Udfældet silicaer et vigtigt forstærkende fyldstof i gummiindustrien. Dets forskellige egenskaber påvirker indirekte eller direkte gummiets slidstyrke ved at påvirke grænsefladeinteraktionen med gummimatrixen, dispersionen og gummiets mekaniske egenskaber. Nedenfor analyserer vi, med udgangspunkt i de vigtigste egenskaber, i detaljer deres indflydelsesmekanismer på gummiets slidstyrke:
1. Specifikt overfladeareal (BET)
Det specifikke overfladeareal er en af silicas vigtigste egenskaber, da det direkte afspejler dets kontaktareal med gummi og forstærkningsevne, hvilket har betydelig indflydelse på slidstyrken.
(1) Positiv indflydelse: Inden for et bestemt område øges grænsefladekontaktarealet mellem silica og gummimatrixen ved at øge det specifikke overfladeareal (f.eks. fra 100 m²/g til 200 m²/g). Dette kan forbedre grænsefladebindingsstyrken gennem "forankringseffekten", hvilket forbedrer gummiets modstandsdygtighed over for deformation og forstærkende effekt. På dette tidspunkt øges gummiets hårdhed, trækstyrke og rivestyrke. Under slid er den mindre tilbøjelig til at løsne materialet på grund af overdreven lokal belastning, hvilket fører til en betydelig forbedring af slidstyrken.
(2) Negativ indflydelse: Hvis det specifikke overfladeareal er for stort (f.eks. over 250 m²/g), forstærkes van der Waals-kræfterne og hydrogenbindingerne mellem silicapartiklerne, hvilket let forårsager agglomerering (især uden overfladebehandling), hvilket fører til et kraftigt fald i dispergerbarheden. Agglomerater danner "spændingskoncentrationspunkter" i gummiet. Under slid har brud tendens til at forekomme fortrinsvis omkring agglomeraterne, hvilket omvendt reducerer slidstyrken.
Konklusion: Der findes et optimalt specifikt overfladeareal (typisk 150-220 m²/g, varierende med gummitypen), hvor dispergerbarhed og forstærkende effekt er afbalanceret, hvilket resulterer i optimal slidstyrke.
2. Partikelstørrelse og størrelsesfordeling
Den primære partikelstørrelse (eller aggregatstørrelse) og fordelingen af silica påvirker indirekte slidstyrken ved at påvirke dispersionsensartetheden og grænsefladeinteraktionen.
(1) Partikelstørrelse: Mindre partikelstørrelser (normalt positivt korreleret med specifikt overfladeareal) svarer til større specifikke overfladearealer og stærkere forstærkende effekter (som ovenfor). Imidlertid øger alt for små partikelstørrelser (f.eks. primær partikelstørrelse < 10 nm) agglomerationsenergien mellem partiklerne betydeligt, hvilket drastisk øger dispersionsvanskeligheden. Dette fører i stedet til lokale defekter, hvilket reducerer slidstyrken.
(2) Partikelstørrelsesfordeling: Silica med en smal partikelstørrelsesfordeling fordeles mere ensartet i gummi og undgår "svage punkter" dannet af store partikler (eller agglomerater). Hvis fordelingen er for bred (f.eks. indeholder partikler på både 10 nm og over 100 nm), bliver store partikler slidinitieringspunkter (fortrinsvis slidt væk under slid), hvilket fører til nedsat slidstyrke.
Konklusion: Silica med lille partikelstørrelse (som matcher det optimale specifikke overfladeareal) og smal fordeling er mere gavnlig til at forbedre slidstyrken.
3. Struktur (DBP-absorptionsværdi)
Strukturen afspejler den forgrenede kompleksitet af silicaaggregater (karakteriseret ved DBP-absorptionsværdi; højere værdi indikerer højere struktur). Det påvirker gummiets netværksstruktur og modstandsdygtighed over for deformation.
(1) Positiv indflydelse: Silica med høj struktur danner tredimensionelle forgrenede aggregater, hvilket skaber et tættere "skeletnetværk" i gummiet. Dette forbedrer gummiets elasticitet og modstand mod kompression. Under slid kan dette netværk buffere eksterne stødkræfter, hvilket reducerer udmattelsesslid forårsaget af gentagen deformation og derved forbedrer slidstyrken.
(2) Negativ indflydelse: En for høj struktur (DBP-absorption > 300 mL/100 g) forårsager let sammenfiltring mellem silicaaggregater. Dette fører til en kraftig stigning i Mooney-viskositeten under blanding af gummi, dårlig flydeevne og ujævn spredning. Områder med lokalt for tætte strukturer vil opleve accelereret slid på grund af spændingskoncentration, hvilket omvendt reducerer slidstyrken.
Konklusion: Medium struktur (DBP-absorption 200-250 mL/100g) er mere egnet til at afbalancere forarbejdningsevne og slidstyrke.
4. Overfladehydroxylindhold (Si-OH)
Silanolgrupperne (Si-OH) på silicaoverfladen er nøglen til at påvirke dens kompatibilitet med gummi, hvilket indirekte påvirker slidstyrken gennem grænsefladebindingsstyrken.
(1) Ubehandlet: Et for højt hydroxylindhold (> 5 grupper/nm²) fører let til hård agglomerering mellem partikler via hydrogenbinding, hvilket resulterer i dårlig dispersion. Samtidig har hydroxylgrupperne dårlig kompatibilitet med gummimolekyler (for det meste upolære), hvilket fører til svag grænsefladebinding. Under slid er silica tilbøjelig til at løsne sig fra gummiet, hvilket reducerer slidstyrken.
(2) Behandlet med silankoblingsmiddel: Koblingsmidler (f.eks. Si69) reagerer med hydroxylgrupper, hvilket reducerer agglomerering mellem partiklerne og introducerer grupper, der er kompatible med gummi (f.eks. mercaptogrupper), hvilket forbedrer grænsefladebindingsstyrken. På dette tidspunkt dannes en "kemisk forankring" mellem silica og gummi. Spændingsoverførslen bliver ensartet, og grænsefladeafskalning er mindre sandsynlig under slid, hvilket forbedrer slidstyrken betydeligt.
Konklusion: Hydroxylindholdet skal være moderat (3-5 grupper/nm²) og skal kombineres med behandling med silankoblingsmiddel for at maksimere grænsefladebindingen og forbedre slidstyrken.
5.pH-værdi
Silicas pH-værdi (typisk 6,0-8,0) påvirker primært indirekte slidstyrken ved at påvirke gummiets vulkaniseringssystem.
(1) For sur (pH < 6,0): Hæmmer aktiviteten af vulkaniseringsacceleratorer, forsinker vulkaniseringshastigheden og kan endda føre til ufuldstændig vulkanisering og utilstrækkelig tværbindingstæthed i gummiet. Gummi med lav tværbindingstæthed har reducerede mekaniske egenskaber (f.eks. trækstyrke, hårdhed). Under slid er det tilbøjeligt til plastisk deformation og materialetab, hvilket resulterer i dårlig slidstyrke.
(2) For alkalisk (pH > 8,0): Kan accelerere vulkanisering (især for thiazolacceleratorer), hvilket forårsager for hurtig initial vulkanisering og ujævn tværbinding (lokal overtværbinding eller undertværbinding). Overtværbundne områder bliver sprøde, mens undertværbundne områder har lav styrke; begge dele vil reducere slidstyrken.
Konklusion: Neutral til let sur (pH 5,0-7,0) er mere gunstig for ensartet vulkanisering, hvilket sikrer gummiets mekaniske egenskaber og forbedrer slidstyrken.
6. Urenhedsindhold
Urenheder i silica (såsom metalioner som Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ eller ureagerede salte) kan reducere slidstyrken ved at beskadige gummistrukturen eller forstyrre vulkaniseringen.
(1) Metalioner: Overgangsmetalioner som Fe³⁺ katalyserer oxidativ ældning af gummi, hvilket accelererer spaltning af gummimolekylkæder. Dette fører til et forfald af materialets mekaniske egenskaber over tid, hvilket reducerer slidstyrken. Ca²⁺ og Mg²⁺ kan reagere med vulkaniseringsmidler i gummiet, hvilket forstyrrer vulkaniseringen og sænker tværbindingstætheden.
(2) Opløselige salte: Et for højt indhold af urenhedssalte (f.eks. Na₂SO₄) øger silicas hygroskopicitet, hvilket fører til bobledannelse under gummiforarbejdning. Disse bobler skaber interne defekter; under slid har det en tendens til at opstå brud på disse defektsteder, hvilket reducerer slidstyrken.
Konklusion: Indholdet af urenheder skal kontrolleres strengt (f.eks. Fe³⁺ < 1000 ppm) for at minimere negative påvirkninger af gummiets ydeevne.
Kort sagt, indflydelsen afudfældet silicaPåvirkningen af slidstyrken på gummi skyldes den synergistiske effekt af flere egenskaber: Specifikt overfladeareal og partikelstørrelse bestemmer den grundlæggende forstærkningsevne; strukturen påvirker stabiliteten af gumminetværket; overfladehydroxylgrupper og pH regulerer grænsefladebinding og vulkaniseringsensartethed; mens urenheder forringer ydeevnen ved at beskadige strukturen. I praktiske anvendelser skal kombinationen af egenskaber optimeres i henhold til gummitypen (f.eks. slidbaneblanding, tætningsmiddel). For eksempel vælger slidbaneblandinger typisk silica med et højt specifikt overfladeareal, medium struktur, lave urenheder og kombineret med silankoblingsmiddelbehandling for at maksimere slidstyrken.
Opslagstidspunkt: 22. juli 2025