Технология производства шин прошла долгий путь с тех пор, как впервые был выпущен автомобиль Ford Model T в 1908 году. Современные шины отличаются не только размерами, составом и структурой, но и цветом. А всё потому, что первые шины были белыми, и только во время Первой мировой войны они стали чёрными. Почему?

Полагаю, я должен пояснить, почему я затронул эту тему, поскольку, вероятно, не так много людей задумываются над этим вопросом. Когда мой отец приехал в Детройт в марте этого года, я отвёз его в музей Ford Piquette Avenue Plant Museum, первый завод, открытый компанией Ford, и место, где был впервые собран автомобиль Ford Model T.

Будучи там, я заметил, что у одних моделей Model T были белые шины, в то время как другие имели колёса из чёрной резины, как мы привыкли видеть сегодня. По этой причине, желая узнать больше, я связался с производителем шин Michelin.

«Изначально шины имели более светлый оттенок ввиду натурального цвета резины, – пояснил представитель компании. – Примерно в 1917 году производители стали добавлять в резиновую смесь технический углерод чёрного цвета, который во много раз увеличивал износостойкость».

Эта увеличенная долговечность подтверждается удостоенным наград инженером-химиком Джеком Кенигом, который пишет в своей книге «Спектроскопия полимеров», что шина без технического углерода прослужит менее 8000 километров. Большинство шин рассчитаны на пробег от 19000 до 24000 километров в год и служат в течение трёх или четырёх лет и больше. Теперь вы понимаете, насколько существенным является добавление технического углерода в их состав.

Представитель Michelin продолжил, заявив, что на технический углерод приходится от 15 до 30 процентов состава резины, используемой для производства современных шин. Мало того, что он делает их более износостойкими, он ещё и придаёт им характерный чёрный цвет, который защищает от ультрафиолетовых лучей, способных вызывать трещины, а также улучшает сцепление с поверхностью дороги и общую управляемость транспортным средством.

Шинная компания Coker также связывает чёрный цвет шин с техническим углеродом, о чём она пишет в статье под названием «История белых шин», отмечая, что усиление свойств является ключевым. В блоге Goodyear под названием Hug the Road также приписывают улучшение сопротивления и повышение проводимости техническому углероду.

Итак, теперь возникает вопрос: что представляет собой технический углерод?

Технический углерод является продуктом углеводорода, который прошёл через неполное сгорание и чей «дым» был захвачен в виде мелких чёрных частиц, состоящих практически полностью из элементарного углерода.

На протяжении многих лет его производят несколькими различными способами. По словам производителя технического углерода Orion Engineered Carbons, один из старейших процессов позволяет пламени от масляной лампы соприкасаться с прохладной поверхностью, с которой впоследствии соскабливают образованную в результате порошкообразную сажу. Эта порошкообразная сажа называлась ламповой копотью и использовалась в качестве чернил на протяжении многих веков.

Однако в 1870-х годах, как отмечается в увлекательной книге «Развитие резиновых технологий, Том 1», произошёл прорыв, ставший известный как «канальный процесс». По сути, он заключался в том, что природный газ сжигали в условиях недостатка воздуха во многих маленьких горелках и позволяли коптящему пламени подниматься по вертикальным железным желобам, охлаждаемых водой снаружи. Этот новый процесс и, в частности, более мелкие частицы, которые он давал, были, по всей видимости, важным шагом в создании более прочных шин для автомобильной промышленности, как пишет Orion Engineered Carbons в своей брошюре:

Более мелкие частицы, полученные из канальной сажи, позволили увеличить долговечность шин до нескольких десятков тысяч километров. Оглядываясь назад, можно сказать, что автомобильная промышленность во многом обязана своим быстрым ростом открытию и усовершенствованию производства канальной сажи.

Тем не менее, канальная сажа не было особо эффективной или экологически чистой, как вы можете видеть на фотографии, приведённой ниже. Эти конструкции назывались «горячими домами», их дым можно было увидеть за километры.

В настоящее время основный методом получения технического углерода является так называемый «печной процесс», который представляет собой впрыскивание исходного сырья (нефти или природного газа) в печь, где природный газ и предварительно нагретый воздух воспламеняются (смотреть изображение ниже). Высокие температуры этой реакции заставляют сырьё «трескаться» и превращаться в дым, который охлаждается водой и отфильтровывается в виде крошечных частиц канальной сажи.

Полученный в результате порошок затем превращается в гранулы при помощи воды и связующего вещества для более лёгкой транспортировки и последующего использования.

Порошок технического углерода чрезвычайно хорош, и чтобы увидеть истинную форму материала, необходимо использовать электронный микроскоп, который выявляет мельчайшие частицы (обычно от 10 до 500 нанометров), слившиеся воедино в цепи различной формы. По словам крупнейшего производителя технического углерода Birla Carbon, размер частиц, а также слившихся «агрегатов», и общая форма влияют на такие показатели, как износостойкость резины, предел прочности, тёмный цвет, проводимость и атмосферостойкость.

Были выделены различные типы технического углерода, в зависимости от поверхности и скорость вулканизации резины.

Как нехватка поставок во время Первой мировой войны привела к возникновению чёрных шин

История о том, как шины получили свой чёрный цвет, является сложной и увлекательной, но также немного запутанной. Я беседовал с Джеком Сивиттом, членом попечительского совета, а также экскурсоводом завода Ford Piquette. Хотя позднее он признал, что у него и его коллег были разные истории о том, как всё это произошло. По его мнению, шины, возможно, почернели в результате нехватки боеприпасов Первой мировой войны.

В частности, он сказал, что в начале 1900-х годов производители шин решили добавлять в резину оксид магния, чтобы увеличить прочность. «Но оксид магния был необходим для военной промышленности во время Первой мировой войны, – пояснил он, сказав, что его использовали в качестве топлива и что латунь для артиллерийских снарядов тоже была в дефиците. – Таким образом, автомобильной промышленности было сказано: “Вы не можете больше использовать латунь, а также оксид магния для производства шин”. Поэтому они были вынуждены искать что-то другое, и они нашли – технический углерод».

Сивитт сообщил мне, что ему и его команде нужно осуществить проверку кое-каких фактов, и хотя он мне ещё не ответил, его история вдохновила меня немного покопаться в том, как Первая мировая война повлияла на чёрные шины. И я обнаружил, что Сивитт был отчасти прав.

Интернет-поиски привели меня к Crayola, производителю цветных карандашей и маркеров. Crayola когда-то был брендом компании Binney & Smith, названной в честь Эдвина Бинни и Гарольда Смита. Они были сыном и племянником (соответственно) Джозефа Бинни, основателя нью-йоркского химического завода Peekskill Chemical Works, который продавал древесный уголь и ламповую копоть — вышеупомянутый чёрный порошок, полученный в результате сбора сажи от горящего масла. Из него делали пигменты и чернила.

После того как Джозеф ушёл на пенсию, а Эдвин и Гарольд открыли Binney & Smith, компания прославилась красной оксидной краской, которая использовалась для покраски амбаров по всей Америке, а с наступлением нового столетия Binney & Smith представила такие инновации, как беспыльный мел для классных комнат и недорогие цветные карандаши под названием Crayola. Что ещё более важно, к тому времени Binney & Smith стала мировым лидером в производстве технического углерода на основе природного газа, продавая его как чернила под брендом Peerless, которые завоевали золотую награду на Парижской выставке 1900 года.

Бинни и Смит даже улучшили производственные процессы технического углерода и оформили патент на «аппарат для производства технического углерода» Эдвина Бинни (1890 год). Эти улучшения в производственном процессе, наряду с избытком природного газа, обнаруженного во время нефтяной лихорадки в Пенсильвании, подготовили почву для революции в шинной промышленности.

Согласно статье, написанной в 1992 году менеджером по обеспечению качества Michelin, Томас Хэнкок — основатель британской резиновой промышленности — и Чарльз Гудиер — первооткрыватель процесса вулканизации — были обладателями патентов 1830-х годов, связанных с добавлением ламповой копоти в резину для получения тёмного цвета, однако шины стали чёрными чуть позднее.

Автор, Джеффри Мелсом, говорит, что на самом деле тот факт, что технический углерод улучшает прочность резины, был обнаружен С. Моутом, химиком из компании India Rubber, Gutta Percha and Telegraph Cable Company (город Сильвертаун, Англия), в 1904 году.

«Однако лишь в 1912 году, — пишет Мелсом, — этот секретный ингредиент начал использоваться для производства шин Diamond Rubber Co. из Акрона (штат Огайо), которая приобрела права на использование материала у компании Моута».

Здесь истории начинают расходиться. Мелсом говорит, что С. Моут из Сильвертауна обнаружил значение технического углерода для производства шин, а Diamond Rubber затем получила разрешение от Моута на использование его метода. Однако компания по производству технического углерода Birla приписывает эту заслугу Б. Гудричу, который основал Diamond Rubber Co и был впечатлён шинами из Сильвертауна, которые он импортировал из Англии. Birla пишет на своём сайте: «Когда [Б. Гудрич] начал экспериментировать с шинами из Сильвертауна, чтобы изменить их внешний вид, он обнаружил, что протекторная резина была не просто серой — это также позволяло увеличить срок службы.

Производитель из Сильверстауна использовал небольшое количество технического углерода Binney & Smith, чтобы придать шинам их оттенок, и Гудрич обнаружил, что увеличение количества данного вещества связывает частицы резины, делая их прочнее. Так, в 1911 году они обратились к производителю с просьбой обеспечить им ежегодную поставку миллиона фунтов технического углерода».

Этим производителем была Binney & Smith, которая сыграла главную роль в объединении мелких компаний по производству технического углерода в Columbian Carbon Company; в 2011 году она была приобретена Birla.

Итак, чтобы подвести итоги: Binney and Smith, компания, которая основала Crayola, стала крупным производителем технического углерода для чернил и пигментов. Химик из британской шинной компании добавил материал в шины и, возможно, определил, что технический углерод мог бы заменить оксид цинка (который использовался в качестве усилителя прочности в начале 1900-х годов). После этого B.F. подхватила технологию и в конечном итоге сделала её популярной благодаря огромному заказу технического углерода у Binney and Smith.

Какая же роль во всём этом отведена Первой мировой войне? Ну, Джек Сивитт с завода Ford Piquette, возможно, был прав относительно нехватки боеприпасов, хотя, я думаю, что он перепутал оксид магния с оксидом цинка. Я говорю, что «возможно, был прав» потому, что я наткнулся на декабрьский выпуск журнала Fortune Magazine 1988 года, в котором говорится о нехватке боеприпасов: «Рынок технического углерода взорвался после Первой мировой войны. До того времени для усиления прочности шин использовался оксид цинка. Когда оксид цинка стал необходим для производства латуни для гильз, химики случайно обнаружили технический углерод, который оказался ещё лучше».

Я также наткнулся на подобную информацию в журнале Reinforced Plastics: «Дата этого открытия довольно зловещая, поскольку оно произошло накануне начала Первой мировой войны. Оксид цинка использовался в качестве упрочняющего компонента в шинах, однако он также являлся компонентом латуни и был необходим для производства пуль, боеприпасов и вооружения. Это подготовило почву для того, чтобы технический углерод превратился из чёрного пигмента в химическое вещество, используемое в глобальной промышленности. Объём углерода, поставляемого на рынок, увеличился в шесть раз с 1915 по 1924 год в результате этого нововведения...»

И есть ещё один отрывок из книги «Мировая резиновая промышленность», в которой обсуждается, почему технический углерод в шинах не приживался до тех пор, пока не были обнаружены его преимущества: »... каркасы шин в то время были настолько слабыми, что улучшение одного только протектора ничего не давало. Однако последующее упрочнение шин посредством резинокордного каркаса, всплеск потребления шин и нехватка оксида цинка во время Первой мировой войны, ранее применявшегося для увеличения прочности шин, способствовало распространению использования технического углерода и продемонстрировало его превосходство».

Представитель Michelin сказал мне, что первые чёрные шины компании, выпущенные примерно в 1917 году, назывались Universal Tread Covers и рекламировались как шины «для всех дорог и любой погоды».

Таким образом, не совсем ясно, какую роль Первая мировая война сыграла в том, чтобы шины стали чёрного цвета, поскольку кажется, что знание о том, что технический углерод усиливает прочность, существовало задолго до её начала отчасти благодаря Binney & Smith и нефтяной лихорадки в Пенсильвании.

Между тем, автомобили получали широкое распространение в первые годы массового производства, а шины становились достаточно прочными благодаря использованию технического углерода и тому, что во время войны прочие химические альтернативы были ограничены.

Тем не менее, дело в том, что с началом Первой мировой войны технический углерод заменил оксид цинка, и шины стали чёрными. Но что более важно – их прочность увеличилась, а цвет сохраняется по сей день.

via