השפעת תכונות שונות של סיליקה משוקעת על עמידות בפני שחיקה של גומי

סיליקה משוקעתהוא חומר מילוי חיזוק חשוב בתעשיית הגומי. תכונותיו השונות משפיעות בעקיפין או ישירות על עמידות הגומי לשחיקה על ידי השפעה על האינטראקציה הבין-פנימית עם מטריצת הגומי, הפיזור והתכונות המכניות של הגומי. להלן, החל מהתכונות המרכזיות, ננתח בפירוט את מנגנוני השפעתם על עמידות הגומי לשחיקה:

1. שטח פנים ספציפי (BET)

שטח פנים סגולי הוא אחת התכונות המרכזיות ביותר של סיליקה, והוא משקף ישירות את שטח המגע שלה עם גומי ויכולת החיזוק שלה, ומשפיע באופן משמעותי על עמידות השחיקה.

(1) השפעה חיובית: בטווח מסוים, הגדלת שטח הפנים הסגולי (למשל, מ-100 מ"ר/גרם ל-200 מ"ר/גרם) מגדילה את שטח המגע הבין-פנימי בין הסיליקה למטריצת הגומי. זה יכול לשפר את חוזק הקשר הבין-פנימי באמצעות "אפקט העיגון", מה שמשפר את עמידות הגומי לעיוות ואת אפקט החיזוק. בנקודה זו, קשיות הגומי, חוזק המתיחה וחוזק הקרע שלו עולים. במהלך הבלאי, הוא פחות נוטה להיפרדות החומר עקב לחץ מקומי מוגזם, מה שמוביל לשיפור משמעותי בעמידות בפני שחיקה.

(2) השפעה שלילית: אם שטח הפנים הסגולי גדול מדי (למשל, עולה על 250 מ"ר/גרם), כוחות ואן דר ואלס וקשרי המימן בין חלקיקי הסיליקה מתחזקים, מה שגורם בקלות לאגלומרציה (במיוחד ללא טיפול פני השטח), מה שמוביל לירידה חדה בפיזור. אגלומרטים יוצרים "נקודות ריכוז מאמץ" בתוך הגומי. במהלך שחיקה, שבר נוטה להתרחש בעיקר סביב האגלומרטים, מה שמפחית את עמידות השחיקה.

מסקנה: קיים טווח אופטימלי של שטח פנים ספציפי (בדרך כלל 150-220 מ"ר/גרם, משתנה בהתאם לסוג הגומי) שבו הפיזור ואפקט החיזוק מאוזנים, וכתוצאה מכך עמידות אופטימלית לשחיקה.

2. גודל חלקיקים והתפלגות גודל

גודל החלקיקים העיקרי (או גודל המצרף) ופיזור הסיליקה משפיעים בעקיפין על עמידות לשחיקה על ידי השפעה על אחידות הפיזור והאינטראקציה בין הפנים.

(1) גודל חלקיקים: גדלי חלקיקים קטנים יותר (בדרך כלל בקורלציה חיובית עם שטח פנים ספציפי) מתאימים לשטח פנים ספציפי גדול יותר ולאפקטים מחזקים חזקים יותר (כמו לעיל). עם זאת, גדלי חלקיקים קטנים במיוחד (למשל, גודל חלקיקים ראשוני < 10 ננומטר) מגדילים משמעותית את אנרגיית הצבירה בין החלקיקים, ומגדילים באופן דרסטי את קושי הפיזור. זה מוביל במקום זאת לפגמים מקומיים, מה שמפחית את עמידות השחיקה.

(2) פיזור גודל חלקיקים: סיליקה בעלת פיזור גודל חלקיקים צר מתפזרת בצורה אחידה יותר בגומי, ונמנעת מ"נקודות תורפה" שנוצרות על ידי חלקיקים גדולים (או אגרגטים). אם הפיזור רחב מדי (למשל, מכיל חלקיקים בגודל 10 ננומטר ומעל 100 ננומטר), חלקיקים גדולים הופכים לנקודות התחלה של שחיקה (עדיף שנשחקות במהלך שחיקה), מה שמוביל לירידה בעמידות לשחיקה.

מסקנה: סיליקה בעלת גודל חלקיקים קטן (התואם לשטח הפנים הספציפי האופטימלי) ופיזור צר מועילה יותר לשיפור עמידות השחיקה.

3. מבנה (ערך ספיגת DBP)

המבנה משקף את המורכבות המסועפת של אגרגטים של סיליקה (המאופיינת בערך ספיגת DBP; ערך גבוה יותר מצביע על מבנה גבוה יותר). הוא משפיע על מבנה הרשת של הגומי ועל עמידותו לעיוות.

(1) השפעה חיובית: סיליקה בעלת מבנה גבוה יוצרת אגרגטים מסועפים תלת-ממדיים, ויוצרת "רשת שלדית" צפופה יותר בתוך הגומי. זה משפר את גמישות הגומי ואת עמידותו בפני דחיסה. במהלך שחיקה, רשת זו יכולה לחסום כוחות פגיעה חיצוניים, להפחית את בלאי העייפות הנגרם מעיוות חוזר, ובכך לשפר את עמידות השחיקה.

(2) השפעה שלילית: מבנה גבוה מדי (ספיגת DBP > 300 מ"ל/100 גרם) גורם בקלות להסתבכות בין אגרגטים של סיליקה. זה מוביל לעלייה חדה בצמיגות מוני במהלך ערבוב הגומי, זרימה ירודה בעיבוד ופיזור לא אחיד. אזורים עם מבנים צפופים מדי באופן מקומי יחוו שחיקה מואצת עקב ריכוז מאמצים, מה שמפחית את עמידות השחיקה.

מסקנה: מבנה בינוני (ספיגת DBP 200-250 מ"ל/100 גרם) מתאים יותר לאיזון יכולת עיבוד ועמידות בפני שחיקה.

4. תכולת הידרוקסיל על פני השטח (Si-OH)

קבוצות הסילאנול (Si-OH) על פני הסיליקה הן מפתח להשפעה על תאימותה עם גומי, ומשפיעות בעקיפין על עמידות לשחיקה דרך חוזק הקשר בין הפנים.

(1) לא מטופל: תכולת הידרוקסיל גבוהה מדי (> 5 קבוצות/נ"מ²) מובילה בקלות לאגלומרציה קשה בין חלקיקים באמצעות קשרי מימן, וכתוצאה מכך לפיזור לקוי. בו זמנית, לקבוצות ההידרוקסיל יש תאימות ירודה עם מולקולות גומי (בעיקר לא קוטביות), מה שמוביל לקשר בין-פני חלש. במהלך שחיקה, סיליקה נוטה להתנתק מהגומי, מה שמפחית את עמידות השחיקה.

(2) מטופל בחומר צימוד סילאן: חומרי צימוד (למשל, Si69) מגיבים עם קבוצות הידרוקסיל, מפחיתים את הצטברות החלקיקים ומכניסים קבוצות התואמות לגומי (למשל, קבוצות מרקפטו), ומשפרים את חוזק הקשר הבין-פנימי. בנקודה זו, נוצר "עיגון כימי" בין סיליקה לגומי. העברת המתח הופכת אחידה, וקילוף הבין-פנימי פחות סביר במהלך הבלאי, מה שמשפר משמעותית את עמידות השחיקה.

מסקנה: תכולת ההידרוקסיל צריכה להיות בינונית (3-5 קבוצות/ננומטר רבוע), ויש לשלב אותה עם טיפול בחומר צימוד סילאן כדי למקסם את הקשר הבין-פאזי ולשפר את עמידות השחיקה.

ערך 5.pH

ערך ה-pH של סיליקה (בדרך כלל 6.0-8.0) משפיע בעיקר בעקיפין על עמידות לשחיקה על ידי השפעה על מערכת הגיפור של הגומי.

(1) חומציות יתר (pH < 6.0): מעכבת את פעילותם של מאיצי גיפור, מעכבת את קצב הגיפור, ואף עלולה להוביל לגיפור חלקי ולצפיפות צולבת לא מספקת בגומי. גומי בעל צפיפות צולבת נמוכה בעל תכונות מכניות מופחתות (למשל, חוזק מתיחה, קשיות). במהלך שחיקה, הוא נוטה לעיוות פלסטי ולאובדן חומר, וכתוצאה מכך עמידות נמוכה לשחיקה.

(2) אלקליין יתר על המידה (pH > 8.0): עלול להאיץ את תהליך הגיפור (במיוחד עבור מאיצי תיאזול), ולגרום לגיפור ראשוני מהיר יתר על המידה ולקישור צולב לא אחיד (קישור צולב מקומי יתר או קישור צולב חסר). אזורים עם קישור צולב יתר הופכים לשבירים, אזורים עם קישור צולב חסר הם בעלי חוזק נמוך; שניהם יפחיתו את עמידות השחיקה.

מסקנה: ניטרלי עד חומצי מעט (pH 5.0-7.0) עדיף יותר לגיפור אחיד, תוך הבטחת תכונות מכניות של הגומי ושיפור עמידות השחיקה.

6. תוכן טומאה

זיהומים בסיליקה (כגון יוני מתכת כמו Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, או מלחים שלא הגיבו) יכולים להפחית את עמידות השחיקה על ידי פגיעה במבנה הגומי או הפרעה לגיפור.

(1) יוני מתכת: יוני מתכת מעבר כמו Fe³⁺ מזרזים הזדקנות חמצונית של גומי, ומאיצים את פירוק שרשרת המולקולות של הגומי. זה מוביל לדעיכה בתכונות המכניות של החומר לאורך זמן, מה שמפחית את עמידות השחיקה. Ca²⁺ ו-Mg²⁺ עשויים להגיב עם חומרי גיפור בגומי, להפריע לגיפור ולהוריד את צפיפות קשרי הצלבה.

(2) מלחים מסיסים: תכולה גבוהה מדי של מלחי טומאה (למשל, Na₂SO₄) מגבירה את ההיגרוסקופיות של סיליקה, מה שמוביל להיווצרות בועות במהלך עיבוד הגומי. בועות אלו יוצרות פגמים פנימיים; במהלך שחיקה, כשל נוטה להתחיל באתרי פגמים אלו, מה שמפחית את עמידות השחיקה.

מסקנה: יש לשלוט בקפדנות בתכולת הזיהומים (למשל, Fe³⁺ < 1000 ppm) כדי למזער את ההשפעות השליליות על ביצועי הגומי.

לסיכום, ההשפעה שלסיליקה משקעתעל עמידות הגומי לשחיקה נובעת מהאפקט הסינרגיסטי של תכונות מרובות: שטח פנים סגולי וגודל החלקיקים קובעים את יכולת החיזוק הבסיסית; המבנה משפיע על יציבות רשת הגומי; קבוצות הידרוקסיל פני השטח ו-pH מווסתים את הקשר הבין-פנימי ואת אחידות הגיפור; בעוד שזיהומים פוגעים בביצועים על ידי פגיעה במבנה. ביישומים מעשיים, יש למטב את שילוב התכונות בהתאם לסוג הגומי (למשל, תרכובת לדריכה בצמיגים, חומר איטום). לדוגמה, תרכובות לדריכה בדרך כלל בוחרות בסיליקה עם שטח פנים סגולי גבוה, מבנה בינוני, זיהומים נמוכים, ומשולבות עם טיפול בחומר צימוד סילאן כדי למקסם את עמידות השחיקה.