تأثیر خواص مختلف سیلیس رسوبی بر مقاومت سایشی لاستیک

سیلیس رسوبییک پرکننده تقویت‌کننده مهم در صنعت لاستیک است. خواص مختلف آن به طور غیرمستقیم یا مستقیم با تأثیرگذاری بر برهمکنش سطحی با ماتریس لاستیک، پراکندگی و خواص مکانیکی لاستیک، بر مقاومت سایشی لاستیک تأثیر می‌گذارند. در زیر، با شروع از خواص کلیدی، مکانیسم‌های تأثیر آنها بر مقاومت سایشی لاستیک را به تفصیل تجزیه و تحلیل می‌کنیم:

۱. مساحت سطح ویژه (BET)

مساحت سطح ویژه یکی از مهم‌ترین خواص سیلیس است که مستقیماً سطح تماس آن با لاستیک و قابلیت تقویت‌کنندگی را منعکس می‌کند و به طور قابل توجهی بر مقاومت در برابر سایش تأثیر می‌گذارد.

(1) تأثیر مثبت: در یک محدوده خاص، افزایش سطح ویژه (مثلاً از 100 متر مربع بر گرم به 200 متر مربع بر گرم) سطح تماس بین سطحی بین سیلیس و ماتریس لاستیکی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند از طریق "اثر لنگری" استحکام پیوند بین سطحی را افزایش دهد و مقاومت لاستیک در برابر تغییر شکل و اثر تقویت‌کننده را بهبود بخشد. در این مرحله، سختی، استحکام کششی و استحکام پارگی لاستیک افزایش می‌یابد. در طول سایش، به دلیل تنش موضعی بیش از حد، کمتر مستعد جدا شدن مواد است و منجر به بهبود قابل توجه مقاومت در برابر سایش می‌شود.

(2) تأثیر منفی: اگر سطح ویژه خیلی بزرگ باشد (مثلاً بیش از 250 متر مربع بر گرم)، نیروهای واندروالس و پیوند هیدروژنی بین ذرات سیلیس تقویت می‌شوند و به راحتی باعث تجمع (به ویژه بدون عملیات سطحی) می‌شوند که منجر به کاهش شدید پراکندگی می‌شود. کلوخه‌ها "نقاط تمرکز تنش" را در داخل لاستیک تشکیل می‌دهند. در طول سایش، شکستگی ترجیحاً در اطراف کلوخه‌ها رخ می‌دهد و برعکس، مقاومت در برابر سایش را کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری: یک محدوده بهینه برای مساحت سطح ویژه (معمولاً ۱۵۰ تا ۲۲۰ متر مربع بر گرم، که بسته به نوع لاستیک متفاوت است) وجود دارد که در آن پراکندگی و اثر تقویت‌کننده متعادل هستند و منجر به مقاومت سایشی بهینه می‌شوند.

۲. اندازه و توزیع اندازه ذرات

اندازه ذرات اولیه (یا اندازه سنگدانه) و توزیع سیلیس به طور غیرمستقیم با تأثیرگذاری بر یکنواختی پراکندگی و برهمکنش بین سطحی، بر مقاومت سایشی تأثیر می‌گذارند.

(1) اندازه ذرات: اندازه ذرات کوچکتر (معمولاً با مساحت سطح ویژه همبستگی مثبت دارند) با مساحت سطح ویژه بزرگتر و اثرات تقویت کنندگی قوی تر (مانند بالا) مطابقت دارند. با این حال، اندازه ذرات بیش از حد کوچک (به عنوان مثال، اندازه ذرات اولیه <10 نانومتر) به طور قابل توجهی انرژی تجمع بین ذرات را افزایش می دهد و مشکل پراکندگی را به شدت افزایش می دهد. در عوض، این منجر به نقص های موضعی می شود و مقاومت در برابر سایش را کاهش می دهد.

(2) توزیع اندازه ذرات: سیلیس با توزیع اندازه ذرات باریک، به طور یکنواخت‌تری در لاستیک پراکنده می‌شود و از "نقاط ضعف" تشکیل شده توسط ذرات بزرگ (یا کلوخه‌ها) جلوگیری می‌کند. اگر توزیع بیش از حد وسیع باشد (مثلاً حاوی ذراتی با اندازه 10 نانومتر و بالاتر از 100 نانومتر)، ذرات بزرگ به نقاط شروع سایش تبدیل می‌شوند (ترجیحاً در حین سایش ساییده می‌شوند) و منجر به کاهش مقاومت در برابر سایش می‌شوند.

نتیجه‌گیری: سیلیس با اندازه ذرات کوچک (مطابق با سطح ویژه بهینه) و توزیع باریک برای افزایش مقاومت سایشی مفیدتر است.

۳. ساختار (مقدار جذب DBP)

ساختار، پیچیدگی شاخه‌ای سنگدانه‌های سیلیس را نشان می‌دهد (که با مقدار جذب DBP مشخص می‌شود؛ مقدار بالاتر نشان دهنده ساختار قوی‌تر است). این بر ساختار شبکه‌ای لاستیک و مقاومت آن در برابر تغییر شکل تأثیر می‌گذارد.

(1) تأثیر مثبت: سیلیس با ساختار بالا، توده‌های شاخه‌دار سه‌بعدی تشکیل می‌دهد و یک «شبکه اسکلتی» متراکم‌تر درون لاستیک ایجاد می‌کند. این امر باعث افزایش خاصیت ارتجاعی و مقاومت لاستیک در برابر فشار می‌شود. در طول سایش، این شبکه می‌تواند نیروهای ضربه خارجی را خنثی کند و سایش ناشی از خستگی ناشی از تغییر شکل مکرر را کاهش دهد و در نتیجه مقاومت در برابر سایش را بهبود بخشد.

(2) تأثیر منفی: ساختار بیش از حد بالا (جذب DBP > 300 میلی‌لیتر/100 گرم) به راحتی باعث ایجاد گره خوردگی بین سنگدانه‌های سیلیس می‌شود. این امر منجر به افزایش شدید ویسکوزیته مونی در طول مخلوط کردن لاستیک، جریان‌پذیری ضعیف در فرآیند و پراکندگی ناهموار می‌شود. مناطقی که ساختارهای موضعی بیش از حد متراکم دارند، به دلیل تمرکز تنش، سایش تسریع شده را تجربه می‌کنند و برعکس، مقاومت در برابر سایش را کاهش می‌دهند.

نتیجه‌گیری: ساختار متوسط ​​(جذب DBP 200-250 میلی‌لیتر/100 گرم) برای ایجاد تعادل بین فرآیندپذیری و مقاومت در برابر سایش مناسب‌تر است.

۴. محتوای هیدروکسیل سطحی (Si-OH)

گروه‌های سیلانول (Si-OH) روی سطح سیلیس، کلید تأثیرگذاری بر سازگاری آن با لاستیک هستند و به‌طور غیرمستقیم از طریق استحکام پیوند بین سطحی، بر مقاومت سایشی تأثیر می‌گذارند.

(1) عمل‌آوری نشده: محتوای هیدروکسیل بیش از حد بالا (> 5 گروه در هر نانومتر مربع) به راحتی منجر به تجمع سخت بین ذرات از طریق پیوند هیدروژنی می‌شود و در نتیجه پراکندگی ضعیفی ایجاد می‌کند. همزمان، گروه‌های هیدروکسیل سازگاری ضعیفی با مولکول‌های لاستیک (عمدتاً غیرقطبی) دارند و منجر به پیوند ضعیف بین سطحی می‌شوند. در طول سایش، سیلیس مستعد جدا شدن از لاستیک است و مقاومت در برابر سایش را کاهش می‌دهد.

(2) عمل‌آوری شده با عامل اتصال سیلان: عوامل اتصال (به عنوان مثال، Si69) با گروه‌های هیدروکسیل واکنش می‌دهند، تجمع بین ذرات را کاهش می‌دهند و گروه‌های سازگار با لاستیک (به عنوان مثال، گروه‌های مرکاپتو) را معرفی می‌کنند و استحکام پیوند بین سطحی را افزایش می‌دهند. در این مرحله، یک "لنگر شیمیایی" بین سیلیس و لاستیک تشکیل می‌شود. انتقال تنش یکنواخت می‌شود و احتمال لایه‌برداری بین سطحی در هنگام سایش کمتر می‌شود و مقاومت در برابر سایش را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

نتیجه‌گیری: محتوای هیدروکسیل باید در حد متوسط ​​باشد (۳-۵ گروه در هر نانومتر مربع) و باید با عامل اتصال سیلان ترکیب شود تا پیوند بین سطحی به حداکثر برسد و مقاومت سایشی بهبود یابد.

مقدار pH 5.

مقدار pH سیلیس (معمولاً 6.0-8.0) در درجه اول به طور غیرمستقیم با تأثیرگذاری بر سیستم ولکانیزاسیون لاستیک، بر مقاومت سایشی تأثیر می‌گذارد.

(1) بیش از حد اسیدی (pH < 6.0): فعالیت شتاب‌دهنده‌های ولکانیزاسیون را مهار می‌کند، سرعت ولکانیزاسیون را به تأخیر می‌اندازد و حتی ممکن است منجر به ولکانیزاسیون ناقص و چگالی ناکافی اتصالات عرضی در لاستیک شود. لاستیک با چگالی اتصالات عرضی کم، خواص مکانیکی کاهش یافته‌ای (مانند استحکام کششی، سختی) دارد. در طول سایش، مستعد تغییر شکل پلاستیکی و از دست دادن مواد است که منجر به مقاومت سایشی ضعیف می‌شود.

(2) بیش از حد قلیایی (pH > 8.0): ممکن است ولکانیزاسیون را تسریع کند (به خصوص برای شتاب‌دهنده‌های تیازول)، که باعث ولکانیزاسیون اولیه بیش از حد سریع و ایجاد پیوند عرضی ناهموار (پیوند عرضی بیش از حد یا پیوند عرضی کم محلی) می‌شود. نواحی دارای پیوند عرضی بیش از حد شکننده می‌شوند، نواحی دارای پیوند عرضی کم استحکام پایینی دارند؛ هر دو مقاومت سایشی را کاهش می‌دهند.

نتیجه‌گیری: خنثی تا کمی اسیدی (pH 5.0-7.0) برای ولکانیزاسیون یکنواخت، تضمین خواص مکانیکی لاستیک و بهبود مقاومت در برابر سایش، مطلوب‌تر است.

۶. محتوای ناخالصی

ناخالصی‌های موجود در سیلیس (مانند یون‌های فلزی مانند Fe³⁺، Ca²⁺، Mg²⁺ یا نمک‌های واکنش نداده) می‌توانند با آسیب رساندن به ساختار لاستیک یا تداخل در ولکانیزاسیون، مقاومت سایشی را کاهش دهند.

(1) یون‌های فلزی: یون‌های فلزات واسطه مانند Fe³⁺ پیری اکسیداتیو لاستیک را کاتالیز می‌کنند و شکستن زنجیره مولکولی لاستیک را تسریع می‌کنند. این امر منجر به کاهش خواص مکانیکی ماده در طول زمان و کاهش مقاومت در برابر سایش می‌شود. Ca²⁺ و Mg²⁺ ممکن است با عوامل ولکانیزه کننده در لاستیک واکنش نشان دهند و در ولکانیزاسیون اختلال ایجاد کرده و چگالی پیوندهای عرضی را کاهش دهند.

(2) نمک‌های محلول: مقدار بیش از حد بالای نمک‌های ناخالصی (مثلاً Na₂SO₄) باعث افزایش رطوبت‌پذیری سیلیس شده و منجر به تشکیل حباب در طول فرآیند لاستیک می‌شود. این حباب‌ها باعث ایجاد عیوب داخلی می‌شوند؛ در طول سایش، شکست معمولاً در این محل‌های نقص شروع می‌شود و مقاومت در برابر سایش را کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری: برای به حداقل رساندن تأثیرات منفی بر عملکرد لاستیک، میزان ناخالصی باید به شدت کنترل شود (مثلاً Fe³⁺ < 1000 ppm).

به طور خلاصه، تأثیرسیلیس رسوبیمقاومت سایشی لاستیک ناشی از اثر هم‌افزایی خواص متعدد است: مساحت سطح ویژه و اندازه ذرات، قابلیت تقویت‌کنندگی اساسی را تعیین می‌کنند؛ ساختار بر پایداری شبکه لاستیک تأثیر می‌گذارد؛ گروه‌های هیدروکسیل سطحی و pH، پیوند بین سطحی و یکنواختی ولکانیزاسیون را تنظیم می‌کنند؛ در حالی که ناخالصی‌ها با آسیب رساندن به ساختار، عملکرد را کاهش می‌دهند. در کاربردهای عملی، ترکیب خواص باید با توجه به نوع لاستیک (مثلاً ترکیب آج تایر، درزگیر) بهینه شود. به عنوان مثال، ترکیبات آج معمولاً سیلیسی با مساحت سطح ویژه بالا، ساختار متوسط، ناخالصی کم را انتخاب می‌کنند و با عامل اتصال سیلان ترکیب می‌کنند تا مقاومت سایشی را به حداکثر برسانند.