Kicsapott szilícium-dioxidfontos erősítő töltőanyag a gumiiparban. Különböző tulajdonságai közvetve vagy közvetlenül befolyásolják a gumi kopásállóságát azáltal, hogy befolyásolják a gumi mátrixszal való határfelületi kölcsönhatást, a diszperziót és a gumi mechanikai tulajdonságait. Az alábbiakban, a főbb tulajdonságoktól kezdve, részletesen elemezzük a gumi kopásállóságára gyakorolt hatásmechanizmusaikat:
1. Fajlagos felület (BET)
A fajlagos felület a szilícium-dioxid egyik legfontosabb tulajdonsága, amely közvetlenül tükrözi a gumival való érintkezési felületét és az erősítő képességét, jelentősen befolyásolva a kopásállóságot.
(1) Pozitív hatás: Bizonyos tartományon belül a fajlagos felület növelése (pl. 100 m²/g-ról 200 m²/g-ra) növeli a szilícium-dioxid és a gumi mátrix közötti határfelületi érintkezési területet. Ez a „horgonyzóhatás” révén fokozhatja a határfelületi kötés szilárdságát, javítva a gumi deformációval szembeni ellenállását és erősítő hatását. Ezen a ponton a gumi keménysége, szakítószilárdsága és szakítószilárdsága megnő. Kopás során kevésbé hajlamos az anyag leválására a túlzott helyi feszültség miatt, ami a kopásállóság jelentős javulásához vezet.
(2) Negatív hatás: Ha a fajlagos felület túl nagy (pl. meghaladja a 250 m²/g-ot), a van der Waals-erők és a szilícium-dioxid-részecskék közötti hidrogénkötések megerősödnek, ami könnyen agglomerációt okozhat (különösen felületkezelés nélkül), ami a diszpergálhatóság hirtelen csökkenéséhez vezet. Az agglomerátumok „feszültségkoncentrációs pontokat” képeznek a gumiban. Kopás során a törések elsősorban az agglomerátumok körül alakulnak ki, ami fordítva csökkenti a kopásállóságot.
Következtetés: Létezik egy optimális fajlagos felülettartomány (jellemzően 150-220 m²/g, a gumi típusától függően), ahol a diszpergálhatóság és az erősítő hatás kiegyensúlyozott, ami optimális kopásállóságot eredményez.
2. Részecskeméret és méreteloszlás
A szilícium-dioxid elsődleges részecskemérete (vagy aggregátummérete) és eloszlása közvetve befolyásolja a kopásállóságot a diszperzió egyenletességének és a határfelületi kölcsönhatásnak a befolyásolásával.
(1) Szemcseméret: A kisebb részecskeméretek (amelyek általában pozitív korrelációban állnak a fajlagos felülettel) nagyobb fajlagos felületet és erősebb erősítő hatást jelentenek (mint fentebb). A túlzottan kis részecskeméretek (pl. elsődleges részecskeméret < 10 nm) azonban jelentősen növelik a részecskék közötti agglomerációs energiát, ami drasztikusan növeli a diszperziós nehézséget. Ez ehelyett lokális hibákhoz vezet, csökkentve a kopásállóságot.
(2) Szemcseméret-eloszlás: A szűk szemcseméret-eloszlású szilícium-dioxid egyenletesebben diszpergálódik a gumiban, elkerülve a nagy részecskék (vagy agglomerátumok) által létrehozott „gyenge pontokat”. Ha az eloszlás túl széles (pl. 10 nm-es és 100 nm-nél nagyobb részecskéket is tartalmaz), a nagy részecskék kopáskezdeményezési pontokká válnak (előnyben részesítve a kopás során elkopnak), ami a kopásállóság csökkenéséhez vezet.
Következtetés: A kis részecskeméretű (az optimális fajlagos felületnek megfelelő) és szűk eloszlású szilícium-dioxid előnyösebb a kopásállóság fokozása szempontjából.
3. Szerkezet (DBP abszorpciós érték)
A szerkezet a szilícium-dioxid aggregátumok elágazó komplexitását tükrözi (a DBP abszorpciós érték jellemzi; a magasabb érték magasabb szerkezetet jelez). Befolyásolja a gumi hálózatos szerkezetét és deformációval szembeni ellenállását.
(1) Pozitív hatás: A magas szerkezetű szilícium-dioxid háromdimenziós elágazó aggregátumokat képez, sűrűbb „vázhálózatot” hozva létre a gumiban. Ez növeli a gumi rugalmasságát és a nyomófeszültséggel szembeni ellenállását. Kopás közben ez a hálózat tompítja a külső ütőerőket, csökkentve az ismételt deformáció okozta fáradásos kopást, ezáltal javítva a kopásállóságot.
(2) Negatív hatás: A túlzottan sűrű szerkezet (DBP-abszorpció > 300 ml/100 g) könnyen összekuszálódást okozhat a szilícium-dioxid-aggregátumok között. Ez a Mooney-viszkozitás hirtelen növekedéséhez vezet a kaucsuk keverése során, gyenge feldolgozási folyékonysághoz és egyenetlen diszperzióhoz. A lokálisan túl sűrű szerkezetű területeken a feszültségkoncentráció miatt felgyorsul a kopás, ami fordítva csökkenti a kopásállóságot.
Következtetés: A közepes szerkezet (DBP-abszorpció 200-250 ml/100 g) alkalmasabb a feldolgozhatóság és a kopásállóság egyensúlyának megteremtésére.
4. Felületi hidroxiltartalom (Si-OH)
A szilícium-dioxid felületén található szilanolcsoportok (Si-OH) kulcsfontosságúak a gumival való kompatibilitás befolyásolásában, közvetve befolyásolva a kopásállóságot a határfelületi kötési szilárdságon keresztül.
(1) Kezeletlen: A túlzottan magas hidroxiltartalom (> 5 csoport/nm²) könnyen kemény agglomerációhoz vezet a részecskék között hidrogénkötések révén, ami rossz diszperziót eredményez. Ezzel egyidejűleg a hidroxilcsoportok rosszul kompatibilisek a gumi molekulákkal (többnyire nem polárisak), ami gyenge határfelületi kötést eredményez. Kopás során a szilícium-dioxid hajlamos leválni a gumiról, csökkentve a kopásállóságot.
(2) Szilán kapcsolószerrel kezelve: A kapcsolószerek (pl. Si69) reakcióba lépnek a hidroxilcsoportokkal, csökkentve a részecskék közötti agglomerációt és a gumival kompatibilis csoportokat (pl. merkaptocsoportokat) vezetve be, növelve a határfelületi kötés szilárdságát. Ezen a ponton „kémiai lehorgonyzás” alakul ki a szilícium-dioxid és a gumi között. A feszültségátadás egyenletessé válik, és a határfelületi hámlás kisebb valószínűséggel következik be kopás közben, ami jelentősen javítja a kopásállóságot.
Következtetés: A hidroxil-tartalomnak mérsékeltnek kell lennie (3-5 csoport/nm²), és szilán kapcsolószeres kezeléssel kell kombinálni a határfelületi kötés maximalizálása és a kopásállóság javítása érdekében.
5. pH-érték
A szilícium-dioxid pH-értéke (jellemzően 6,0-8,0) elsősorban közvetve befolyásolja a kopásállóságot a gumi vulkanizációs rendszerének befolyásolásával.
(1) Túlzottan savas (pH < 6,0): Gátolja a vulkanizációgyorsítók aktivitását, késlelteti a vulkanizációs sebességet, sőt akár hiányos vulkanizációhoz és a gumi elégtelen térhálósodásához is vezethet. Az alacsony térhálósodással rendelkező gumi mechanikai tulajdonságai (pl. szakítószilárdság, keménység) romlanak. Kopás során hajlamos a képlékeny alakváltozásra és az anyagveszteségre, ami gyenge kopásállóságot eredményez.
(2) Túlzottan lúgos (pH > 8,0): Felgyorsíthatja a vulkanizációt (különösen tiazol gyorsítók esetén), ami túl gyors kezdeti vulkanizációt és egyenetlen térhálósodást (lokális túlzott vagy alultérhálósodást) okozhat. A túlzottan térhálósított területek rideggé válnak, az alultérhálósított területek pedig alacsony szilárdságúak; mindkettő csökkenti a kopásállóságot.
Következtetés: A semleges vagy enyhén savas (pH 5,0-7,0) környezet kedvezőbb az egyenletes vulkanizációhoz, biztosítva a gumi mechanikai tulajdonságait és javítva a kopásállóságot.
6. Szennyeződések tartalma
A szilícium-dioxidban található szennyeződések (például fémionok, mint a Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ vagy a reagálatlan sók) csökkenthetik a kopásállóságot azáltal, hogy károsítják a gumi szerkezetét vagy zavarják a vulkanizációt.
(1) Fémionok: Az átmeneti fémionok, mint például a Fe³⁺, katalizálják a gumi oxidatív öregedését, felgyorsítva a gumi molekuláris láncának felbomlását. Ez idővel az anyag mechanikai tulajdonságainak romlásához vezet, csökkentve a kopásállóságot. A Ca²⁺ és Mg²⁺ reakcióba léphetnek a gumiban lévő vulkanizálószerekkel, zavarva a vulkanizációt és csökkentve a térhálósodás sűrűségét.
(2) Oldható sók: A szennyező sók (pl. Na₂SO₄) túlzottan magas tartalma növeli a szilícium-dioxid higroszkóposságát, ami buborékképződéshez vezet a gumifeldolgozás során. Ezek a buborékok belső hibákat okoznak; kopás során a meghibásodás hajlamos ezeken a hibahelyeken megindulni, csökkentve a kopásállóságot.
Következtetés: A szennyeződés-tartalmat szigorúan ellenőrizni kell (pl. Fe³⁺ < 1000 ppm) a gumi teljesítményére gyakorolt negatív hatások minimalizálása érdekében.
Összefoglalva, a befolyásakicsapott szilícium-dioxidA gumi kopásállóságára gyakorolt hatás több tulajdonság szinergikus hatásának eredménye: a fajlagos felület és a részecskeméret határozza meg az alapvető erősítőképességet; a szerkezet befolyásolja a gumihálózat stabilitását; a felületi hidroxilcsoportok és a pH szabályozza a határfelületi kötést és a vulkanizáció egyenletességét; míg a szennyeződések a szerkezet károsításával rontják a teljesítményt. A gyakorlati alkalmazásokban a tulajdonságok kombinációját a gumi típusának megfelelően kell optimalizálni (pl. gumiabroncs futófelület-keverék, tömítőanyag). Például a futófelület-keverékekhez jellemzően nagy fajlagos felületű, közepes szerkezetű, alacsony szennyeződéstartalmú szilícium-dioxidot választanak, és szilán kapcsolószerrel kombinálják a kopásállóság maximalizálása érdekében.
Közzététel ideje: 2025. július 22.