Taloženi silicijum dioksidje važno ojačavajuće punilo u industriji gume. Njegova različita svojstva indirektno ili direktno utiču na otpornost gume na abraziju utičući na međufaznu interakciju sa gumenom matricom, disperziju i mehanička svojstva gume. U nastavku, počevši od ključnih svojstava, detaljno analiziramo njihove mehanizme uticaja na otpornost gume na abraziju:
1. Specifična površina (BET)
Specifična površina je jedno od najvažnijih svojstava silicijevog dioksida, direktno odražavajući njegovu kontaktnu površinu s gumom i sposobnost ojačavanja, značajno utičući na otpornost na abraziju.
(1) Pozitivan utjecaj: U određenom rasponu, povećanje specifične površine (npr. sa 100 m²/g na 200 m²/g) povećava površinu kontakta između silicijevog dioksida i gumene matrice. To može poboljšati čvrstoću međupovršinskog vezivanja putem "efekta sidrenja", poboljšavajući otpornost gume na deformacije i pojačavajući učinak. U ovom trenutku, tvrdoća, zatezna čvrstoća i čvrstoća na kidanje gume se povećavaju. Tokom habanja, manje je sklona odvajanju materijala zbog prekomjernog lokalnog naprezanja, što dovodi do značajnog poboljšanja otpornosti na abraziju.
(2) Negativan utjecaj: Ako je specifična površina prevelika (npr. veća od 250 m²/g), van der Waalsove sile i vodikove veze između čestica silicijevog dioksida se jačaju, lako uzrokujući aglomeraciju (posebno bez površinske obrade), što dovodi do naglog pada disperzibilnosti. Aglomerati formiraju "tačke koncentracije napona" unutar gume. Tokom habanja, lom se prvenstveno javlja oko aglomerata, što s druge strane smanjuje otpornost na abraziju.
Zaključak: Postoji optimalni raspon specifične površine (obično 150-220 m²/g, varira ovisno o vrsti gume) gdje su disperzibilnost i učinak ojačavanja uravnoteženi, što rezultira optimalnom otpornošću na abraziju.
2. Veličina i raspodjela veličine čestica
Veličina primarnih čestica (ili veličina agregata) i distribucija silicijum dioksida indirektno utiču na otpornost na abraziju utičući na ujednačenost disperzije i međufaznu interakciju.
(1) Veličina čestica: Manje veličine čestica (obično pozitivno korelirane sa specifičnom površinom) odgovaraju većim specifičnim površinama i jačim efektima ojačanja (kao gore). Međutim, pretjerano male veličine čestica (npr. primarna veličina čestica < 10 nm) značajno povećavaju energiju aglomeracije između čestica, drastično povećavajući poteškoće disperzije. To umjesto toga dovodi do lokalnih defekata, smanjujući otpornost na abraziju.
(2) Raspodjela veličine čestica: Silicijev dioksid s uskom raspodjelom veličine čestica ravnomjernije se raspršuje u gumi, izbjegavajući „slabe tačke“ koje formiraju velike čestice (ili aglomerati). Ako je raspodjela preširoka (npr. sadrži čestice i od 10 nm i preko 100 nm), velike čestice postaju početne tačke habanja (poželjno se troše tokom abrazije), što dovodi do smanjene otpornosti na abraziju.
Zaključak: Silicijev dioksid s malom veličinom čestica (koja odgovara optimalnoj specifičnoj površini) i uskom distribucijom je korisniji za poboljšanje otpornosti na abraziju.
3. Struktura (vrijednost apsorpcije DBP-a)
Struktura odražava razgranatu složenost agregata silicijum dioksida (karakteriziranu DBP vrijednošću apsorpcije; veća vrijednost ukazuje na veću strukturu). Utiče na mrežnu strukturu gume i otpornost na deformaciju.
(1) Pozitivan utjecaj: Silicijev dioksid visoke strukture formira trodimenzionalne razgranate agregate, stvarajući gušću „skeletnu mrežu“ unutar gume. To poboljšava elastičnost gume i otpornost na kompresiju. Tokom abrazije, ova mreža može ublažiti vanjske udarne sile, smanjujući zamor uzrokovan ponovljenom deformacijom, čime se poboljšava otpornost na abraziju.
(2) Negativan utjecaj: Pretjerano visoka struktura (apsorpcija DBP-a > 300 mL/100g) lako uzrokuje zapetljavanje između agregata silicijevog dioksida. To dovodi do naglog povećanja Mooneyjeve viskoznosti tokom miješanja gume, slabe protočnosti tokom obrade i neravnomjerne disperzije. Područja s lokalno pregustim strukturama će doživjeti ubrzano trošenje zbog koncentracije napona, što će s druge strane smanjiti otpornost na abraziju.
Zaključak: Srednja struktura (apsorpcija DBP-a 200-250 mL/100g) je pogodnija za uravnoteženje obradivosti i otpornosti na abraziju.
4. Sadržaj površinskog hidroksila (Si-OH)
Silanol grupe (Si-OH) na površini silicijum dioksida ključne su za utjecaj na njegovu kompatibilnost s gumom, indirektno utječući na otpornost na abraziju putem čvrstoće međupovršinskog lijepljenja.
(1) Neobrađeno: Prekomjerno visok sadržaj hidroksilnih grupa (> 5 grupa/nm²) lako dovodi do tvrde aglomeracije između čestica putem vodikovih veza, što rezultira lošom disperzijom. Istovremeno, hidroksilne grupe imaju slabu kompatibilnost s molekulama gume (uglavnom nepolarnim), što dovodi do slabe međupovršinske veze. Tokom habanja, silicijum dioksid je sklon odvajanju od gume, smanjujući otpornost na abraziju.
(2) Tretirano silanskim vezivnim sredstvom: Vezna sredstva (npr. Si69) reaguju sa hidroksilnim grupama, smanjujući aglomeraciju među česticama i uvodeći grupe kompatibilne sa gumom (npr. merkapto grupe), povećavajući čvrstoću međupovršinske veze. U ovom trenutku, formira se "hemijsko sidrenje" između silicija i gume. Prijenos napona postaje ujednačen, a međupovršinsko ljuštenje je manje vjerovatno tokom habanja, što značajno poboljšava otpornost na abraziju.
Zaključak: Sadržaj hidroksila treba biti umjeren (3-5 grupa/nm²) i mora se kombinirati s tretmanom silanskim vezivnim sredstvom kako bi se maksimiziralo međupovršinsko lijepljenje i poboljšala otpornost na abraziju.
5. pH vrijednost
pH vrijednost silicijum dioksida (obično 6,0-8,0) prvenstveno indirektno utiče na otpornost na abraziju utičući na sistem vulkanizacije gume.
(1) Prekomjerno kiselo (pH < 6,0): Inhibira aktivnost akceleratora vulkanizacije, usporavajući brzinu vulkanizacije, pa čak može dovesti i do nepotpune vulkanizacije i nedovoljne gustoće umrežavanja u gumi. Guma s niskom gustoćom umrežavanja ima smanjena mehanička svojstva (npr. zateznu čvrstoću, tvrdoću). Tokom habanja, sklona je plastičnoj deformaciji i gubitku materijala, što rezultira slabom otpornošću na abraziju.
(2) Prekomjerno alkalno (pH > 8,0): Može ubrzati vulkanizaciju (posebno za tiazolne akceleratore), uzrokujući pretjerano brzu početnu vulkanizaciju i neujednačeno umrežavanje (lokalno prekomjerno ili nedovoljno umrežavanje). Prekomjerno umrežena područja postaju krhka, a nedovoljno umrežena područja imaju nisku čvrstoću; oboje će smanjiti otpornost na abraziju.
Zaključak: Neutralna do blago kisela sredina (pH 5,0-7,0) je povoljnija za ravnomjernu vulkanizaciju, osiguravajući mehanička svojstva gume i poboljšavajući otpornost na abraziju.
6. Sadržaj nečistoća
Nečistoće u silicijum dioksidu (kao što su metalni ioni poput Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ili nereagovane soli) mogu smanjiti otpornost na abraziju oštećenjem gumene strukture ili ometanjem vulkanizacije.
(1) Metalni ioni: Ioni prelaznih metala poput Fe³⁺ katalizuju oksidativno starenje gume, ubrzavajući cijepanje molekularnog lanca gume. To dovodi do opadanja mehaničkih svojstava materijala tokom vremena, smanjujući otpornost na abraziju. Ca²⁺, Mg²⁺ mogu reagovati sa vulkanizirajućim sredstvima u gumi, ometajući vulkanizaciju i smanjujući gustinu umrežavanja.
(2) Rastvorljive soli: Prekomjerno visok sadržaj nečistoća soli (npr. Na₂SO₄) povećava higroskopnost silicijum dioksida, što dovodi do stvaranja mjehurića tokom obrade gume. Ovi mjehurići stvaraju unutrašnje defekte; tokom habanja, lom obično počinje na tim mjestima defekata, smanjujući otpornost na abraziju.
Zaključak: Sadržaj nečistoća mora biti strogo kontrolisan (npr. Fe³⁺ < 1000 ppm) kako bi se smanjili negativni uticaji na performanse gume.
Ukratko, utjecajistaloženi silicijum dioksidUtjecaj na otpornost gume na abraziju rezultat je sinergijskog efekta više svojstava: specifična površina i veličina čestica određuju osnovnu sposobnost ojačavanja; struktura utječe na stabilnost gumene mreže; površinske hidroksilne grupe i pH reguliraju međupovršinsko lijepljenje i ujednačenost vulkanizacije; dok nečistoće smanjuju performanse oštećujući strukturu. U praktičnoj primjeni, kombinacija svojstava mora biti optimizirana prema vrsti gume (npr. smjesa gazećeg sloja gume, zaptivač). Na primjer, smjese gazećeg sloja obično odabiru silicij dioksida s visokom specifičnom površinom, srednjom strukturom, niskim sadržajem nečistoća, a kombiniraju ga s tretmanom silanskim vezivnim sredstvom kako bi se maksimizirala otpornost na abraziju.
Vrijeme objave: 22. jula 2025.