Oborjeni silicijev dioksidje pomembno ojačevalno polnilo v gumarski industriji. Njegove različne lastnosti posredno ali neposredno vplivajo na odpornost gume proti obrabi, tako da vplivajo na medfazno interakcijo z gumijasto matrico, disperzijo in mehanske lastnosti gume. Spodaj bomo, začenši s ključnimi lastnostmi, podrobno analizirali njihove mehanizme vpliva na odpornost gume proti obrabi:
1. Specifična površina (BET)
Specifična površina je ena najpomembnejših lastnosti silicijevega dioksida, ki neposredno odraža njegovo kontaktno površino z gumo in ojačitveno sposobnost ter pomembno vpliva na odpornost proti obrabi.
(1) Pozitiven vpliv: V določenem območju povečanje specifične površine (npr. s 100 m²/g na 200 m²/g) poveča medfazno kontaktno površino med silicijevim dioksidom in gumijasto matrico. To lahko poveča medfazno vezavno trdnost s pomočjo "sidrnega učinka", kar izboljša odpornost gume na deformacije in ojačitveni učinek. Na tej točki se povečajo trdota, natezna trdnost in odpornost proti trganju gume. Med obrabo je manj nagnjena k odstopanju materiala zaradi prekomerne lokalne napetosti, kar vodi do znatnega izboljšanja odpornosti proti obrabi.
(2) Negativen vpliv: Če je specifična površina prevelika (npr. presega 250 m²/g), se van der Waalsove sile in vodikove vezi med delci silicijevega dioksida okrepijo, kar zlahka povzroči aglomeracijo (zlasti brez površinske obdelave), kar vodi do močnega zmanjšanja disperzibilnosti. Aglomerati tvorijo "točke koncentracije napetosti" znotraj gume. Med obrabo se lom običajno pojavi predvsem okoli aglomeratov, kar zmanjša odpornost proti obrabi.
Zaključek: Obstaja optimalno območje specifične površine (običajno 150–220 m²/g, odvisno od vrste gume), kjer sta disperzibilnost in ojačitveni učinek uravnotežena, kar ima za posledico optimalno odpornost proti obrabi.
2. Velikost delcev in porazdelitev velikosti
Velikost primarnih delcev (ali velikost agregata) in porazdelitev silicijevega dioksida posredno vplivata na odpornost proti obrabi z vplivom na enakomernost disperzije in interakcijo med površinami.
(1) Velikost delcev: Manjše velikosti delcev (običajno pozitivno korelirane s specifično površino) ustrezajo večjim specifičnim površinam in močnejšim ojačevalnim učinkom (kot zgoraj). Vendar pa pretirano majhne velikosti delcev (npr. velikost primarnih delcev < 10 nm) znatno povečajo energijo aglomeracije med delci, kar drastično poveča težave z disperzijo. To pa namesto tega vodi do lokalnih napak in zmanjša odpornost proti obrabi.
(2) Porazdelitev velikosti delcev: Silicijev dioksid z ozko porazdelitvijo velikosti delcev se v gumi enakomerneje razprši, s čimer se izognemo "šibkim točkam", ki jih tvorijo veliki delci (ali aglomerati). Če je porazdelitev preširoka (npr. vsebuje delce velikosti 10 nm in nad 100 nm), veliki delci postanejo začetne točke obrabe (prednostno se obrabijo med abrazijo), kar vodi do zmanjšane odpornosti proti abraziji.
Zaključek: Silicijev dioksid z majhno velikostjo delcev (ki ustreza optimalni specifični površini) in ozko porazdelitvijo je bolj koristen za izboljšanje odpornosti proti obrabi.
3. Struktura (vrednost absorpcije DBP)
Struktura odraža razvejano kompleksnost silicijevih agregatov (za katero je značilna absorpcijska vrednost DBP; višja vrednost pomeni višjo strukturo). Vpliva na mrežno strukturo kavčuka in odpornost proti deformacijam.
(1) Pozitiven vpliv: Silicijev dioksid z visoko strukturo tvori tridimenzionalne razvejane agregate, ki ustvarjajo gostejšo »skeletno mrežo« znotraj gume. To poveča elastičnost gume in odpornost na kompresijsko deformacijo. Med abrazijo lahko ta mreža blaži zunanje udarne sile, kar zmanjšuje utrujenostno obrabo, ki jo povzroča ponavljajoča se deformacija, in s tem izboljša odpornost proti obrabi.
(2) Negativen vpliv: Pretirano visoka struktura (absorpcija DBP > 300 mL/100g) zlahka povzroči prepletanje med agregati silicijevega dioksida. To vodi do močnega povečanja Mooneyjeve viskoznosti med mešanjem gume, slabe pretočnosti pri obdelavi in neenakomerne disperzije. Območja z lokalno preveč gostimi strukturami bodo zaradi koncentracije napetosti doživela pospešeno obrabo, kar bo zmanjšalo odpornost proti obrabi.
Zaključek: Srednja struktura (absorpcija DBP 200–250 mL/100 g) je primernejša za uravnoteženje predelovalnosti in odpornosti proti obrabi.
4. Vsebnost površinskega hidroksila (Si-OH)
Silanolske skupine (Si-OH) na površini silicijevega dioksida so ključne za vpliv na njegovo združljivost z gumo, kar posredno vpliva na odpornost proti obrabi prek trdnosti medfazne vezi.
(1) Neobdelano: Pretirano visoka vsebnost hidroksilnih skupin (> 5 skupin/nm²) zlahka povzroči trdo aglomeracijo med delci zaradi vodikovih vezi, kar povzroči slabo disperzijo. Hkrati so hidroksilne skupine slabo združljive z molekulami gume (večinoma nepolarnimi), kar vodi do šibkih medfaznih vezi. Med obrabo se silicijev dioksid nagnjen k ločitvi od gume, kar zmanjša odpornost proti obrabi.
(2) Obdelano s silanskimi vezivnimi sredstvi: Vezna sredstva (npr. Si69) reagirajo s hidroksilnimi skupinami, kar zmanjša aglomeracijo med delci in uvede skupine, združljive z gumo (npr. merkapto skupine), kar poveča trdnost medfazne vezi. Na tej točki se med silicijevim dioksidom in gumo oblikuje "kemično sidranje". Prenos napetosti postane enakomeren, medfazno luščenje pa je med obrabo manj verjetno, kar znatno izboljša odpornost proti obrabi.
Zaključek: Vsebnost hidroksila mora biti zmerna (3–5 skupin/nm²) in jo je treba kombinirati z obdelavo s silanskim vezivom, da se maksimizira medfazna vez in izboljša odpornost proti obrabi.
5. pH vrednost
pH vrednost silicijevega dioksida (običajno 6,0–8,0) posredno vpliva predvsem na odpornost proti obrabi z vplivom na sistem vulkanizacije gume.
(1) Prekomerno kisla (pH < 6,0): Zavira delovanje pospeševalnikov vulkanizacije, upočasni hitrost vulkanizacije in lahko celo povzroči nepopolno vulkanizacijo ter nezadostno gostoto zamreženja v gumi. Guma z nizko gostoto zamreženja ima zmanjšane mehanske lastnosti (npr. natezno trdnost, trdoto). Med obrabo je nagnjena k plastični deformaciji in izgubi materiala, kar ima za posledico slabo odpornost proti obrabi.
(2) Pretirano alkalna (pH > 8,0): Lahko pospeši vulkanizacijo (zlasti pri tiazolnih pospeševalcih), kar povzroči pretirano hitro začetno vulkanizacijo in neenakomerno zamreženje (lokalno prekomerno ali premalo zamreženje). Preveč zamrežena območja postanejo krhka, premalo zamrežena območja pa imajo nizko trdnost; oboje zmanjša odpornost proti obrabi.
Zaključek: Nevtralno do rahlo kislo okolje (pH 5,0–7,0) je ugodnejše za enakomerno vulkanizacijo, saj zagotavlja mehanske lastnosti gume in izboljšuje odpornost proti obrabi.
6. Vsebnost nečistoč
Nečistoče v silicijevem dioksidu (kot so kovinski ioni, kot so Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ali nereagirane soli) lahko zmanjšajo odpornost proti obrabi, saj poškodujejo strukturo gume ali motijo vulkanizacijo.
(1) Kovinski ioni: Prehodni kovinski ioni, kot je Fe³⁺, katalizirajo oksidativno staranje gume in pospešujejo cepitev molekularne verige gume. To sčasoma vodi do poslabšanja mehanskih lastnosti materiala, kar zmanjšuje odpornost proti obrabi. Ca²⁺ in Mg²⁺ lahko reagirata z vulkanizacijskimi sredstvi v gumi, kar moti vulkanizacijo in zmanjšuje gostoto zamreženja.
(2) Topne soli: Pretirano visoka vsebnost nečistočnih soli (npr. Na₂SO₄) poveča higroskopičnost silicijevega dioksida, kar vodi do nastajanja mehurčkov med predelavo gume. Ti mehurčki ustvarjajo notranje napake; med obrabo se na teh mestih napak ponavadi začnejo poškodbe, kar zmanjša odpornost proti obrabi.
Zaključek: Vsebnost nečistoč je treba strogo nadzorovati (npr. Fe³⁺ < 1000 ppm), da se čim bolj zmanjšajo negativni vplivi na delovanje gume.
Skratka, vplivoborjeni silicijev dioksidVpliv na odpornost gume proti obrabi je posledica sinergijskega učinka več lastnosti: specifična površina in velikost delcev določata temeljno ojačitveno sposobnost; struktura vpliva na stabilnost gumijaste mreže; površinske hidroksilne skupine in pH uravnavajo medfazno vezavo in enakomernost vulkanizacije; medtem ko nečistoče poslabšajo delovanje s poškodbo strukture. V praktični uporabi je treba kombinacijo lastnosti optimizirati glede na vrsto gume (npr. zmes za tekalno plast pnevmatik, tesnilna masa). Na primer, zmesi za tekalno plast običajno izberejo silicijev dioksid z visoko specifično površino, srednjo strukturo, nizko vsebnostjo nečistoč in ga kombinirajo z obdelavo s silanskim vezivom za povečanje odpornosti proti obrabi.
Čas objave: 22. julij 2025