Κατακρημνισμένο πυρίτιοείναι ένα σημαντικό ενισχυτικό υλικό πληρώσεως στη βιομηχανία ελαστικών. Οι διάφορες ιδιότητές του επηρεάζουν έμμεσα ή άμεσα την αντοχή στην τριβή του καουτσούκ επηρεάζοντας την αλληλεπίδραση της διεπιφάνειας με τη μήτρα του καουτσούκ, τη διασπορά και τις μηχανικές ιδιότητες του καουτσούκ. Παρακάτω, ξεκινώντας από τις βασικές ιδιότητες, αναλύουμε λεπτομερώς τους μηχανισμούς επιρροής τους στην αντοχή στην τριβή του καουτσούκ:
1.Ειδική Επιφάνεια (BET)
Η ειδική επιφάνεια είναι μία από τις πιο βασικές ιδιότητες του πυριτίου, αντανακλώντας άμεσα την επιφάνεια επαφής του με το καουτσούκ και την ικανότητα ενίσχυσης, επηρεάζοντας σημαντικά την αντοχή στην τριβή.
(1) Θετική επίδραση: Εντός ενός ορισμένου εύρους, η αύξηση της ειδικής επιφάνειας (π.χ., από 100 m²/g σε 200 m²/g) αυξάνει την επιφάνεια επαφής μεταξύ του πυριτίου και της μήτρας από καουτσούκ. Αυτό μπορεί να ενισχύσει την αντοχή της συγκόλλησης της επιφάνειας μέσω του «φαινομένου αγκύρωσης», βελτιώνοντας την αντοχή του καουτσούκ στην παραμόρφωση και την ενίσχυση. Σε αυτό το σημείο, η σκληρότητα, η αντοχή σε εφελκυσμό και η αντοχή στο σχίσιμο του καουτσούκ αυξάνονται. Κατά τη φθορά, είναι λιγότερο επιρρεπές σε αποκόλληση υλικού λόγω υπερβολικής τοπικής τάσης, οδηγώντας σε σημαντική βελτίωση της αντοχής στην τριβή.
(2) Αρνητική επίδραση: Εάν η ειδική επιφάνεια είναι πολύ μεγάλη (π.χ., υπερβαίνει τα 250 m²/g), οι δυνάμεις van der Waals και οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των σωματιδίων πυριτίας ενισχύονται, προκαλώντας εύκολα συσσωμάτωση (ειδικά χωρίς επιφανειακή επεξεργασία), οδηγώντας σε απότομη μείωση της διασποράς. Τα συσσωματώματα σχηματίζουν «σημεία συγκέντρωσης τάσης» μέσα στο καουτσούκ. Κατά τη φθορά, η θραύση τείνει να εμφανίζεται κατά προτίμηση γύρω από τα συσσωματώματα, μειώνοντας αντίστροφα την αντοχή στην τριβή.
Συμπέρασμα: Υπάρχει ένα βέλτιστο εύρος ειδικής επιφάνειας (συνήθως 150-220 m²/g, που ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο του καουτσούκ) όπου η διασπορά και η ενισχυτική δράση εξισορροπούνται, με αποτέλεσμα τη βέλτιστη αντοχή στην τριβή.
2. Μέγεθος σωματιδίων και κατανομή μεγέθους
Το μέγεθος των πρωτογενών σωματιδίων (ή το μέγεθος των αδρανών) και η κατανομή του πυριτίου επηρεάζουν έμμεσα την αντοχή στην τριβή επηρεάζοντας την ομοιομορφία της διασποράς και την αλληλεπίδραση της διεπιφάνειας.
(1) Μέγεθος Σωματιδίων: Τα μικρότερα μεγέθη σωματιδίων (συνήθως θετικά συσχετισμένα με την ειδική επιφάνεια) αντιστοιχούν σε μεγαλύτερες ειδικές επιφάνειες και ισχυρότερα ενισχυτικά φαινόμενα (όπως παραπάνω). Ωστόσο, τα υπερβολικά μικρά μεγέθη σωματιδίων (π.χ., μέγεθος πρωτογενών σωματιδίων < 10 nm) αυξάνουν σημαντικά την ενέργεια συσσωμάτωσης μεταξύ των σωματιδίων, αυξάνοντας δραστικά τη δυσκολία διασποράς. Αυτό αντίθετα οδηγεί σε τοπικά ελαττώματα, μειώνοντας την αντοχή στην τριβή.
(2) Κατανομή Μεγέθους Σωματιδίων: Το πυρίτιο με στενή κατανομή μεγέθους σωματιδίων διασπείρεται πιο ομοιόμορφα στο καουτσούκ, αποφεύγοντας τα «αδύναμα σημεία» που σχηματίζονται από μεγάλα σωματίδια (ή συσσωματώματα). Εάν η κατανομή είναι πολύ ευρεία (π.χ., περιέχει σωματίδια τόσο 10 nm όσο και άνω των 100 nm), τα μεγάλα σωματίδια γίνονται σημεία έναρξης φθοράς (φθαρμένα κατά προτίμηση κατά την τριβή), οδηγώντας σε μειωμένη αντοχή στην τριβή.
Συμπέρασμα: Το πυρίτιο με μικρό μέγεθος σωματιδίων (που ταιριάζει με τη βέλτιστη ειδική επιφάνεια) και στενή κατανομή είναι πιο ευεργετικό για την ενίσχυση της αντοχής στην τριβή.
3. Δομή (Τιμή Απορρόφησης DBP)
Η δομή αντικατοπτρίζει την διακλαδισμένη πολυπλοκότητα των αδρανών πυριτίου (χαρακτηρίζεται από την τιμή απορρόφησης DBP· υψηλότερη τιμή υποδηλώνει υψηλότερη δομή). Επηρεάζει τη δομή δικτύου του καουτσούκ και την αντοχή στην παραμόρφωση.
(1) Θετική επίδραση: Η πυριτία με υψηλή δομή σχηματίζει τρισδιάστατα διακλαδισμένα συσσωματώματα, δημιουργώντας ένα πυκνότερο «σκελετικό δίκτυο» μέσα στο καουτσούκ. Αυτό ενισχύει την ελαστικότητα και την αντοχή του καουτσούκ στη συμπίεση. Κατά την τριβή, αυτό το δίκτυο μπορεί να αποσβέσει τις εξωτερικές δυνάμεις κρούσης, μειώνοντας τη φθορά λόγω κόπωσης που προκαλείται από επαναλαμβανόμενες παραμορφώσεις, βελτιώνοντας έτσι την αντοχή στην τριβή.
(2) Αρνητική επίδραση: Η υπερβολικά υψηλή δομή (απορρόφηση DBP > 300 mL/100g) προκαλεί εύκολα εμπλοκή μεταξύ των αδρανών πυριτίου. Αυτό οδηγεί σε απότομη αύξηση του ιξώδους Mooney κατά την ανάμειξη του καουτσούκ, κακή ρευστότητα επεξεργασίας και ανομοιόμορφη διασπορά. Οι περιοχές με τοπικά υπερβολικά πυκνές δομές θα παρουσιάσουν επιταχυνόμενη φθορά λόγω συγκέντρωσης τάσης, μειώνοντας αντίστροφα την αντοχή στην τριβή.
Συμπέρασμα: Η μεσαία δομή (απορρόφηση DBP 200-250 mL/100g) είναι καταλληλότερη για την εξισορρόπηση της επεξεργασιμότητας και της αντοχής στην τριβή.
4. Περιεκτικότητα σε επιφανειακό υδροξύλιο (Si-OH)
Οι ομάδες σιλανόλης (Si-OH) στην επιφάνεια του πυριτίου είναι το κλειδί για την επίδραση στη συμβατότητά του με το καουτσούκ, επηρεάζοντας έμμεσα την αντοχή στην τριβή μέσω της αντοχής της διεπιφανειακής σύνδεσης.
(1) Χωρίς επεξεργασία: Η υπερβολικά υψηλή περιεκτικότητα σε υδροξύλιο (> 5 ομάδες/nm²) οδηγεί εύκολα σε σκληρή συσσωμάτωση μεταξύ των σωματιδίων μέσω δεσμών υδρογόνου, με αποτέλεσμα κακή διασπορά. Ταυτόχρονα, οι ομάδες υδροξυλίου έχουν κακή συμβατότητα με τα μόρια του καουτσούκ (κυρίως μη πολικά), οδηγώντας σε ασθενή δεσμό μεταξύ των επιφανειών. Κατά τη φθορά, το πυρίτιο είναι επιρρεπές σε αποκόλληση από το καουτσούκ, μειώνοντας την αντοχή στην τριβή.
(2) Επεξεργασμένο με παράγοντα σύζευξης σιλανίου: Οι παράγοντες σύζευξης (π.χ., Si69) αντιδρούν με υδροξυλομάδες, μειώνοντας τη συσσωμάτωση μεταξύ των σωματιδίων και εισάγοντας ομάδες συμβατές με το καουτσούκ (π.χ., μερκαπτο ομάδες), ενισχύοντας την αντοχή της διεπιφανειακής σύνδεσης. Σε αυτό το σημείο, σχηματίζεται μια «χημική αγκύρωση» μεταξύ του πυριτίου και του καουτσούκ. Η μεταφορά τάσης γίνεται ομοιόμορφη και η αποφλοίωση της διεπιφανείας είναι λιγότερο πιθανή κατά τη φθορά, βελτιώνοντας σημαντικά την αντοχή στην τριβή.
Συμπέρασμα: Η περιεκτικότητα σε υδροξύλιο πρέπει να είναι μέτρια (3-5 ομάδες/nm²) και πρέπει να συνδυάζεται με επεξεργασία με παράγοντα σύζευξης σιλανίου για μεγιστοποίηση της διεπιφανειακής συγκόλλησης και βελτίωση της αντοχής στην τριβή.
5. Τιμή pH
Η τιμή pH του πυριτίου (συνήθως 6,0-8,0) επηρεάζει κυρίως έμμεσα την αντοχή στην τριβή επηρεάζοντας το σύστημα βουλκανισμού του καουτσούκ.
(1) Υπερβολικά όξινο (pH < 6,0): Αναστέλλει τη δράση των επιταχυντών βουλκανισμού, καθυστερώντας τον ρυθμό βουλκανισμού και μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε ατελή βουλκανισμό και ανεπαρκή πυκνότητα διασταυρούμενων δεσμών στο καουτσούκ. Το καουτσούκ με χαμηλή πυκνότητα διασταυρούμενων δεσμών έχει μειωμένες μηχανικές ιδιότητες (π.χ., αντοχή σε εφελκυσμό, σκληρότητα). Κατά τη φθορά, είναι επιρρεπές σε πλαστική παραμόρφωση και απώλεια υλικού, με αποτέλεσμα κακή αντοχή στην τριβή.
(2) Υπερβολικά αλκαλικό (pH > 8,0): Μπορεί να επιταχύνει τον βουλκανισμό (ειδικά για τους επιταχυντές θειαζόλης), προκαλώντας υπερβολικά γρήγορο αρχικό βουλκανισμό και ανομοιόμορφη διασταύρωση (τοπική υπερβολική διασταύρωση ή υποδιασταύρωση). Οι περιοχές με υπερβολική διασταύρωση γίνονται εύθραυστες, οι περιοχές με ανεπαρκή διασταύρωση έχουν χαμηλή αντοχή. Και τα δύο θα μειώσουν την αντοχή στην τριβή.
Συμπέρασμα: Το ουδέτερο έως ελαφρώς όξινο (pH 5,0-7,0) είναι πιο ευνοϊκό για ομοιόμορφο βουλκανισμό, εξασφαλίζοντας μηχανικές ιδιότητες του καουτσούκ και βελτιώνοντας την αντοχή στην τριβή.
6. Περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες
Οι ακαθαρσίες στο πυρίτιο (όπως μεταλλικά ιόντα όπως Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ή μη αντιδράσαντα άλατα) μπορούν να μειώσουν την αντοχή στην τριβή καταστρέφοντας τη δομή του καουτσούκ ή παρεμβαίνοντας στον βουλκανισμό.
(1) Μεταλλικά ιόντα: Τα ιόντα μεταβατικών μετάλλων όπως το Fe³⁺ καταλύουν την οξειδωτική γήρανση του ελαστικού, επιταχύνοντας τη διάσπαση της μοριακής αλυσίδας του ελαστικού. Αυτό οδηγεί σε υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού με την πάροδο του χρόνου, μειώνοντας την αντοχή στην τριβή. Τα Ca²⁺, Mg²⁺ ενδέχεται να αντιδράσουν με παράγοντες βουλκανισμού στο ελαστικό, επηρεάζοντας τον βουλκανισμό και μειώνοντας την πυκνότητα των διασυνδέσεων.
(2) Διαλυτά Άλατα: Η υπερβολικά υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα προσμίξεων (π.χ., Na₂SO₄) αυξάνει την υγροσκοπικότητα του πυριτίου, οδηγώντας σε σχηματισμό φυσαλίδων κατά την επεξεργασία του καουτσούκ. Αυτές οι φυσαλίδες δημιουργούν εσωτερικά ελαττώματα. Κατά τη φθορά, η αστοχία τείνει να ξεκινά σε αυτά τα σημεία ελαττωμάτων, μειώνοντας την αντοχή στην τριβή.
Συμπέρασμα: Η περιεκτικότητα σε προσμίξεις πρέπει να ελέγχεται αυστηρά (π.χ., Fe³⁺ < 1000 ppm) για την ελαχιστοποίηση των αρνητικών επιπτώσεων στην απόδοση του καουτσούκ.
Συνοπτικά, η επιρροή τουκατακρημνισμένο πυρίτιοΗ αντοχή στην τριβή του ελαστικού προκύπτει από τη συνεργιστική επίδραση πολλαπλών ιδιοτήτων: Η ειδική επιφάνεια και το μέγεθος των σωματιδίων καθορίζουν τη θεμελιώδη ικανότητα ενίσχυσης· η δομή επηρεάζει τη σταθερότητα του δικτύου του ελαστικού· οι επιφανειακές υδροξυλομάδες και το pH ρυθμίζουν τη συγκόλληση της διεπιφάνειας και την ομοιομορφία του βουλκανισμού· ενώ οι ακαθαρσίες υποβαθμίζουν την απόδοση καταστρέφοντας τη δομή. Σε πρακτικές εφαρμογές, ο συνδυασμός των ιδιοτήτων πρέπει να βελτιστοποιηθεί ανάλογα με τον τύπο του ελαστικού (π.χ., μείγμα πέλματος ελαστικού, στεγανοποιητικό). Για παράδειγμα, οι ενώσεις πέλματος συνήθως επιλέγουν πυριτία με υψηλή ειδική επιφάνεια, μέτρια δομή, χαμηλές ακαθαρσίες και συνδυάζονται με επεξεργασία με παράγοντα σύζευξης σιλανίου για μεγιστοποίηση της αντοχής στην τριβή.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Ιουλίου 2025