Un nuovo percorso verso la limitazione del non

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 666 (2023) Citare questo articolo

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Tenendo presente il riciclaggio e l'economia circolare, questo studio esplora la riduzione delle emissioni di una formulazione di materiale di attrito altamente ottimizzata e utilizzata commercialmente attraverso l'aggiunta di scorie metallurgiche da un forno a ossigeno basico in quantità variabili dal 6 al 38% in peso. Le varie composizioni sono state accoppiate con una controfaccia in ghisa grigia perlitica e testate su un tribometro a perno su disco. Il coefficiente di attrito e l'usura del perno sono aumentati con l'aggiunta della scoria ma erano ancora entro il limite consentito rispetto alla formulazione originale. I campioni con un contenuto di scorie più elevato hanno osservato plateau di contatto secondario estremamente compatti ed estesi, che hanno registrato anche una significativa presenza di scorie. Gli altipiani estesi si staccavano sotto forma di pezzi dalle superfici di accoppiamento, che si depositavano sull'hardware dell'attrezzatura e limitavano la produzione di particelle sospese nell'aria. Dal punto di vista della simbiosi industriale, l’aggiunta di scorie metallurgiche si è rivelata un modo promettente per ottenere materiali di attrito ecologici con emissioni ridotte.

I materiali di attrito per i sistemi frenanti automobilistici devono soddisfare una vasta gamma di requisiti che includono un coefficiente di attrito (CoF) stabile e desiderabile, un basso tasso di usura del sistema e bassi livelli di rumore e vibrazioni1,2,3. Pertanto, le formulazioni dei materiali di attrito comprendono una gamma di costituenti, a volte più di 30 ingredienti, suddivisi in legante, rinforzo, riempitivi e modificatori di attrito (ulteriormente suddivisi in abrasivi e lubrificanti)4. Recentemente sono stati avviati numerosi sforzi per produrre materiali di attrito ecologici. Sono in fase di sviluppo nuove formulazioni che utilizzano diversi tipi di rifiuti, inclusi rifiuti agricoli e rifiuti industriali. Ciò avviene nell'ambito del concetto di simbiosi industriale, ovvero in un processo mediante il quale sottoprodotti o rifiuti di un'industria o di un processo industriale diventano materie prime per un'altra industria o processo. Questo concetto si traduce in un utilizzo più sostenibile dei materiali e contribuisce allo sviluppo di un'economia circolare, che è l'obiettivo del "Piano d'azione per l'economia circolare della Commissione europea"5,6,7. Attraverso l’economia circolare, l’impronta ambientale delle industrie viene ridotta, i requisiti di materiali vergini sono limitati e la necessità di smaltimento in discarica è limitata, con conseguente valore aggiunto dei rifiuti8,9,10. Dal punto di vista ambientale, le formulazioni dei materiali devono soddisfare anche l'esigenza di ridurre l'emissione di particolato inquinante (PM). Infatti, tra le fonti di origine non di scarico, il processo di frenatura contribuisce attualmente al 55% in peso della frazione PM10 e al 21% della frazione PM2,5 (particelle aerodisperse con diametro aerodinamico inferiore a 10 µm e 2,5 µm rispettivamente)11, 12. È stato osservato che le emissioni di particolato hanno numerose ripercussioni sulla salute e sull’ambiente. Possono contribuire alle malattie respiratorie e cardiovascolari e alcuni PM sono classificati come agenti cancerogeni13,14.

Nel presente lavoro, abbiamo studiato il possibile utilizzo di scorie metallurgiche smaltite dopo la reazione nel forno a ossigeno basico (BOF) come ingrediente in una formulazione di materiale di attrito commerciale. Le scorie costituiscono tipicamente composti contenenti CaO, MgO, silice e ferro e possono anche contenere composti contenenti calcio e silicio15. Si prevede che gli ossidi si comportino come abrasivi16. Inoltre, è un'osservazione consolidata che i plateau di contatto secondario depositati sulle superfici accoppiate durante la frenata sono prevalentemente costituiti da ossidi di Fe17,18. La presenza di ossidi di Fe attraverso le scorie in un sistema di usura potrebbe portare a risultati interessanti e positivi sulle caratteristiche del plateau secondario (che determina il comportamento di attrito, usura ed emissione di un sistema). Lo studio delle caratteristiche di emissione e usura delle formulazioni è stato eseguito al 6, 12, 24, 32 e 38% in peso di contenuto di scorie, insieme alla caratterizzazione dei detriti da usura. L’obiettivo del lavoro è lo sviluppo di un materiale d’attrito eco-friendly con emissioni ridotte attraverso una prospettiva di simbiosi industriale. La novità dello studio è quella di ridurre significativamente le emissioni di PM in una formulazione di materiale di attrito utilizzabile attraverso l'aggiunta di scorie, lavorando allo stesso tempo rigorosamente verso la riduzione dell'utilizzo di materie prime vergini.