Silice precipitatăeste un important material de armare în industria cauciucului. Diversele sale proprietăți afectează indirect sau direct rezistența la abraziune a cauciucului prin influențarea interacțiunii interfaciale cu matricea cauciucului, a dispersiei și a proprietăților mecanice ale cauciucului. Mai jos, pornind de la proprietățile cheie, analizăm în detaliu mecanismele lor de influență asupra rezistenței la abraziune a cauciucului:
1. Suprafața specifică (BET)
Suprafața specifică este una dintre cele mai importante proprietăți ale silicei, reflectând direct suprafața sa de contact cu cauciucul și capacitatea de ranforsare, având un impact semnificativ asupra rezistenței la abraziune.
(1) Influență pozitivă: Într-un anumit interval, creșterea suprafeței specifice (de exemplu, de la 100 m²/g la 200 m²/g) mărește aria de contact interfacial dintre silice și matricea de cauciuc. Acest lucru poate spori rezistența legăturii interfaciale prin „efectul de ancorare”, îmbunătățind rezistența cauciucului la deformare și efectul de armare. În acest moment, duritatea, rezistența la tracțiune și rezistența la rupere a cauciucului cresc. În timpul uzurii, acesta este mai puțin predispus la desprinderea materialului din cauza solicitării locale excesive, ceea ce duce la o îmbunătățire semnificativă a rezistenței la abraziune.
(2) Influență negativă: Dacă suprafața specifică este prea mare (de exemplu, depășește 250 m²/g), forțele van der Waals și legăturile de hidrogen dintre particulele de silice se intensifică, provocând ușor aglomerarea (în special fără tratament de suprafață), ceea ce duce la o scădere bruscă a dispersabilității. Aglomeratele formează „puncte de concentrare a stresului” în interiorul cauciucului. În timpul uzurii, fractura tinde să se producă preferențial în jurul aglomeratelor, reducând în schimb rezistența la abraziune.
Concluzie: Există un interval optim al suprafeței specifice (de obicei 150-220 m²/g, variind în funcție de tipul de cauciuc) în care dispersabilitatea și efectul de armare sunt echilibrate, rezultând o rezistență optimă la abraziune.
2. Dimensiunea particulelor și distribuția dimensiunilor
Dimensiunea primară a particulelor (sau dimensiunea agregatului) și distribuția silicei afectează indirect rezistența la abraziune prin influențarea uniformității dispersiei și a interacțiunii interfaciale.
(1) Dimensiunea particulelor: Dimensiunile mai mici ale particulelor (de obicei corelate pozitiv cu suprafața specifică) corespund unor suprafețe specifice mai mari și unor efecte de armare mai puternice (ca mai sus). Cu toate acestea, dimensiunile excesiv de mici ale particulelor (de exemplu, dimensiunea primară a particulelor < 10 nm) cresc semnificativ energia de aglomerare dintre particule, crescând drastic dificultatea dispersiei. Acest lucru duce în schimb la defecte locale, reducând rezistența la abraziune.
(2) Distribuția dimensiunii particulelor: Silicea cu o distribuție îngustă a dimensiunii particulelor se dispersează mai uniform în cauciuc, evitând „punctele slabe” formate de particule mari (sau aglomerate). Dacă distribuția este prea largă (de exemplu, conține particule atât de 10 nm, cât și de peste 100 nm), particulele mari devin puncte de inițiere a uzurii (de preferință uzate în timpul abraziunii), ceea ce duce la o rezistență scăzută la abraziune.
Concluzie: Silicea cu dimensiuni mici ale particulelor (care corespund suprafeței specifice optime) și distribuție îngustă este mai benefică pentru creșterea rezistenței la abraziune.
3. Structură (Valoarea de absorbție a DBP)
Structura reflectă complexitatea ramificată a agregatelor de silice (caracterizată prin valoarea de absorbție a DBP; o valoare mai mare indică o structură mai mare). Aceasta afectează structura rețelei cauciucului și rezistența la deformare.
(1) Influență pozitivă: Silicea cu structură înaltă formează agregate ramificate tridimensionale, creând o „rețea scheletică” mai densă în interiorul cauciucului. Aceasta sporește elasticitatea cauciucului și rezistența la compresie. În timpul abraziunii, această rețea poate amortiza forțele de impact externe, reducând uzura prin oboseală cauzată de deformările repetate, îmbunătățind astfel rezistența la abraziune.
(2) Influență negativă: O structură excesiv de mare (absorbția DBP > 300 mL/100g) provoacă ușor încurcarea între agregatele de silice. Aceasta duce la o creștere bruscă a vâscozității Mooney în timpul amestecării cauciucului, la o fluiditate slabă la procesare și la o dispersie neuniformă. Zonele cu structuri local prea dense vor experimenta o uzură accelerată din cauza concentrării stresului, reducând în schimb rezistența la abraziune.
Concluzie: Structura medie (absorbția DBP 200-250 mL/100g) este mai potrivită pentru echilibrarea procesabilității și a rezistenței la abraziune.
4. Conținutul de hidroxil de suprafață (Si-OH)
Grupările silanol (Si-OH) de pe suprafața silicei sunt esențiale pentru influențarea compatibilității acesteia cu cauciucul, afectând indirect rezistența la abraziune prin rezistența legăturii interfaciale.
(1) Netratat: Un conținut excesiv de ridicat de hidroxil (> 5 grupări/nm²) duce ușor la o aglomerare dură între particule prin legături de hidrogen, rezultând o dispersie slabă. Simultan, grupările hidroxil au o compatibilitate slabă cu moleculele de cauciuc (în mare parte nepolare), ceea ce duce la legături interfaciale slabe. În timpul uzurii, silicea este predispusă la desprinderea de cauciuc, reducând rezistența la abraziune.
(2) Tratat cu agent de cuplare silan: Agenții de cuplare (de exemplu, Si69) reacționează cu grupările hidroxil, reducând aglomerarea interparticulelor și introducând grupări compatibile cu cauciucul (de exemplu, grupări mercapto), sporind rezistența legăturii interfaciale. În acest moment, se formează o „ancorare chimică” între silice și cauciuc. Transferul de stres devine uniform, iar exfolierea interfacială este mai puțin probabilă în timpul uzurii, îmbunătățind semnificativ rezistența la abraziune.
Concluzie: Conținutul de hidroxil trebuie să fie moderat (3-5 grupări/nm²) și trebuie combinat cu un tratament cu agent de cuplare silanic pentru a maximiza legătura interfacială și a îmbunătăți rezistența la abraziune.
5. Valoarea pH-ului
Valoarea pH-ului silicei (de obicei 6,0-8,0) afectează în principal indirect rezistența la abraziune prin influențarea sistemului de vulcanizare a cauciucului.
(1) Excesiv de acid (pH < 6,0): Inhibă activitatea acceleratorilor de vulcanizare, întârziind viteza de vulcanizare și poate duce chiar la vulcanizare incompletă și densitate insuficientă de reticulare în cauciuc. Cauciucul cu densitate scăzută de reticulare are proprietăți mecanice reduse (de exemplu, rezistență la tracțiune, duritate). În timpul uzurii, este predispus la deformare plastică și pierdere de material, rezultând o rezistență slabă la abraziune.
(2) Excesiv alcalin (pH > 8,0): Poate accelera vulcanizarea (în special pentru acceleratorii tiazoli), provocând o vulcanizare inițială excesiv de rapidă și o reticulare inegală (suprareticulare locală sau insuficientă). Zonele suprareticulate devin fragile, zonele insuficient reticulate au o rezistență scăzută; ambele vor reduce rezistența la abraziune.
Concluzie: Un pH neutru până la ușor acid (pH 5,0-7,0) este mai favorabil pentru vulcanizarea uniformă, asigurând proprietățile mecanice ale cauciucului și îmbunătățind rezistența la abraziune.
6. Conținut de impurități
Impuritățile din silice (cum ar fi ionii metalici precum Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ sau sărurile nereacționate) pot reduce rezistența la abraziune prin deteriorarea structurii cauciucului sau interferarea cu vulcanizarea.
(1) Ioni metalici: Ionii metalelor de tranziție precum Fe³⁺ catalizează îmbătrânirea oxidativă a cauciucului, accelerând scindarea lanțului molecular al cauciucului. Acest lucru duce la o degradare a proprietăților mecanice ale materialului în timp, reducând rezistența la abraziune. Ca²⁺ și Mg²⁺ pot reacționa cu agenții de vulcanizare din cauciuc, interferând cu vulcanizarea și reducând densitatea reticulării.
(2) Săruri solubile: Conținutul excesiv de ridicat de săruri de impuritate (de exemplu, Na₂SO₄) crește higroscopicitatea silicei, ducând la formarea de bule în timpul procesării cauciucului. Aceste bule creează defecte interne; în timpul uzurii, defectarea tinde să se inițieze în aceste locuri cu defecte, reducând rezistența la abraziune.
Concluzie: Conținutul de impurități trebuie controlat strict (de exemplu, Fe³⁺ < 1000 ppm) pentru a minimiza impactul negativ asupra performanței cauciucului.
În concluzie, influențasilice precipitatăRezistența la abraziune a cauciucului rezultă din efectul sinergic al mai multor proprietăți: suprafața specifică și dimensiunea particulelor determină capacitatea fundamentală de armare; structura afectează stabilitatea rețelei de cauciuc; grupările hidroxil de suprafață și pH-ul reglează legăturile interfaciale și uniformitatea vulcanizării; în timp ce impuritățile degradează performanța prin deteriorarea structurii. În aplicațiile practice, combinația de proprietăți trebuie optimizată în funcție de tipul de cauciuc (de exemplu, compusul benzii de rulare a anvelopelor, material de etanșare). De exemplu, compușii benzii de rulare aleg de obicei silice cu suprafață specifică mare, structură medie, impurități scăzute și sunt combinați cu un tratament cu agent de cuplare silanic pentru a maximiza rezistența la abraziune.
Data publicării: 22 iulie 2025