Wytrącona krzemionkajest ważnym wypełniaczem wzmacniającym w przemyśle gumowym. Jego różnorodne właściwości pośrednio lub bezpośrednio wpływają na odporność gumy na ścieranie, wpływając na interakcję międzyfazową z matrycą gumową, dyspersję oraz właściwości mechaniczne gumy. Poniżej, zaczynając od kluczowych właściwości, szczegółowo analizujemy ich mechanizmy wpływu na odporność gumy na ścieranie:
1.Powierzchnia właściwa (BET)
Powierzchnia właściwa jest jedną z najważniejszych właściwości krzemionki, bezpośrednio odzwierciedlającą jej powierzchnię styku z gumą i właściwości wzmacniające, co znacząco wpływa na odporność na ścieranie.
(1) Wpływ pozytywny: W pewnym zakresie, zwiększenie powierzchni właściwej (np. ze 100 m²/g do 200 m²/g) zwiększa powierzchnię styku międzyfazowego krzemionki a matrycą kauczukową. Może to zwiększyć wytrzymałość wiązania międzyfazowego poprzez „efekt kotwiczenia”, poprawiając odporność gumy na odkształcenia i efekt wzmacniający. W tym momencie wzrasta twardość, wytrzymałość na rozciąganie i rozdzieranie gumy. Podczas zużycia jest ona mniej podatna na odrywanie się materiału z powodu nadmiernych naprężeń lokalnych, co prowadzi do znacznej poprawy odporności na ścieranie.
(2) Wpływ negatywny: Jeśli powierzchnia właściwa jest zbyt duża (np. przekracza 250 m²/g), siły van der Waalsa i wiązania wodorowe między cząsteczkami krzemionki ulegają wzmocnieniu, co łatwo prowadzi do aglomeracji (zwłaszcza bez obróbki powierzchni), a w rezultacie do gwałtownego spadku dyspergowalności. Aglomeraty tworzą „punkty koncentracji naprężeń” wewnątrz gumy. Podczas zużycia pęknięcia mają tendencję do pojawiania się głównie wokół aglomeratów, co z kolei zmniejsza odporność na ścieranie.
Wnioski: Istnieje optymalny zakres powierzchni właściwej (zwykle 150–220 m²/g, różniący się w zależności od rodzaju gumy), w którym dyspergowalność i efekt wzmacniający są zrównoważone, co skutkuje optymalną odpornością na ścieranie.
2. Wielkość cząstek i rozkład wielkości
Wielkość pierwotnych cząstek (lub wielkość agregatów) i rozmieszczenie krzemionki pośrednio wpływają na odporność na ścieranie, oddziałując na jednorodność dyspersji i interakcje międzyfazowe.
(1) Rozmiar cząstek: Mniejsze rozmiary cząstek (zwykle dodatnio skorelowane z powierzchnią właściwą) odpowiadają większym powierzchniom właściwym i silniejszym efektom wzmacniającym (jak powyżej). Jednak nadmiernie małe rozmiary cząstek (np. rozmiar cząstek pierwotnych < 10 nm) znacząco zwiększają energię aglomeracji między cząstkami, drastycznie zwiększając trudności z dyspersją. Prowadzi to do lokalnych defektów, zmniejszając odporność na ścieranie.
(2) Rozkład wielkości cząstek: Krzemionka o wąskim rozkładzie wielkości cząstek rozprasza się bardziej równomiernie w gumie, unikając „słabych punktów” tworzonych przez duże cząstki (lub aglomeraty). Jeśli rozkład jest zbyt szeroki (np. zawiera cząstki o średnicy zarówno 10 nm, jak i powyżej 100 nm), duże cząstki stają się punktami inicjacji zużycia (ulegają one w pierwszej kolejności ścieraniu podczas ścierania), co prowadzi do zmniejszenia odporności na ścieranie.
Wniosek: Krzemionka o małym rozmiarze cząstek (odpowiadającym optymalnej powierzchni właściwej) i wąskim rozrzucie jest bardziej korzystna w zwiększaniu odporności na ścieranie.
3. Struktura (wartość absorpcji DBP)
Struktura odzwierciedla rozgałęzioną złożoność agregatów krzemionkowych (charakteryzującą się wartością absorpcji DBP; wyższa wartość oznacza wyższą strukturę). Wpływa ona na strukturę sieciową gumy i jej odporność na odkształcenia.
(1) Pozytywny wpływ: Krzemionka o wysokiej strukturze tworzy trójwymiarowe, rozgałęzione agregaty, tworząc gęstszą „sieć szkieletową” w gumie. Zwiększa to elastyczność gumy i odporność na odkształcenia trwałe po ściskaniu. Podczas ścierania sieć ta może amortyzować siły uderzeń zewnętrznych, zmniejszając zużycie zmęczeniowe spowodowane powtarzającymi się odkształceniami, a tym samym poprawiając odporność na ścieranie.
(2) Wpływ negatywny: Zbyt wysoka struktura (absorpcja DBP > 300 ml/100 g) łatwo powoduje splątanie agregatów krzemionkowych. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu lepkości Mooneya podczas mieszania gumy, słabej płynności przetwórczej i nierównomiernej dyspersji. Obszary o lokalnie zbyt gęstej strukturze będą ulegać przyspieszonemu zużyciu z powodu koncentracji naprężeń, co z kolei prowadzi do zmniejszenia odporności na ścieranie.
Wnioski: Średnia struktura (absorpcja DBP 200–250 ml/100 g) jest bardziej odpowiednia, jeśli chodzi o równowagę między przetwarzalnością a odpornością na ścieranie.
4. Zawartość hydroksylu powierzchniowego (Si-OH)
Grupy silanolowe (Si-OH) na powierzchni krzemionki odgrywają kluczową rolę w zapewnieniu jej kompatybilności z gumą, pośrednio wpływając na odporność na ścieranie poprzez wytrzymałość wiązania międzyfazowego.
(1) Bez obróbki: Zbyt wysoka zawartość grup hydroksylowych (> 5 grup/nm²) łatwo prowadzi do twardych aglomeracji między cząsteczkami poprzez wiązania wodorowe, co skutkuje słabą dyspersją. Jednocześnie grupy hydroksylowe charakteryzują się słabą kompatybilnością z cząsteczkami gumy (głównie niepolarnymi), co prowadzi do słabego wiązania międzyfazowego. Podczas zużycia krzemionka ma tendencję do oddzielania się od gumy, zmniejszając jej odporność na ścieranie.
(2) Obróbka silanowym środkiem sprzęgającym: Środki sprzęgające (np. Si69) reagują z grupami hydroksylowymi, zmniejszając aglomerację międzycząsteczkową i wprowadzając grupy kompatybilne z gumą (np. grupy merkaptanowe), zwiększając wytrzymałość wiązania międzyfazowego. W tym momencie powstaje „chemiczne zakotwiczenie” między krzemionką a gumą. Przenoszenie naprężeń staje się równomierne, a odklejanie się powierzchni międzyfazowych jest mniej prawdopodobne podczas zużycia, co znacznie poprawia odporność na ścieranie.
Wniosek: Zawartość grup hydroksylowych powinna być umiarkowana (3-5 grup/nm²) i musi być połączona z obróbką silanowym środkiem sprzęgającym, aby zmaksymalizować wiązanie międzyfazowe i poprawić odporność na ścieranie.
5. Wartość pH
Wartość pH krzemionki (zwykle 6,0-8,0) wpływa głównie pośrednio na odporność na ścieranie, oddziałując na proces wulkanizacji gumy.
(1) Nadmiernie kwaśne (pH < 6,0): Hamuje działanie przyspieszaczy wulkanizacji, opóźniając proces wulkanizacji, a nawet może prowadzić do niepełnej wulkanizacji i niewystarczającej gęstości usieciowania w gumie. Guma o niskiej gęstości usieciowania ma obniżone właściwości mechaniczne (np. wytrzymałość na rozciąganie, twardość). Podczas zużycia jest podatna na odkształcenia plastyczne i utratę materiału, co skutkuje niską odpornością na ścieranie.
(2) Nadmiernie zasadowe (pH > 8,0): Może przyspieszać wulkanizację (szczególnie w przypadku przyspieszaczy tiazolowych), powodując zbyt szybką początkową wulkanizację i nierównomierne sieciowanie (miejscowe nadmierne lub niedostateczne sieciowanie). Miejsca nadmiernie usieciowane stają się kruche, a miejsca niedostatecznie usieciowane mają niską wytrzymałość; oba te zjawiska zmniejszają odporność na ścieranie.
Wnioski: Odczyn obojętny lub lekko kwaśny (pH 5,0-7,0) jest bardziej korzystny dla równomiernej wulkanizacji, zapewnia dobre właściwości mechaniczne gumy i poprawia odporność na ścieranie.
6. Zawartość zanieczyszczeń
Zanieczyszczenia w krzemionce (takie jak jony metali, np. Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ lub niereaktywne sole) mogą zmniejszyć odporność na ścieranie, uszkadzając strukturę gumy lub zakłócając wulkanizację.
(1) Jony metali: Jony metali przejściowych, takie jak Fe³⁺, katalizują starzenie oksydacyjne gumy, przyspieszając rozszczepianie łańcuchów molekularnych gumy. Prowadzi to z czasem do pogorszenia właściwości mechanicznych materiału, zmniejszając odporność na ścieranie. Ca²⁺, Mg²⁺ mogą reagować z czynnikami wulkanizującymi w gumie, zakłócając wulkanizację i obniżając gęstość usieciowania.
(2) Sole rozpuszczalne: Nadmiernie wysoka zawartość soli zanieczyszczających (np. Na₂SO₄) zwiększa higroskopijność krzemionki, co prowadzi do tworzenia się pęcherzyków podczas przetwarzania gumy. Pęcherze te tworzą wady wewnętrzne; podczas zużycia w tych miejscach zazwyczaj inicjują się uszkodzenia, zmniejszając odporność na ścieranie.
Wniosek: Zawartość zanieczyszczeń musi być ściśle kontrolowana (np. Fe³⁺ < 1000 ppm), aby zminimalizować negatywny wpływ na wydajność gumy.
Podsumowując, wpływwytrącona krzemionkaOdporność gumy na ścieranie wynika z synergicznego efektu wielu właściwości: powierzchnia właściwa i wielkość cząstek determinują fundamentalne właściwości wzmacniające; struktura wpływa na stabilność sieci gumowej; powierzchniowe grupy hydroksylowe i pH regulują wiązania międzyfazowe i jednorodność wulkanizacji; natomiast zanieczyszczenia pogarszają właściwości, uszkadzając strukturę. W zastosowaniach praktycznych, kombinacja właściwości musi być zoptymalizowana w zależności od rodzaju gumy (np. mieszanki bieżnika opony, uszczelniacza). Na przykład, mieszanki bieżnika zazwyczaj zawierają krzemionkę o dużej powierzchni właściwej, średniej strukturze, niskiej zawartości zanieczyszczeń, a następnie są łączone z silanowym środkiem sprzęgającym w celu maksymalizacji odporności na ścieranie.
Czas publikacji: 22 lipca 2025 r.