Pastiglie freni

Recentemente mi sono interessato dell'argomento “pastiglie per freni a disco per auto”.

pastiglie per freni a disco

Una pastiglia per freni a disco è costituita essenzialmente da due parti:

• una piastrina d'acciaio di supporto
•  uno strato di materiale d'attrito

pinza e disco dell'impianto di frenatura

 L'impianto di frenatura a disco di un veicolo è formato da 4 dischi di ghisa solidali con le ruote e da 4 pinze idrauliche supportate al telaio dell'auto e messe a “mordere” il disco di ghisa. Queste pinze idrauliche sono comandate dal pedale del freno. All'interno di ogni pinza sono alloggiate due pastiglie (una da ogni lato di un disco), sono quindi presenti ben 8 pastiglie in ogni auto. Durante una frenata le pastiglie dei freni vengono violentemente compresse contro i dischi andando a dissipare l'energia cinetica del veicolo sotto forma di calore d'attrito.

Il materiale d'attrito delle pastiglie deve quindi possedere un opportuno coefficiente d'attrito in modo da assicurare, in casi di emergenza, lo spazio di frenata più breve possibile. Il materiale d'attrito deve anche avere una certa resistenza alla compressione. Inoltre, poiché per dissipare il calore la pastiglia del freno deve essere necessariamente esposta all'aria, il materiale d'attrito deve avere una notevole resistenza agli agenti atmosferici.

Per le normali auto il materiale d'attrito utilizzato è costituito da un cosiddetto “materiale composito a matrice polimerica”, ossia da una fibra di rinforzo (come fibra di Kevlar, fibra di vetro, fibra ceramica, fibra d'acciaio, ecc...) immersa in una resina legante (tipicamente una resina fenolica). Sono poi presenti, ovviamente, degli abrasivi (ossidi e silicati metallici molto duri) che servono a conferire alla pastiglia un congruo coefficiente d'attrito. Nella mescola che costituisce il materiale d'attrito sono anche presenti, meno intuitivamente, dei lubrificanti, come solfuri metallici o grafite in fiocchi o in polvere che sono aggiunti con lo scopo di rendere più stabile il coefficiente d'attrito e ridurre l'usura. Per terminare vengono aggiunti dei riempitivi di volume come sali inorganici vari, mica, vermiculite, ecc... .

Un tema di ricerca recente sulle pastiglie per freni a disco è quello di trovare un'alternativa alle resine fenoliche come resine leganti. Infatti le resine fenoliche durante il processo di polimerizzazione (curing) per la produzione del materiale d'attrito svilluppano delle sostanza gassose come ammoniaca e formaldeide che sono molto fastidiose. Lo stesso materiale d'attrito può contenere delle microbolle di gas che possono comprometterne le proprietà fisiche. Si stanno ottenendo risultanti interessanti con l'impiego di resine di polibenzossazina che polimerizzano senza lo sviluppo di gas.

Interessante caso di bilanciamento di una reazione: bilancio delle cariche

Proviamo a bilanciare con il metodo che ho illustrato nel precedente post la seguente equazione chimica:

MnO₄^- + C₆H₁₂O₆ + H⁺ → Mn²⁺ + CO₂ + H₂O

Poniamo coefficienti arbitrari:

a MnO₄^- + b C₆H₁₂O₆ + c H⁺ → d Mn²⁺ + e CO₂ + f H₂O 

Il bilancio del manganese (Mn) tra reagenti e prodotti ci dà:

a = d

Per cui:

a MnO₄^- + b C₆H₁₂O₆ + c H⁺ → a Mn²⁺ + e CO₂ + f H₂O

Il bilancio del carbonio (C) tra reagenti e prodotti ci dà:

6b = e

Per cui:

a MnO₄^- + b C₆H₁₂O₆ + c H⁺ → a Mn²⁺ + 6b CO₂ + f H₂O

Il bilancio dell'ossigeno (O) tra reagenti e prodotti ci dà:

4a + 6b = 2(6b) + f

4a + 6b = 12b + f

4a – 6b = f

Per cui:

a MnO₄^- + b C₆H₁₂O₆ + c H⁺ → a Mn²⁺ + 6b CO₂ + (4a – 6b) H₂O

Il bilancio dell'idrogeno (H) tra reagenti e prodotti ci dà:

12b + c = 2(4a – 6b)

12b + c = 8a – 12b

c = 8a – 24b

Per cui:

a MnO₄^- + b C₆H₁₂O₆ + (8a – 24b) H⁺ → a Mn²⁺ + 6b CO₂ + (4a – 6b) H₂O

Sembra che non si possa andare oltre per eliminare una delle due variabili arbitrarie (a oppure b) avendo ormai fatto tutti i bilanci di atomi possibili (Mn, C, O e H). Attenzione però, se ne può fare ancora uno, ossia il bilancio delle cariche tra reagenti e prodotti; infatti la somma delle cariche dei reagenti deve essere la stessa di quella dei prodotti. Nel fare questo bilancio occorre prestare molta attenzione ai segni delle cariche, infatti se dalla parte dei reagenti ho una carica negativa e tre cariche positive, in totale avrò due cariche positive (e così dovrà essere anche nei prodotti) e non quattro cariche generiche.

Nel caso della nostra equazione chimica da bilanciare si ha:

• fra i reagenti:

- un numero a di cariche negative dal permanganato (MnO₄^-) 

- un numero (8a – 24b) di cariche positive dal protone

• fra i prodotti:

- un numero 2a di cariche positive dallo ione Mn²⁺ 

In base a queste premesse, attribuendo arbitrariamente un segno meno alle cariche negative ed un segno più a quelle positive, il bilancio delle cariche sarà:

-a + (8a – 24b) = 2a

7a – 24b = 2a

-24b = -5a

In base a questo risultato l'equazione chimica diventa:

ossia:

Scegliendo a=24 per avere coefficienti interi e i più piccoli possibile si ottiene:

24 MnO₄^- + 5 C₆H₁₂O₆ + 72 H⁺ → 24 Mn²⁺ + 30 CO₂ + 66 H₂O

che è la reazione bilanciata.