Утаен силициев диоксиде важен подсилващ пълнител в каучуковата промишленост. Различните му свойства косвено или директно влияят върху износоустойчивостта на каучука, като повлияват междуфазовото взаимодействие с каучуковата матрица, дисперсията и механичните свойства на каучука. По-долу, започвайки с ключовите свойства, ще анализираме подробно техните механизми на влияние върху износоустойчивостта на каучука:
1. Специфична повърхност (BET)
Специфичната повърхност е едно от най-важните свойства на силициевия диоксид, което пряко отразява контактната му площ с каучука и армировъчния му капацитет, като по този начин оказва значително влияние върху устойчивостта на износване.
(1) Положително влияние: В определен диапазон, увеличаването на специфичната повърхност (напр. от 100 m²/g до 200 m²/g) увеличава площта на междуфазовия контакт между силициевия диоксид и каучуковата матрица. Това може да подобри здравината на междуфазовата връзка чрез „ефекта на закотвяне“, подобрявайки устойчивостта на каучука на деформация и подсилващия ефект. В този момент твърдостта, якостта на опън и якостта на разкъсване на каучука се увеличават. По време на износване той е по-малко податлив на отлепване на материала поради прекомерно локално напрежение, което води до значително подобрение на устойчивостта на абразия.
(2) Отрицателно влияние: Ако специфичната повърхност е твърде голяма (напр. над 250 m²/g), ван дер Ваалсовите сили и водородните връзки между силициевите частици се засилват, което лесно причинява агломерация (особено без повърхностна обработка), водеща до рязък спад в диспергируемостта. Агломератите образуват „точки на концентрация на напрежение“ в каучука. По време на износване, разрушаването е склонно да се случва предимно около агломератите, което намалява устойчивостта на износване.
Заключение: Съществува оптимален диапазон на специфична повърхност (обикновено 150-220 m²/g, вариращ в зависимост от вида каучук), където диспергируемостта и подсилващият ефект са балансирани, което води до оптимална устойчивост на абразия.
2. Размер на частиците и разпределение на размера
Размерът на първичните частици (или размерът на агрегата) и разпределението на силициевия диоксид косвено влияят върху устойчивостта на абразия, като влияят върху еднородността на дисперсията и междуфазовото взаимодействие.
(1) Размер на частиците: По-малките размери на частиците (обикновено положително корелирани със специфичната повърхност) съответстват на по-големи специфични повърхности и по-силни усилващи ефекти (както по-горе). Прекалено малките размери на частиците (напр. размер на първичните частици < 10 nm) обаче значително увеличават енергията на агломерация между частиците, което драстично увеличава трудността за диспергиране. Това вместо това води до локални дефекти, намалявайки устойчивостта на абразия.
(2) Разпределение на размера на частиците: Силициевият диоксид с тясно разпределение на размера на частиците се разпръсква по-равномерно в каучука, избягвайки „слабите точки“, образувани от големи частици (или агломерати). Ако разпределението е твърде широко (напр. съдържащо частици както с размер 10 nm, така и над 100 nm), големите частици се превръщат в начални точки на износване (за предпочитане се износват по време на абразия), което води до намалена устойчивост на абразия.
Заключение: Силициевият диоксид с малък размер на частиците (съответстващ на оптималната специфична повърхност) и тясно разпределение е по-благоприятен за повишаване на устойчивостта на абразия.
3. Структура (стойност на абсорбция на DBP)
Структурата отразява разклонената сложност на силициевите агрегати (характеризираща се със стойност на абсорбция на DBP; по-високата стойност показва по-висока структура). Тя влияе върху мрежовата структура на каучука и устойчивостта му на деформация.
(1) Положително влияние: Силициевият диоксид с висока структура образува триизмерни разклонени агрегати, създавайки по-плътна „скелетна мрежа“ в каучука. Това подобрява еластичността на каучука и устойчивостта му на компресионна деформация. По време на износване, тази мрежа може да буферира външните ударни сили, намалявайки износването от умора, причинено от повтаряща се деформация, като по този начин подобрява устойчивостта на износване.
(2) Отрицателно влияние: Прекалено високата структура (абсорбция на DBP > 300 mL/100g) лесно причинява заплитане между силициевите агрегати. Това води до рязко увеличение на вискозитета по Муни по време на смесване на каучука, лоша течливост при обработка и неравномерно разпръскване. Зоните с локално прекалено плътни структури ще претърпят ускорено износване поради концентрация на напрежение, което обратно намалява устойчивостта на абразия.
Заключение: Средната структура (абсорбция на DBP 200-250 mL/100g) е по-подходяща за балансиране на обработваемостта и устойчивостта на абразия.
4. Съдържание на повърхностни хидроксилни групи (Si-OH)
Силанолните групи (Si-OH) на повърхността на силициевия диоксид са ключови за влиянието върху неговата съвместимост с каучука, като косвено влияят върху устойчивостта на износване чрез якостта на междуфазовата връзка.
(1) Необработено: Прекалено високото съдържание на хидроксилни групи (> 5 групи/nm²) лесно води до твърда агломерация между частиците чрез водородни връзки, което води до лоша дисперсия. Едновременно с това, хидроксилните групи имат лоша съвместимост с каучуковите молекули (предимно неполярни), което води до слаба междуфазова връзка. По време на износване, силициевият диоксид е склонен да се отделя от каучука, намалявайки устойчивостта на износване.
(2) Обработено със силанов свързващ агент: Свързващите агенти (напр. Si69) реагират с хидроксилните групи, намалявайки агломерацията между частиците и въвеждайки групи, съвместими с каучука (напр. меркапто групи), като по този начин повишават здравината на междуфазовата връзка. В този момент се образува „химическо закотвяне“ между силициев диоксид и каучук. Преносът на напрежение става равномерен и междуфазовото отлепване е по-малко вероятно по време на износване, което значително подобрява устойчивостта на износване.
Заключение: Съдържанието на хидроксилни групи трябва да бъде умерено (3-5 групи/nm²) и трябва да се комбинира с обработка със силанов свързващ агент, за да се увеличи максимално междуфазовото свързване и да се подобри устойчивостта на абразия.
5. pH стойност
Стойността на pH на силициевия диоксид (обикновено 6,0-8,0) влияе предимно косвено върху устойчивостта на абразия, като повлиява системата за вулканизация на каучука.
(1) Прекомерно киселинна (pH < 6,0): Инхибира активността на ускорителите на вулканизацията, забавяйки скоростта на вулканизация и дори може да доведе до непълна вулканизация и недостатъчна плътност на омрежване в каучука. Каучукът с ниска плътност на омрежване има намалени механични свойства (напр. якост на опън, твърдост). По време на износване е склонен към пластична деформация и загуба на материал, което води до лоша устойчивост на износване.
(2) Прекалено алкална (pH > 8,0): Може да ускори вулканизацията (особено за тиазолови ускорители), причинявайки прекомерно бърза начална вулканизация и неравномерно омрежване (локално свръхомрежване или недостатъчно омрежване). Прекалено омрежените зони стават крехки, а недостатъчно омрежените зони имат ниска якост; и двете ще намалят устойчивостта на абразия.
Заключение: Неутралната до леко киселинна среда (pH 5,0-7,0) е по-благоприятна за равномерна вулканизация, осигурявайки механични свойства на каучука и подобрявайки устойчивостта на износване.
6. Съдържание на примеси
Примесите в силициевия диоксид (като метални йони като Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ или нереагирали соли) могат да намалят устойчивостта на износване, като повредят каучуковата структура или попречат на вулканизацията.
(1) Метални йони: Йоните на преходни метали като Fe³⁺ катализират окислителното стареене на каучука, ускорявайки разкъсването на молекулярната верига на каучука. Това води до влошаване на механичните свойства на материала с течение на времето, намалявайки устойчивостта на износване. Ca²⁺, Mg²⁺ могат да реагират с вулканизиращи агенти в каучука, като по този начин пречат на вулканизацията и намаляват плътността на омрежването.
(2) Разтворими соли: Прекалено високото съдържание на примесни соли (напр. Na₂SO₄) увеличава хигроскопичността на силициевия диоксид, което води до образуване на мехурчета по време на обработката на каучука. Тези мехурчета създават вътрешни дефекти; по време на износване, разрушаването е склонно да започва в тези дефектни места, намалявайки устойчивостта на износване.
Заключение: Съдържанието на примеси трябва да бъде стриктно контролирано (напр. Fe³⁺ < 1000 ppm), за да се сведе до минимум отрицателното въздействие върху характеристиките на каучука.
В обобщение, влиянието наутаен силициев диоксидВлиянието върху устойчивостта на абразия на каучука е резултат от синергичния ефект на множество свойства: специфичната повърхност и размерът на частиците определят основната армираща способност; структурата влияе върху стабилността на каучуковата мрежа; повърхностните хидроксилни групи и pH регулират междуфазовото свързване и еднородността на вулканизацията; докато примесите влошават производителността, като увреждат структурата. В практически приложения комбинацията от свойства трябва да бъде оптимизирана според вида каучук (напр. смес за протектор на гума, уплътнител). Например, смесите за протектор обикновено избират силициев диоксид с висока специфична повърхност, средна структура, ниски примеси и се комбинират с обработка със силанов свързващ агент, за да се увеличи максимално устойчивостта на абразия.
Време на публикуване: 22 юли 2025 г.