Осаджений кремнеземє важливим армуючим наповнювачем у гумовій промисловості. Його різні властивості опосередковано або безпосередньо впливають на стійкість гуми до стирання, впливаючи на міжфазну взаємодію з гумовою матрицею, дисперсію та механічні властивості гуми. Нижче, починаючи з ключових властивостей, ми детально аналізуємо їхні механізми впливу на стійкість гуми до стирання:
1. Питома площа поверхні (BET)
Питома площа поверхні є однією з найважливіших властивостей кремнезему, яка безпосередньо відображає його площу контакту з гумою та армуючу здатність, суттєво впливаючи на стійкість до стирання.
(1) Позитивний вплив: У певному діапазоні збільшення питомої поверхні (наприклад, від 100 м²/г до 200 м²/г) збільшує площу міжфазного контакту між кремнеземом та гумовою матрицею. Це може підвищити міцність міжфазного зв'язку завдяки «ефекту закріплення», покращуючи стійкість гуми до деформації та армуючий ефект. У цей момент збільшуються твердість, міцність на розтяг та розрив гуми. Під час зносу вона менш схильна до відшаровування матеріалу через надмірне локальне напруження, що призводить до значного покращення стійкості до стирання.
(2) Негативний вплив: якщо питома площа поверхні занадто велика (наприклад, перевищує 250 м²/г), сили Ван-дер-Ваальса та водневі зв'язки між частинками кремнезему посилюються, легко спричиняючи агломерацію (особливо без обробки поверхні), що призводить до різкого зниження диспергованості. Агломерати утворюють «точки концентрації напружень» усередині гуми. Під час зношування руйнування, як правило, відбувається переважно навколо агломератів, що навпаки знижує стійкість до стирання.
Висновок: Існує оптимальний діапазон питомої поверхні (зазвичай 150-220 м²/г, що залежить від типу гуми), де диспергованість та армуючий ефект збалансовані, що призводить до оптимальної стійкості до стирання.
2. Розмір частинок та розподіл розмірів
Розмір первинних частинок (або розмір агрегату) та розподіл кремнезему опосередковано впливають на стійкість до стирання, впливаючи на однорідність дисперсії та міжфазну взаємодію.
(1) Розмір частинок: Менші розміри частинок (зазвичай позитивно корелюють з питомою площею поверхні) відповідають більшій питомій площі поверхні та сильнішому армуючому ефекту (як зазначено вище). Однак надмірно малі розміри частинок (наприклад, розмір первинних частинок < 10 нм) значно збільшують енергію агломерації між частинками, різко збільшуючи труднощі диспергування. Натомість це призводить до локальних дефектів, знижуючи стійкість до стирання.
(2) Розподіл розмірів частинок: кремнезем з вузьким розподілом розмірів частинок рівномірніше розподіляється в гумі, уникаючи «слабких точок», утворених великими частинками (або агломератами). Якщо розподіл занадто широкий (наприклад, містить частинки розміром як 10 нм, так і понад 100 нм), великі частинки стають точками початку зношування (переважно зношуються під час стирання), що призводить до зниження стійкості до стирання.
Висновок: Кремнезем з малим розміром частинок (що відповідає оптимальній питомій площі поверхні) та вузьким розподілом є більш корисним для підвищення стійкості до стирання.
3. Структура (значення поглинання ДБФ)
Структура відображає розгалужену складність агрегатів кремнезему (характеризується значенням поглинання DBP; вище значення вказує на вищу структуру). Вона впливає на сітчасту структуру каучуку та його стійкість до деформації.
(1) Позитивний вплив: кремнезем з високою структурою утворює тривимірні розгалужені агрегати, створюючи щільнішу «скелетну мережу» всередині гуми. Це підвищує еластичність гуми та стійкість до остаточного стиснення. Під час стирання ця мережа може пом'якшувати зовнішні ударні сили, зменшуючи втомний знос, спричинений повторною деформацією, тим самим покращуючи стійкість до стирання.
(2) Негативний вплив: Надмірно висока структура (поглинання ДБФ > 300 мл/100 г) легко призводить до заплутування між агрегатами кремнезему. Це призводить до різкого збільшення в'язкості за Муні під час змішування гуми, поганої технологічної плинності та нерівномірного розподілу. Ділянки з локально надмірно щільними структурами зазнають прискореного зносу через концентрацію напружень, що, навпаки, знижує стійкість до стирання.
Висновок: Середня структура (поглинання DBP 200-250 мл/100 г) більше підходить для балансування технологічності та стійкості до стирання.
4. Вміст поверхневого гідроксилу (Si-OH)
Силанольні групи (Si-OH) на поверхні кремнезему є ключовими для впливу на його сумісність з гумою, опосередковано впливаючи на стійкість до стирання через міцність міжфазного зв'язку.
(1) Необроблений: Надмірно високий вміст гідроксильних груп (> 5 груп/нм²) легко призводить до твердої агломерації між частинками через водневі зв'язки, що призводить до поганої дисперсії. Одночасно гідроксильні групи мають погану сумісність з молекулами гуми (здебільшого неполярними), що призводить до слабкого міжфазного зв'язку. Під час зносу кремнезем схильний до відшаровування від гуми, знижуючи стійкість до стирання.
(2) Обробка силановим сполучним агентом: сполучні агенти (наприклад, Si69) реагують з гідроксильними групами, зменшуючи міжчастинкову агломерацію та вводячи групи, сумісні з гумою (наприклад, меркаптогрупи), підвищуючи міцність міжфазного зв'язку. У цей момент між кремнеземом та гумою утворюється «хімічне закріплення». Передача напруги стає рівномірною, а міжфазне відшаровування менш імовірне під час зносу, що значно покращує стійкість до стирання.
Висновок: Вміст гідроксильних груп має бути помірним (3-5 груп/нм²) і повинен поєднуватися з обробкою силановим сполучним агентом для максимізації міжфазного зв'язку та покращення стійкості до стирання.
5. Значення pH
Значення pH кремнезему (зазвичай 6,0-8,0) опосередковано впливає на стійкість до стирання, впливаючи на систему вулканізації гуми.
(1) Надмірно кисла (pH < 6,0): Пригнічує активність прискорювачів вулканізації, уповільнюючи швидкість вулканізації та навіть може призвести до неповної вулканізації та недостатньої щільності зшивання в гумі. Гума з низькою щільністю зшивання має знижені механічні властивості (наприклад, міцність на розрив, твердість). Під час зношування вона схильна до пластичної деформації та втрати матеріалу, що призводить до низької стійкості до стирання.
(2) Надмірно лужна (pH > 8,0): Може прискорити вулканізацію (особливо для тіазольних прискорювачів), що спричиняє надмірно швидку початкову вулканізацію та нерівномірне зшивання (локальні надмірні або недостатні зшивання). Надмірно зшиті ділянки стають крихкими, недостатньо зшиті ділянки мають низьку міцність; обидва фактори знижують стійкість до стирання.
Висновок: Нейтральний або слабокислий (pH 5,0-7,0) розчин є більш сприятливим для рівномірної вулканізації, забезпечення механічних властивостей гуми та покращення стійкості до стирання.
6. Вміст домішок
Домішки в кремнеземі (такі як іони металів, такі як Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ або непрореагувалі солі) можуть знизити стійкість до стирання, пошкоджуючи структуру гуми або перешкоджаючи вулканізації.
(1) Іони металів: Іони перехідних металів, такі як Fe³⁺, каталізують окислювальне старіння гуми, прискорюючи розрив молекулярного ланцюга гуми. Це призводить до погіршення механічних властивостей матеріалу з часом, знижуючи стійкість до стирання. Ca²⁺, Mg²⁺ можуть реагувати з вулканізуючими агентами в гумі, перешкоджаючи вулканізації та знижуючи щільність зшивання.
(2) Розчинні солі: Надмірно високий вміст домішкових солей (наприклад, Na₂SO₄) збільшує гігроскопічність кремнезему, що призводить до утворення бульбашок під час обробки гуми. Ці бульбашки створюють внутрішні дефекти; під час зношування руйнування, як правило, починається саме в цих місцях дефектів, знижуючи стійкість до стирання.
Висновок: Вміст домішок повинен суворо контролюватися (наприклад, Fe³⁺ < 1000 ppm), щоб мінімізувати негативний вплив на характеристики гуми.
Підсумовуючи, впливосаджений кремнеземВплив на стійкість гуми до стирання є результатом синергетичного ефекту кількох властивостей: питома площа поверхні та розмір частинок визначають фундаментальну армуючу здатність; структура впливає на стабільність гумової мережі; поверхневі гідроксильні групи та pH регулюють міжфазне зчеплення та однорідність вулканізації; тоді як домішки погіршують характеристики, пошкоджуючи структуру. У практичному застосуванні комбінація властивостей має бути оптимізована відповідно до типу гуми (наприклад, гумова суміш для протектора шин, герметик). Наприклад, для гумових сумішей для протекторів зазвичай вибирають діоксид кремнію з високою питомою площею поверхні, середньою структурою, низьким вмістом домішок, а також обробку силановим зв'язуючим агентом для максимізації стійкості до стирання.
Час публікації: 22 липня 2025 р.