Nusodintas silicio dioksidasyra svarbus armuojantis užpildas gumos pramonėje. Įvairios jo savybės netiesiogiai arba tiesiogiai veikia gumos atsparumą dilimui, paveikdamos tarpfazinę sąveiką su gumos matrica, dispersiją ir mechanines gumos savybes. Toliau, pradedant nuo pagrindinių savybių, išsamiai analizuojame jų įtakos gumos atsparumui dilimui mechanizmus:
1. Specifinis paviršiaus plotas (BET)
Savitasis paviršiaus plotas yra viena iš svarbiausių silicio dioksido savybių, tiesiogiai atspindinti jo sąlyčio su guma plotą ir sutvirtinimo galimybes, o tai daro didelę įtaką atsparumui dilimui.
(1) Teigiama įtaka: tam tikrame diapazone padidinus savitąjį paviršiaus plotą (pvz., nuo 100 m²/g iki 200 m²/g), padidėja silicio dioksido ir gumos matricos sąlyčio plotas tarp paviršinių paviršių. Tai gali padidinti tarpsluoksnio sukibimo stiprumą dėl „tvirtinimo efekto“, pagerinant gumos atsparumą deformacijai ir sutvirtinimo efektą. Šiuo metu padidėja gumos kietumas, tempiamasis stipris ir plyšimo stipris. Dėvėjimosi metu ji yra mažiau linkusi atsiskirti dėl per didelio vietinio įtempio, todėl žymiai padidėja atsparumas dilimui.
(2) Neigiama įtaka: jei savitasis paviršiaus plotas yra per didelis (pvz., didesnis nei 250 m²/g), sustiprėja van der Valso jėgos ir vandeniliniai ryšiai tarp silicio dioksido dalelių, lengvai sukeldami aglomeraciją (ypač be paviršiaus apdorojimo), dėl ko smarkiai sumažėja dispersiškumas. Aglomeratai gumos viduje sudaro „įtempių koncentracijos taškus“. Dėvėjimosi metu lūžiai dažniausiai atsiranda aplink aglomeratus, o tai atvirkščiai sumažina atsparumą dilimui.
Išvada: Yra optimalus savitojo paviršiaus ploto diapazonas (paprastai 150–220 m²/g, priklausomai nuo gumos tipo), kuriame dispersiškumas ir sutvirtinimo efektas yra subalansuoti, todėl pasiekiamas optimalus atsparumas dilimui.
2. Dalelių dydis ir dydžio pasiskirstymas
Pirminis silicio dioksido dalelių dydis (arba agregato dydis) ir pasiskirstymas netiesiogiai veikia atsparumą dilimui, darydami įtaką dispersijos vienodumui ir tarpfazinei sąveikai.
(1) Dalelių dydis: Mažesni dalelių dydžiai (paprastai teigiamai koreliuojantys su savituoju paviršiaus plotu) atitinka didesnius savituosius paviršiaus plotus ir stipresnį sutvirtinantį poveikį (kaip aprašyta aukščiau). Tačiau pernelyg maži dalelių dydžiai (pvz., pirminių dalelių dydis < 10 nm) žymiai padidina aglomeracijos energiją tarp dalelių, smarkiai padidindami dispersijos sunkumą. Dėl to atsiranda vietinių defektų, kurie sumažina atsparumą dilimui.
(2) Dalelių dydžio pasiskirstymas: siauro dalelių dydžio pasiskirstymo silicio dioksidas gumoje pasiskirsto tolygiau, išvengdamas didelių dalelių (arba aglomeratų) susidarančių „silpnųjų taškų“. Jei pasiskirstymas per platus (pvz., jame yra ir 10 nm, ir didesnių nei 100 nm dalelių), didelės dalelės tampa dilimo pradžios taškais (dažniausiai nudila dilimo metu), todėl sumažėja atsparumas dilimui.
Išvada: Mažo dalelių dydžio (atitinkančio optimalų savitąjį paviršiaus plotą) ir siauro pasiskirstymo silicio dioksidas yra naudingesnis atsparumui dilimui didinti.
3. Struktūra (DBP absorbcijos vertė)
Struktūra atspindi silicio dioksido agregatų šakotą sudėtingumą (būdingą DBP absorbcijos verte; didesnė vertė rodo aukštesnę struktūrą). Ji turi įtakos gumos tinklinei struktūrai ir atsparumui deformacijai.
(1) Teigiama įtaka: aukštos struktūros silicio dioksidas sudaro trimačius šakotus agregatus, sukurdamas tankesnį „skeleto tinklą“ gumos viduje. Tai padidina gumos elastingumą ir atsparumą gniuždymo deformacijai. Trinties metu šis tinklas gali amortizuoti išorines smūgio jėgas, sumažindamas dėl pasikartojančios deformacijos atsirandantį nuovargio dilimą ir taip pagerindamas atsparumą dilimui.
(2) Neigiama įtaka: pernelyg didelė struktūra (DBP absorbcija > 300 ml/100 g) lengvai sukelia silicio dioksido agregatų susipainiojimą. Dėl to gumos maišymo metu smarkiai padidėja Mooney klampumas, pablogėja apdorojimo takumas ir netolygus dispersija. Vietovėse, kuriose yra lokaliai pernelyg tankios struktūros, dėl įtempių koncentracijos pagreitėja dilimas, o tai atvirkščiai sumažina atsparumą dilimui.
Išvada: Vidutinė struktūra (DBP absorbcija 200–250 ml/100 g) labiau tinka norint subalansuoti apdorojamumą ir atsparumą dilimui.
4. Paviršiaus hidroksilo kiekis (Si-OH)
Silanolio grupės (Si-OH) ant silicio dioksido paviršiaus yra labai svarbios, darančios įtaką jo suderinamumui su guma, netiesiogiai paveikdamos atsparumą dilimui per tarpfazinį sukibimo stiprumą.
(1) Neapdorotas: per didelis hidroksilo kiekis (> 5 grupės/nm²) lengvai sukelia kietą dalelių aglomeraciją vandenilinių jungčių būdu, todėl dispersija prasta. Tuo pačiu metu hidroksilo grupės prastai suderinamos su gumos molekulėmis (dažniausiai nepolinėmis), todėl silpnas tarpsluoksninis sukibimas. Dėvėjimosi metu silicio dioksidas linkęs atsiskirti nuo gumos, todėl sumažėja atsparumas dilimui.
(2) Apdorota silano rišamąja medžiaga: rišamosios medžiagos (pvz., Si69) reaguoja su hidroksilo grupėmis, sumažindamos tarpdalelių aglomeraciją ir įvesdamos su guma suderinamas grupes (pvz., merkapto grupes), padidindamos tarpfazinį sukibimo stiprumą. Šiuo metu tarp silicio dioksido ir gumos susidaro „cheminis sukibimas“. Įtempių perdavimas tampa tolygus, o tarpfazinis lupimasis dilimo metu yra mažiau tikėtinas, todėl žymiai padidėja atsparumas dilimui.
Išvada: hidroksilo kiekis turi būti vidutinis (3–5 grupės/nm²) ir turi būti derinamas su silano rišamąja medžiaga, siekiant maksimaliai padidinti tarpsluoksninį sukibimą ir pagerinti atsparumą dilimui.
5. pH vertė
Silicio dioksido pH vertė (paprastai 6,0–8,0) pirmiausia netiesiogiai veikia atsparumą dilimui, paveikdama gumos vulkanizacijos sistemą.
(1) Pernelyg rūgštus (pH < 6,0): slopina vulkanizacijos greitintuvų aktyvumą, lėtina vulkanizacijos greitį ir netgi gali lemti nepilną vulkanizaciją bei nepakankamą gumos skersinių jungčių tankį. Mažo skersinių jungčių tankio guma pasižymi prastesnėmis mechaninėmis savybėmis (pvz., tempimo stiprumu, kietumu). Dėvėjimosi metu ji yra linkusi į plastinę deformaciją ir medžiagų praradimą, todėl sumažėja atsparumas dilimui.
(2) Pernelyg šarminis (pH > 8,0): Gali pagreitėti vulkanizacija (ypač tiazolo greitintuvų atveju), sukeldamas pernelyg greitą pradinę vulkanizaciją ir netolygų susijungimą (lokalus per didelis arba nepakankamas susijungimas). Per daug susijungusios sritys tampa trapios, o nepakankamai susijungusios – mažo stiprumo; abu šie veiksniai sumažina atsparumą dilimui.
Išvada: Neutrali arba silpnai rūgštinė terpė (pH 5,0–7,0) yra palankesnė vienodam vulkanizavimui, užtikrinant gumos mechanines savybes ir gerinant atsparumą dilimui.
6. Priemaišų kiekis
Silicio dioksido priemaišos (pvz., metalo jonai, tokie kaip Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ arba nesureagavusios druskos) gali sumažinti atsparumą dilimui, pažeisdamos gumos struktūrą arba trukdydamos vulkanizacijai.
(1) Metalų jonai: pereinamųjų metalų jonai, tokie kaip Fe³⁺, katalizuoja gumos oksidacinį senėjimą, pagreitindami gumos molekulinės grandinės skilimą. Dėl to laikui bėgant blogėja medžiagos mechaninės savybės, mažėja atsparumas dilimui. Ca²⁺, Mg²⁺ gali reaguoti su gumos vulkanizacijos medžiagomis, trukdydami vulkanizacijai ir mažindami skersinių jungčių tankį.
(2) Tirpios druskos: per didelis priemaišų druskų (pvz., Na₂SO₄) kiekis padidina silicio dioksido higroskopiškumą, todėl gumos apdirbimo metu susidaro burbuliukai. Šie burbuliukai sukelia vidinius defektus; dilimo metu šiose defektų vietose linkę prasidėti gedimai, todėl sumažėja atsparumas dilimui.
Išvada: Priemaišų kiekis turi būti griežtai kontroliuojamas (pvz., Fe³⁺ < 1000 ppm), kad būtų kuo labiau sumažintas neigiamas poveikis gumos savybėms.
Apibendrinant, įtakanusodintas silicio dioksidasGumos atsparumo dilimui poveikis atsiranda dėl daugelio savybių sinergetinio poveikio: savitasis paviršiaus plotas ir dalelių dydis lemia pagrindinį sutvirtinimo pajėgumą; struktūra turi įtakos gumos tinklo stabilumui; paviršiaus hidroksilo grupės ir pH reguliuoja tarpfazinį sukibimą ir vulkanizacijos vienodumą; o priemaišos blogina eksploatacines savybes, pažeisdamos struktūrą. Praktiškai savybių derinys turi būti optimizuotas pagal gumos tipą (pvz., padangų protektoriaus mišinys, sandariklis). Pavyzdžiui, protektoriaus mišiniams paprastai pasirenkamas silicio dioksidas, turintis didelį savitąjį paviršiaus plotą, vidutinę struktūrą, mažai priemaišų, ir jie derinami su silano rišamąja medžiaga, siekiant maksimaliai padidinti atsparumą dilimui.
Įrašo laikas: 2025 m. liepos 22 d.