Utfälld kiseldioxidär ett viktigt förstärkande fyllmedel inom gummiindustrin. Dess olika egenskaper påverkar indirekt eller direkt gummits nötningsbeständighet genom att påverka gränssnittets interaktion med gummimatrisen, dispersionen och gummits mekaniska egenskaper. Nedan analyserar vi, med utgångspunkt från de viktigaste egenskaperna, i detalj deras mekanismer för påverkan av gummits nötningsbeständighet:
1. Specifik yta (BET)
Specifik yta är en av kiseldioxidens viktigaste egenskaper, och återspeglar direkt dess kontaktyta med gummi och förstärkningsförmåga, vilket avsevärt påverkar nötningsbeständigheten.
(1) Positiv inverkan: Inom ett visst intervall ökar en ökning av den specifika ytan (t.ex. från 100 m²/g till 200 m²/g) gränsytan mellan kiseldioxid och gummimatrisen. Detta kan förbättra gränsytans bindningsstyrka genom "förankringseffekten", vilket förbättrar gummits motståndskraft mot deformation och förstärkningseffekt. Vid denna tidpunkt ökar gummits hårdhet, draghållfasthet och rivhållfasthet. Under slitage är det mindre benäget att materiallossnar på grund av överdriven lokal belastning, vilket leder till en betydande förbättring av nötningsbeständigheten.
(2) Negativ inverkan: Om den specifika ytan är för stor (t.ex. överstiger 250 m²/g) förstärks van der Waals-krafterna och vätebindningarna mellan kiseldioxidpartiklarna, vilket lätt orsakar agglomerering (särskilt utan ytbehandling), vilket leder till en kraftig minskning av dispergerbarheten. Agglomerat bildar "spänningskoncentrationspunkter" i gummit. Under slitage tenderar brott att uppstå företrädesvis runt agglomeraten, vilket i motsatt riktning minskar nötningsbeständigheten.
Slutsats: Det finns ett optimalt specifikt ytområde (vanligtvis 150-220 m²/g, varierande beroende på gummityp) där dispergerbarhet och förstärkningseffekt är balanserade, vilket resulterar i optimal nötningsbeständighet.
2. Partikelstorlek och storleksfördelning
Den primära partikelstorleken (eller aggregatstorleken) och fördelningen av kiseldioxid påverkar indirekt nötningsbeständigheten genom att påverka dispersionsuniformiteten och gränssnittsinteraktionen.
(1) Partikelstorlek: Mindre partikelstorlekar (vanligtvis positivt korrelerade med specifik yta) motsvarar större specifika ytor och starkare förstärkningseffekter (som ovan). Emellertid ökar alltför små partikelstorlekar (t.ex. primär partikelstorlek < 10 nm) agglomerationsenergin mellan partiklarna avsevärt, vilket drastiskt ökar dispersionssvårigheten. Detta leder istället till lokala defekter, vilket minskar nötningsbeständigheten.
(2) Partikelstorleksfördelning: Kiseldioxid med en smal partikelstorleksfördelning sprider sig mer jämnt i gummi och undviker "svaga punkter" som bildas av stora partiklar (eller agglomerat). Om fördelningen är för bred (t.ex. innehåller partiklar på både 10 nm och över 100 nm) blir stora partiklar slitageinitieringspunkter (helst slitna bort under nötning), vilket leder till minskad nötningsbeständighet.
Slutsats: Kiseldioxid med liten partikelstorlek (som matchar den optimala specifika ytan) och smal fördelning är mer fördelaktigt för att förbättra nötningsbeständigheten.
3. Struktur (DBP-absorptionsvärde)
Strukturen återspeglar den grenade komplexiteten hos kiseldioxidaggregat (kännetecknas av DBP-absorptionsvärdet; högre värde indikerar högre struktur). Det påverkar gummits nätverksstruktur och motståndskraft mot deformation.
(1) Positiv inverkan: Kiseldioxid med hög struktur bildar tredimensionella grenade aggregat, vilket skapar ett tätare "skelettnätverk" inuti gummit. Detta förbättrar gummits elasticitet och motståndskraft mot kompression. Under nötning kan detta nätverk buffra externa stötkrafter, vilket minskar utmattningsslitage orsakat av upprepad deformation och därigenom förbättrar nötningsbeständigheten.
(2) Negativ inverkan: Alltför hög struktur (DBP-absorption > 300 mL/100 g) orsakar lätt intrassling mellan kiseldioxidaggregat. Detta leder till en kraftig ökning av Mooney-viskositeten under gummiblandning, dålig flytförmåga och ojämn spridning. Områden med lokalt alltför täta strukturer kommer att uppleva accelererat slitage på grund av spänningskoncentration, vilket i motsatt riktning minskar nötningsbeständigheten.
Slutsats: Medelstruktur (DBP-absorption 200–250 ml/100 g) är mer lämplig för att balansera bearbetbarhet och nötningsbeständighet.
4. Ythydroxylinnehåll (Si-OH)
Silanolgrupperna (Si-OH) på kiseldioxidytan är avgörande för dess kompatibilitet med gummi, och påverkar indirekt nötningsbeständigheten genom gränsytans bindningsstyrka.
(1) Obehandlad: Alltför hög hydroxylhalt (> 5 grupper/nm²) leder lätt till hård agglomerering mellan partiklar via vätebindningar, vilket resulterar i dålig dispersion. Samtidigt har hydroxylgrupperna dålig kompatibilitet med gummimolekyler (mestadels opolära), vilket leder till svag gränsytbindning. Under slitage är kiseldioxid benägen att lossna från gummit, vilket minskar nötningsbeständigheten.
(2) Behandlad med silankopplingsmedel: Kopplingsmedel (t.ex. Si69) reagerar med hydroxylgrupper, vilket minskar agglomerering mellan partiklarna och introducerar grupper som är kompatibla med gummi (t.ex. merkaptogrupper), vilket förbättrar gränsytans bindningsstyrka. Vid denna tidpunkt bildas en "kemisk förankring" mellan kiseldioxid och gummi. Spänningsöverföringen blir jämn och gränsytans avskalning är mindre sannolikt under slitage, vilket avsevärt förbättrar nötningsbeständigheten.
Slutsats: Hydroxylhalten behöver vara måttlig (3–5 grupper/nm²) och måste kombineras med behandling med silankopplingsmedel för att maximera gränsytans bindning och förbättra nötningsbeständigheten.
5.pH-värde
Kiseldioxidens pH-värde (vanligtvis 6,0-8,0) påverkar främst indirekt nötningsbeständigheten genom att påverka gummits vulkaniseringssystem.
(1) Överdrivet surt (pH < 6,0): Hämmar aktiviteten hos vulkaniseringsacceleratorer, vilket fördröjer vulkaniseringshastigheten och kan till och med leda till ofullständig vulkanisering och otillräcklig tvärbindningsdensitet i gummit. Gummi med låg tvärbindningsdensitet har reducerade mekaniska egenskaper (t.ex. draghållfasthet, hårdhet). Under slitage är det benäget för plastisk deformation och materialförlust, vilket resulterar i dålig nötningsbeständighet.
(2) Överdrivet alkaliskt (pH > 8,0): Kan accelerera vulkanisering (särskilt för tiazolacceleratorer), vilket orsakar överdrivet snabb initial vulkanisering och ojämn tvärbindning (lokal övertvärbindning eller undertvärbindning). Övertvärbundna områden blir spröda, undertvärbundna områden har låg hållfasthet; båda kommer att minska nötningsbeständigheten.
Slutsats: Neutralt till svagt surt (pH 5,0-7,0) är mer gynnsamt för jämn vulkanisering, vilket säkerställer gummits mekaniska egenskaper och förbättrar nötningsbeständigheten.
6. Föroreningsinnehåll
Föroreningar i kiseldioxid (såsom metalljoner som Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ eller oreagerade salter) kan minska nötningsbeständigheten genom att skada gummistrukturen eller störa vulkaniseringen.
(1) Metalljoner: Övergångsmetalljoner som Fe³⁺ katalyserar oxidativ åldring av gummi, vilket accelererar splittring av gummimolekylkedjor. Detta leder till en försämring av materialets mekaniska egenskaper över tid, vilket minskar nötningsbeständigheten. Ca²⁺ och Mg²⁺ kan reagera med vulkaniseringsmedel i gummit, vilket stör vulkaniseringen och sänker tvärbindningsdensiteten.
(2) Lösliga salter: En alltför hög halt av föroreningssalter (t.ex. Na₂SO₄) ökar kiseldioxidens hygroskopicitet, vilket leder till bubbelbildning under gummibearbetning. Dessa bubblor skapar interna defekter; under slitage tenderar brott att initieras vid dessa defektställen, vilket minskar nötningsbeständigheten.
Slutsats: Föroreningshalten måste kontrolleras strikt (t.ex. Fe³⁺ < 1000 ppm) för att minimera negativ påverkan på gummits prestanda.
Sammanfattningsvis, inflytandet avutfälld kiseldioxidPåverkan på gummits nötningsbeständighet beror på den synergistiska effekten av flera egenskaper: Specifik ytarea och partikelstorlek bestämmer den grundläggande förstärkningsförmågan; strukturen påverkar gummits nätverks stabilitet; ythydroxylgrupper och pH reglerar gränsytans bindning och vulkaniseringens enhetlighet; medan föroreningar försämrar prestandan genom att skada strukturen. I praktiska tillämpningar måste kombinationen av egenskaper optimeras beroende på gummitypen (t.ex. slitbaneblandning, tätningsmedel). Till exempel väljer slitbaneblandningar vanligtvis kiseldioxid med hög specifik ytarea, medelhög struktur, låga föroreningar och kombineras med silankopplingsbehandling för att maximera nötningsbeständigheten.
Publiceringstid: 22 juli 2025