Zrážaný oxid kremičitýje dôležitým výstužným plnivom v gumárenskom priemysle. Jeho rôzne vlastnosti nepriamo alebo priamo ovplyvňujú odolnosť gumy proti oderu ovplyvňovaním medzifázovej interakcie s gumovou matricou, disperzie a mechanických vlastností gumy. Nižšie, vychádzajúc z kľúčových vlastností, podrobne analyzujeme ich mechanizmy vplyvu na odolnosť gumy proti oderu:
1. Špecifický povrch (BET)
Špecifický povrch je jednou z najdôležitejších vlastností oxidu kremičitého, ktorá priamo odráža jeho kontaktnú plochu s gumou a schopnosť vystužovať, čo významne ovplyvňuje odolnosť proti oderu.
(1) Pozitívny vplyv: V určitom rozsahu zvýšenie špecifického povrchu (napr. zo 100 m²/g na 200 m²/g) zvyšuje plochu medzifázového kontaktu medzi oxidom kremičitým a kaučukovou matricou. To môže zvýšiť pevnosť medzifázového spojenia prostredníctvom „kotviacej funkcie“, čím sa zlepšuje odolnosť kaučuku voči deformácii a zosilňuje sa jeho účinok. V tomto bode sa zvyšuje tvrdosť, pevnosť v ťahu a pevnosť v roztrhnutí kaučuku. Počas opotrebovania je menej náchylný na oddeľovanie materiálu v dôsledku nadmerného lokálneho napätia, čo vedie k výraznému zlepšeniu odolnosti voči oderu.
(2) Negatívny vplyv: Ak je špecifický povrch príliš veľký (napr. presahuje 250 m²/g), van der Waalsove sily a vodíkové väzby medzi časticami oxidu kremičitého sa zosilňujú, čo ľahko spôsobuje aglomeráciu (najmä bez povrchovej úpravy), čo vedie k prudkému poklesu dispergovateľnosti. Aglomeráty tvoria v gume „body koncentrácie napätia“. Počas opotrebovania dochádza k lomu prednostne okolo aglomerátov, čo naopak znižuje odolnosť proti oderu.
Záver: Existuje optimálny rozsah špecifického povrchu (typicky 150 – 220 m²/g, líši sa v závislosti od typu gumy), kde sú dispergovateľnosť a výstužný účinok vyvážené, čo vedie k optimálnej odolnosti voči oderu.
2. Veľkosť častíc a distribúcia veľkosti
Primárna veľkosť častíc (alebo veľkosť agregátu) a distribúcia oxidu kremičitého nepriamo ovplyvňujú odolnosť proti oderu ovplyvnením rovnomernosti disperzie a medzifázovej interakcie.
(1) Veľkosť častíc: Menšie veľkosti častíc (zvyčajne pozitívne korelované so špecifickým povrchom) zodpovedajú väčším špecifickým povrchom a silnejším výstužným účinkom (ako je uvedené vyššie). Avšak nadmerne malé veľkosti častíc (napr. veľkosť primárnych častíc < 10 nm) výrazne zvyšujú energiu aglomerácie medzi časticami, čím drasticky zvyšujú ťažkosti s disperziou. To namiesto toho vedie k lokálnym defektom, ktoré znižujú odolnosť proti oderu.
(2) Distribúcia veľkosti častíc: Oxid kremičitý s úzkou distribúciou veľkosti častíc sa v kaučuku rovnomernejšie rozptyľuje, čím sa vyhýba „slabým miestam“ tvoreným veľkými časticami (alebo aglomerátmi). Ak je distribúcia príliš široká (napr. obsahuje častice s veľkosťou 10 nm aj nad 100 nm), veľké častice sa stávajú iniciačnými bodmi opotrebovania (prednostne sa opotrebúvajú počas oderu), čo vedie k zníženiu odolnosti voči oderu.
Záver: Oxid kremičitý s malou veľkosťou častíc (zodpovedajúcou optimálnej špecifickej povrchovej ploche) a úzkym rozložením je výhodnejší na zvýšenie odolnosti proti oderu.
3. Štruktúra (hodnota absorpcie DBP)
Štruktúra odráža rozvetvenú komplexnosť agregátov oxidu kremičitého (charakterizovanú hodnotou absorpcie DBP; vyššia hodnota znamená vyššiu štruktúru). Ovplyvňuje sieťovú štruktúru kaučuku a jeho odolnosť voči deformácii.
(1) Pozitívny vplyv: Oxid kremičitý s vysokou štruktúrou tvorí trojrozmerné rozvetvené agregáty, čím vytvára hustejšiu „kostrovú sieť“ v gume. To zvyšuje elasticitu gumy a jej odolnosť voči deformácii v tlaku. Počas oderu môže táto sieť tlmiť vonkajšie nárazové sily, čím znižuje únavové opotrebenie spôsobené opakovanou deformáciou, a tým zlepšuje odolnosť voči oderu.
(2) Negatívny vplyv: Príliš vysoká štruktúra (absorpcia DBP > 300 mL/100g) ľahko spôsobuje zapletenie medzi agregátmi oxidu kremičitého. To vedie k prudkému zvýšeniu Mooneyho viskozity počas miešania gumy, zlej tekutosti pri spracovaní a nerovnomernému rozptylu. Oblasti s lokálne príliš hustými štruktúrami budú zažívať zrýchlené opotrebovanie v dôsledku koncentrácie napätia, čo naopak zníži odolnosť proti oderu.
Záver: Stredná štruktúra (absorpcia DBP 200 – 250 ml/100 g) je vhodnejšia na vyváženie spracovateľnosti a odolnosti voči oderu.
4. Obsah povrchových hydroxylových skupín (Si-OH)
Silanolové skupiny (Si-OH) na povrchu oxidu kremičitého sú kľúčové pre ovplyvnenie jeho kompatibility s gumou, nepriamo ovplyvňujú odolnosť proti oderu prostredníctvom pevnosti medzifázových spojov.
(1) Neošetrené: Príliš vysoký obsah hydroxylových skupín (> 5 skupín/nm²) ľahko vedie k tvrdej aglomerácii medzi časticami prostredníctvom vodíkových väzieb, čo má za následok slabú disperziu. Súčasne majú hydroxylové skupiny slabú kompatibilitu s molekulami kaučuku (väčšinou nepolárnymi), čo vedie k slabým medzifázovým väzbám. Počas opotrebovania má oxid kremičitý tendenciu oddeľovať sa od gumy, čo znižuje odolnosť proti oderu.
(2) Ošetrené silánovým kopulačným činidlom: Kopulačné činidlá (napr. Si69) reagujú s hydroxylovými skupinami, čím znižujú aglomeráciu medzi časticami a zavádzajú skupiny kompatibilné s kaučukom (napr. merkaptoskupiny), čím zvyšujú pevnosť medzifázových väzieb. V tomto bode sa medzi oxidom kremičitým a kaučukom vytvorí „chemické ukotvenie“. Prenos napätia sa stáva rovnomerným a odlupovanie medzifáz je počas opotrebovania menej pravdepodobné, čo výrazne zlepšuje odolnosť proti oderu.
Záver: Obsah hydroxylových skupín musí byť mierny (3 – 5 skupín/nm²) a musí sa kombinovať s úpravou silánovým kopulačným činidlom, aby sa maximalizovalo medzifázové spojenie a zlepšila odolnosť proti oderu.
5. Hodnota pH
Hodnota pH oxidu kremičitého (zvyčajne 6,0 – 8,0) primárne nepriamo ovplyvňuje odolnosť proti oderu ovplyvnením systému vulkanizácie gumy.
(1) Nadmerne kyslá (pH < 6,0): Inhibuje aktivitu urýchľovačov vulkanizácie, spomaľuje rýchlosť vulkanizácie a môže dokonca viesť k neúplnej vulkanizácii a nedostatočnej hustote zosieťovania v gume. Guma s nízkou hustotou zosieťovania má znížené mechanické vlastnosti (napr. pevnosť v ťahu, tvrdosť). Počas opotrebovania je náchylná na plastickú deformáciu a stratu materiálu, čo má za následok nízku odolnosť voči oderu.
(2) Nadmerne alkalické (pH > 8,0): Môže urýchliť vulkanizáciu (najmä pri tiazolových urýchľovačoch), čo spôsobuje nadmerne rýchlu počiatočnú vulkanizáciu a nerovnomerné zosieťovanie (lokálne nadmerné alebo nedostatočné zosieťovanie). Nadmerne zosieťované oblasti sa stávajú krehkými, nedostatočne zosieťované oblasti majú nízku pevnosť; oboje zníži odolnosť voči oderu.
Záver: Neutrálne až mierne kyslé prostredie (pH 5,0 – 7,0) je priaznivejšie pre rovnomernú vulkanizáciu, zabezpečuje mechanické vlastnosti gumy a zlepšuje odolnosť proti oderu.
6. Obsah nečistôt
Nečistoty v oxide kremičitom (ako sú kovové ióny ako Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ alebo nezreagované soli) môžu znížiť odolnosť proti oderu poškodením štruktúry gumy alebo narušením vulkanizácie.
(1) Ióny kovov: Ióny prechodných kovov, ako je Fe³⁺, katalyzujú oxidačné starnutie gumy, čím urýchľujú štiepenie molekulárnych reťazcov gumy. To vedie k zhoršeniu mechanických vlastností materiálu v priebehu času a znižuje odolnosť proti oderu. Ca²⁺ a Mg²⁺ môžu reagovať s vulkanizačnými činidlami v gume, čo narúša vulkanizáciu a znižuje hustotu zosieťovania.
(2) Rozpustné soli: Príliš vysoký obsah nečistôt (napr. Na₂SO₄) zvyšuje hygroskopickosť oxidu kremičitého, čo vedie k tvorbe bublín počas spracovania gumy. Tieto bubliny vytvárajú vnútorné defekty; počas opotrebovania má tendenciu vznikať porucha práve na týchto miestach defektov, čo znižuje odolnosť voči oderu.
Záver: Obsah nečistôt musí byť prísne kontrolovaný (napr. Fe³⁺ < 1000 ppm), aby sa minimalizoval negatívny vplyv na výkonnosť gumy.
Stručne povedané, vplyvzrážaný oxid kremičitýVplyv na odolnosť gumy proti oderu vyplýva zo synergického efektu viacerých vlastností: špecifický povrch a veľkosť častíc určujú základnú výstužnú schopnosť; štruktúra ovplyvňuje stabilitu gumovej siete; povrchové hydroxylové skupiny a pH regulujú medzifázové väzby a rovnomernosť vulkanizácie; zatiaľ čo nečistoty znižujú výkon poškodením štruktúry. V praktických aplikáciách musí byť kombinácia vlastností optimalizovaná podľa typu gumy (napr. zmes dezénu pneumatiky, tmel). Napríklad zmesi dezénu zvyčajne vyberajú oxid kremičitý s vysokým špecifickým povrchom, strednou štruktúrou, nízkym obsahom nečistôt a kombinujú sa s úpravou silánovým kopulačným činidlom, aby sa maximalizovala odolnosť proti oderu.
Čas uverejnenia: 22. júla 2025