำนวนผู้ใช้รถยนต์อีกจำนวนมากที่เลือกที่จะเปลี่ยนยางตามความรู้สึกที่ได้รับเช่น รู้สึกว่าดอกยางแข็งกระด้างทำให้เสียงดัง หรือรู้สึกว่ามีอาการเบรกไม่อยู่หรือระยะเบรกยาว

         เป็นที่เข้าใจโดยทั่วไปว่าอุณหภูมิเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญที่ทำให้ยางเสื่อมสภาพ การเสื่อมสภาพของยางส่วนหนึ่งเป็นผลเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของกำมะถัน (sulfur) ซึ่งเป็นสารเคมีที่เติมเป็นส่วนผสมของยางในกระบวนการผลิตยางล้อรถยนต์เพื่อใช้เป็นสารที่ก่อให้เกิดการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลของยางทำให้ยางคงรูปและมีสมบัติที่ดีขึ้นกำมะถันในยางล้อเมื่อเจอกับออกซิเจนในสภาวะที่เหมาะสมก็จะเกิดปฏิกิริยาเคมี อัตราของการเกิดปฏิกิริยาระหว่างกำมะถันและออกซิเจนเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ในสภาวะอากาศในเมืองไทย รถยนต์ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 120 ก.ม./ชม. จะทำให้อุณหภูมิที่หน้ายางของล้อยางรถยนต์สูงถึง 75 องศาเซลเซียส ซึ่งอุณหภูมิจะเพิ่มสูงขึ้นเมื่อความเร็วรถเพิ่มขึ้น หรือความดันในลมยางน้อยกว่าปกติ การที่ปริมาณของกำมะถันทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพิ่มขึ้นนั้นจะทำให้สมบัติที่ดีของยางลดลง โดยทำให้ยางล้อมีความแข็งกระด้างเพิ่มขึ้น และส่งผลตามมาในเรื่องของเสียง และสมรรถนะการยึดเกาะถนน การตรวจสอบปริมาณการเกิดออกไซด์ของกำมะถันเป็นวิธีการหนึ่งที่สามารถบ่งบอกได้ถึงคุณภาพของยางล้อ

         เทคนิคที่ใช้ในการตรวจออกไซด์ของกำมะถันที่จะกล่าวถึงนี้คือเทคนิคสเปกโตรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (X-ray absorption spectroscopy) โดยอาศัยแสงซินโครตรอน เทคนิคดังกล่าวเป็นเทคนิคที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในการตรวจวิเคราะห์วัสดุ ทำให้เราทราบถึงข้อมูลเชิงเคมีของวัสดุ เช่น ชนิดของธาตุที่สนใจ ชนิด ปริมาณ และตำแหน่งของธาตุที่อยู่ข้างเคียง ตลอดจนข้อมูลเกี่ยวกับพันธะระหว่างอะตอม


 

 

รูปที่ 1 แผนภาพภาคตัดขวางแสดงองค์ประกอบต่าง ๆ ของยางล้อรถยนต์ (ภาพจาก internet)
 

 

รูปที่ 2สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์วัดจากบริเวณไหล่ยาง (shoulder) แก้มยาง (sidewall) และดอกยาง (tread) ของยางล้อรถยนต์วัดได้จากสถานีทดลองของระบบลำเลียงแสงที่ 8 ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)



          รูปที่ 2แสดงข้อมูลสเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของกำมะถันที่ได้จากการวัดยางล้อรถยนต์ใหม่ที่ยังไม่มีการใช้งานรุ่นหนึ่งของบริษัทข้ามชาติที่มีโรงงานผลิตในประเทศไทย โดยข้อมูลที่แสดงเป็นข้อมูลที่ได้จากตำแหน่งต่างๆของยางล้อ คือบริเวณไหล่ยาง(shoulder) แก้มยาง(sidewall) และหน้ายาง (ส่วนของดอกยาง หรือ tread) พร้อมกับแสดงสเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของกำมะถันในสารเคมีมาตรฐาน FeSO4สำหรับการเปรียบเทียบ แกนตั้งของกราฟรูปที่ 2คือค่าการดูดกลืนรังสีเอกซ์ และแนวแกนนอนคือค่าพลังงานโฟตอนของรังสีเอกซ์หรือค่าความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์นั่นเอง ในการศึกษาในครั้งนี้เราสนใจการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของอะตอมกำมะถันที่ค่าพลังงานต่างๆ ลักษณะที่เห็นได้ชัดเจนคือการปริมาณการดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่มีค่าสูงเป็นพีค (peak) สองพีคบริเวณค่าพลังงานโฟตอนที่ประมาณ 2472eV และ 2481eVพีคทั้งสองเกิดจากการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของกำมะถันที่มีพันธะเคมีที่แตกต่างกัน โดยพีคบริเวณค่าพลังงานโฟตอนที่ประมาณ 2472eV เกิดจากกำมะถันที่ทำหน้าที่เชื่อมโยงโมเลกุลของยางโดยอะตอมของกำมะถันที่ทำให้เกิดพีคบริเวณนี้เป็นอะตอมของกำมะถันที่มีพันธะเคมีกับคาร์บอน และ/หรือกำมะถัน ส่วนพีคบริเวณค่าพลังงานโฟตอนที่ประมาณ 2481eV เป็นกัมมะถันที่มีพันธะเคมีกับออกซิเจน ซึ่งเปรียบเทียบได้จากสเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของสารมาตรฐานที่ใช้เปรียบเทียบจากข้อมูลดังกล่าวพบว่าแม้กระทั่งยางล้อใหม่ พบว่ามีกำมะถันจำนวนหนึ่งได้ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเป็นออกไซด์ของกำมะถัน คาดว่าปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นในขั้นตอนที่มีการอบร้อนยางล้อในกระบวนการผลิต 
 

 

รูปที่ 3สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์วัดจากบริเวณไหล่ยาง (shoulder) แก้มยาง (sidewall) และดอกยาง (tread) ของยางล้อรถยนต์ใหม่เปรียบเทียบกับยางล้อที่มีการใช้งานแล้วประมาณ 12,000 กิโลเมตร



          สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่วัดจากยางล้อบริเวณไหล่ยาง แก้มยาง และหน้ายาง แสดงในรูปที่ 3 ได้มาจากการวัดเปรียบเทียบระหว่างยางล้อใหม่และยางล้อเก่าในรุ่นเดียวกัน โดยยางล้อเก่าเป็นยางล้อที่ผ่านการใช้งานจริงบนท้องถนนเป็นระยะทางประมาณ 12,000 กิโลเมตร พบว่าการเกิดออกไซด์ของกำมะถันเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดในบริเวณไหล่ยาง และบริเวณแก้มยางของล้อยางที่ผ่านการใช้งาน ซึ่งทำให้ยางมีความแข็งกระด้างเพิ่มขึ้นที่น่าสังเกตคือข้อมูลที่ได้จากบริเวณหน้ายาง (ดอกยาง) แสดงให้เห็นว่าปริมาณของออกไซด์ของกำมะถันในดอกยางมีการเปลี่ยนแปลงเพิ่มขึ้นน้อยมาก เมื่อเทียบกับบริเวณไหล่ยางและแก้มยาง การที่ไม่พบการเพิ่มขึ้นของออกไซด์ของกำมะถันเนื่องจากว่าขณะที่มีการใช้งานนั้นเกดการสึกของผิวหน้ายางไปพร้อมๆกับเกิดออกซิเดชัน การออกแบบให้อัตราการสึกมากกว่าหรือเท่ากับอัตราการเกิดออกซิเดชันนับว่าเป็นข้อดีที่ทำให้ยางบริเวณหน้ายางที่สัมผัสถนนมีสมบัติที่คงเดิม หรือเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ

          เป็นที่ทราบดีว่าอุณหภูมิเป็นปัจจัยหลักที่มีผลทำให้เกิดออกไซด์ของกำมะถัน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้ยางล้อรถยนต์มีคุณภาพต่ำลง ในสภาพการใช้งานจริง ล้อยางต้องแบกรับนำหนักบรรทุกหรือถูกแรงกระทำที่ค่าของแรงและรอบที่กระทำเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ภายใต้สภาวะดังกล่าวผนวกกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของล้อยาง ทำให้โครงสร้างระดับจุลภาคมีการเปลี่ยนแปลง และส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกายภาพอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกรณียางล้อรถยนต์ที่ไม่ได้มีการใช้งานและถูกเก็บรักษาในสภาพแวดล้อมที่ดีที่ไม่เอื้อต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เช่นที่อุณหภูมิห้องและมีความชื้นต่ำ ยางล้อรถยนต์สามารถเก็บรักษาได้เป็นระยะเวลานาน

          องค์ความรู้ในระดับโมเลกุลหรือระดับนาโนเมตร และระดับจุลภาคของยางล้อรถยนต์ได้มีส่วนที่สำคัญต่อการพัฒนายางล้อรถยนต์ โดยเฉพาะอย่างในช่วง 10 ปีที่ผ่านเทคนิคการตรวจวิเคราะห์ต่างๆได้ถูกพัฒนาขึ้นเป็นอย่างมากการวิจัยและพัฒนายางล้อรถยนต์เพื่อเข้าใจถึงกลไกของสารเคมีที่เติมในน้ำยางที่มีต่อคุณสมบัติของยาง รวมทั้งการตรวจวิเคราะห์เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงที่ส่งผลถึงประสิทธิภาพของยางล้อ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องของการเสื่อมสภาพของยางเนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน รวมทั้งความพยายามที่จะลดอัตราการเกิดออกซิเดชัน 



ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล
ห้องปฏิบัติการวิจัยนาโนสเปกโตรสโกปี
สาขาฟิสิกส์
สำนักวิชาวิทยาศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
prayoon.song@gmail.com