Taloženi silicijev dioksidje važno ojačavajuće punilo u industriji gume. Njegova različita svojstva neizravno ili izravno utječu na otpornost gume na abraziju utječući na međupovršinsku interakciju s gumenom matricom, disperziju i mehanička svojstva gume. U nastavku, počevši od ključnih svojstava, detaljno analiziramo njihove mehanizme utjecaja na otpornost gume na abraziju:
1. Specifična površina (BET)
Specifična površina jedno je od najvažnijih svojstava silicija, izravno odražavajući njegovu kontaktnu površinu s gumom i sposobnost ojačanja, značajno utječući na otpornost na abraziju.
(1) Pozitivan utjecaj: Unutar određenog raspona, 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 povećavaju se tvrdoća, vlačna čvrstoća i čvrstoća na kidanje gume. Tijekom trošenja, 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 jačaju, lako uzrokujući aglomeraciju (osobito bez površinske obrade), što dovodi do naglog pada disperzibilnosti. Aglomerati tvore „točke koncentracije naprezanja“ unutar gume. Tijekom trošenja, lom se prvenstveno događa oko aglomerata, što s druge strane smanjuje otpornost na abraziju.
Zaključak: Postoji optimalni raspon specifične površine (obično 150-220 m²/g, ovisno o vrsti gume) gdje su disperzibilnost i učinak ojačanja uravnoteženi, što rezultira optimalnom otpornošću na abraziju.
2. Veličina i raspodjela veličine čestica
Veličina primarnih čestica (ili veličina agregata) i raspodjela silicijevog dioksida neizravno utječu na otpornost na abraziju utječući na ujednačenost disperzije i međupovršinsku interakciju.
(1) Veličina čestica: Manje veličine čestica (obično pozitivno korelirane sa specifičnom površinom) odgovaraju većim specifičnim površinama i jačim učincima 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 nedostataka, smanjujući otpornost na abraziju.
(2) Raspodjela veličine čestica: Silicijev dioksid s uskom raspodjelom veličine čestica ravnomjernije se raspršuje u gumi, izbjegavajući „slabe točke“ koje tvore velike čestice (ili aglomerati). Ako je raspodjela preširoka (npr. sadrži čestice i od 10 nm i iznad 100 nm), velike čestice postaju početne točke trošenja (poželjno se troše tijekom 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 povećanje otpornosti na abraziju.
3. Struktura (vrijednost apsorpcije DBP-a)
Struktura odražava razgranatu složenost agregata silicijevog dioksida (karakteriziranu DBP apsorpcijskom vrijednošću; veća vrijednost označava veću strukturu). Utječe 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. Tijekom abrazije, ova mreža može ublažiti vanjske udarne sile, smanjujući zamor uzrokovan ponovljenom deformacijom, čime se poboljšava otpornost na abraziju.
(2) Negativan utjecaj: Prekomjerno visoka struktura (apsorpcija DBP-a > 300 mL/100 g) lako uzrokuje zapetljavanje između agregata silicijevog dioksida. To dovodi do naglog povećanja Mooneyjeve viskoznosti tijekom miješanja gume, slabe protočnosti i neravnomjerne disperzije. Područja s lokalno pregustim strukturama doživjet će ubrzano trošenje zbog koncentracije naprezanja, što će s druge strane smanjiti otpornost na abraziju.
Zaključak: Srednja struktura (apsorpcija DBP-a 200-250 mL/100g) je prikladnija za uravnoteženje obradivosti i otpornosti na abraziju.
4. Sadržaj površinskog hidroksila (Si-OH)
Silanolne skupine (Si-OH) na površini silicijevog dioksida ključne su za utjecaj na njegovu kompatibilnost s gumom, neizravno utječući na otpornost na abraziju putem čvrstoće međupovršinskog lijepljenja.
(1) Neobrađeno: Pretjerano visok sadržaj hidroksilnih skupina (> 5 skupina/nm²) lako dovodi do tvrde aglomeracije između čestica putem vodikovih veza, što rezultira slabom disperzijom. Istovremeno, hidroksilne skupine imaju slabu kompatibilnost s molekulama gume (uglavnom nepolarnim), što dovodi do slabe međupovršinske veze. Tijekom trošenja, silicijev dioksid sklon je odvajanju od gume, smanjujući otpornost na abraziju.
(2) Tretirano silanskim vezivnim sredstvom: Vezna sredstva (npr. Si69) reagiraju s hidroksilnim skupinama, smanjujući aglomeraciju među česticama i uvodeći skupine kompatibilne s gumom (npr. merkapto skupine), povećavajući čvrstoću međupovršinskog spajanja. U ovom trenutku, između silicija i gume formira se „kemijsko sidrenje“. Prijenos naprezanja postaje ujednačen, a međupovršinsko ljuštenje je manje vjerojatno tijekom trošenja, što značajno poboljšava otpornost na abraziju.
Zaključak: Sadržaj hidroksila mora biti umjeren (3-5 skupina/nm²) i mora se kombinirati s tretmanom silanskim veznim sredstvom kako bi se maksimiziralo međupovršinsko lijepljenje i poboljšala otpornost na abraziju.
5. pH vrijednost
pH vrijednost silicijevog dioksida (obično 6,0-8,0) prvenstveno neizravno utječe na otpornost na abraziju utjecajem na sustav vulkanizacije gume.
(1) Prekomjerno kiselo (pH < 6,0): Inhibira djelovanje akceleratora vulkanizacije, usporavajući brzinu vulkanizacije, a može čak dovesti i do nepotpune vulkanizacije i nedovoljne gustoće umrežavanja u gumi. Guma s niskom gustoćom umrežavanja ima smanjena mehanička svojstva (npr. vlačnu čvrstoću, tvrdoću). Tijekom trošenja 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 prebrzu 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) povoljnija je za ravnomjernu vulkanizaciju, osiguravajući mehanička svojstva gume i poboljšavajući otpornost na abraziju.
6. Sadržaj nečistoća
Nečistoće u silicijevom dioksidu (poput metalnih iona poput Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ili nereagiranih soli) mogu smanjiti otpornost na abraziju oštećenjem gumene strukture ili ometanjem vulkanizacije.
(1) Metalni ioni: Ioni prijelaznih metala poput Fe³⁺ kataliziraju oksidativno starenje gume, ubrzavajući cijepanje molekularnog lanca gume. To s vremenom dovodi do propadanja mehaničkih svojstava materijala, smanjujući otpornost na abraziju. Ca²⁺, Mg²⁺ mogu reagirati s vulkanizirajućim sredstvima u gumi, ometajući vulkanizaciju i smanjujući gustoću umrežavanja.
(2) Topljive soli: Prekomjerno visok sadržaj nečistoća soli (npr. Na₂SO₄) povećava higroskopnost silicijevog dioksida, što dovodi do stvaranja mjehurića tijekom obrade gume. Ti mjehurići stvaraju unutarnje nedostatke; tijekom trošenja, lom obično počinje na tim mjestima nedostataka, smanjujući otpornost na abraziju.
Zaključak: Sadržaj nečistoća mora se strogo kontrolirati (npr. Fe³⁺ < 1000 ppm) kako bi se smanjili negativni utjecaji na performanse gume.
Ukratko, utjecajistaloženi silicijev dioksidUčinak na otpornost gume na abraziju proizlazi iz sinergijskog učinka više svojstava: specifična površina i veličina čestica određuju temeljnu sposobnost ojačanja; struktura utječe na stabilnost gumene mreže; površinske hidroksilne skupine i pH reguliraju međupovršinsko lijepljenje i ujednačenost vulkanizacije; dok nečistoće smanjuju performanse oštećujući strukturu. U praktičnoj primjeni, kombinacija svojstava mora se optimizirati prema vrsti gume (npr. smjesa gaznog sloja gume, brtvilo). Na primjer, smjese gaznog sloja obično odabiru silicijev dioksid s visokom specifičnom površinom, srednjom strukturom, niskim udjelom nečistoća i kombiniraju se s tretmanom silanskim sredstvom za spajanje kako bi se maksimizirala otpornost na abraziju.
Vrijeme objave: 22. srpnja 2025.