Sadestatud ränidioksiidon kummitööstuses oluline tugevdav täiteaine. Selle mitmesugused omadused mõjutavad kaudselt või otseselt kummi kulumiskindlust, mõjutades pindadevahelist interaktsiooni kummimaatriksiga, dispersiooni ja kummi mehaanilisi omadusi. Allpool analüüsime üksikasjalikult nende mõjumehhanisme kummi kulumiskindlusele, alustades peamistest omadustest:
1. Eripind (BET)
Spetsiifiline pindala on ränidioksiidi üks olulisemaid omadusi, mis peegeldab otseselt selle kokkupuuteala kummiga ja tugevdavat võimet, mõjutades oluliselt kulumiskindlust.
(1) Positiivne mõju: Teatud vahemikus suurendab eripinna suurendamine (nt 100 m²/g-lt 200 m²/g-le) ränidioksiidi ja kummimaatriksi vahelist pindadevahelist kontaktpinda. See võib suurendada pindadevahelist nakketugevust „ankurdava efekti“ kaudu, parandades kummi deformatsioonikindlust ja tugevdavat efekti. Sel hetkel suurenevad kummi kõvadus, tõmbetugevus ja rebenemistugevus. Kulumise ajal on see vähem altid materjali eraldumisele liigse lokaalse pinge tõttu, mis viib kulumiskindluse olulise paranemiseni.
(2) Negatiivne mõju: Kui eripind on liiga suur (nt üle 250 m²/g), tugevnevad van der Waalsi jõud ja vesiniksidemed ränidioksiidi osakeste vahel, põhjustades kergesti aglomeratsiooni (eriti ilma pinnatöötluseta), mis omakorda vähendab dispergeeruvust järsult. Aglomeraadid moodustavad kummi sisse „pingekontsentratsioonipunkte“. Kulumise ajal kipub purunemine tekkima eelkõige aglomeraatide ümber, mis omakorda vähendab kulumiskindlust.
Järeldus: On olemas optimaalne eripinna vahemik (tavaliselt 150–220 m²/g, varieerudes olenevalt kummitüübist), kus dispergeeruvus ja tugevdav toime on tasakaalus, mille tulemuseks on optimaalne kulumiskindlus.
2. Osakeste suurus ja suurusjaotus
Ränidioksiidi primaarsete osakeste suurus (või agregaadi suurus) ja jaotus mõjutavad kaudselt kulumiskindlust, mõjutades dispersiooni ühtlust ja faasidevahelist interaktsiooni.
(1) Osakeste suurus: Väiksemad osakeste suurused (tavaliselt positiivses korrelatsioonis eripinnaga) vastavad suuremale eripinnale ja tugevamale tugevdavale efektile (nagu eespool). Liiga väikesed osakeste suurused (nt primaarosakeste suurus < 10 nm) suurendavad aga oluliselt osakestevahelist aglomeratsioonienergiat, mis suurendab drastiliselt dispersiooni raskust. See omakorda viib lokaalsete defektide tekkeni, vähendades kulumiskindlust.
(2) Osakeste suurusjaotus: Kitsa osakeste suurusjaotusega ränidioksiid dispergeerub kummis ühtlasemalt, vältides suurte osakeste (või aglomeraatide) tekitatud „nõrku kohti“. Kui jaotus on liiga lai (nt sisaldab nii 10 nm kui ka üle 100 nm osakesi), muutuvad suured osakesed kulumise alguspunktideks (eelistatavalt kuluvad hõõrdumise ajal ära), mis vähendab kulumiskindlust.
Järeldus: Kulumiskindluse suurendamiseks on kasulikum väikese osakeste suurusega (optimaalse eripinnaga sobiv) ja kitsa jaotusega ränidioksiid.
3. Struktuur (DBP neeldumisväärtus)
Struktuur peegeldab ränidioksiidi agregaatide hargnenud keerukust (mida iseloomustab DBP neeldumisväärtus; kõrgem väärtus näitab paremat struktuuri). See mõjutab kummi võrgustiku struktuuri ja deformatsioonikindlust.
(1) Positiivne mõju: Kõrgstruktuuriga ränidioksiid moodustab kolmemõõtmelisi hargnenud agregaate, luues kummi sisse tihedama „skeletivõrgustiku“. See suurendab kummi elastsust ja vastupidavust survedeformatsioonile. Hõõrumise ajal suudab see võrgustik puhverdada väliseid lööke, vähendades korduva deformatsiooni põhjustatud väsimuskulumist ja parandades seeläbi kulumiskindlust.
(2) Negatiivne mõju: Liiga tihe struktuur (DBP neeldumine > 300 ml/100 g) põhjustab ränidioksiidiagregaatide vahel kergesti takerdumist. See toob kaasa Mooney viskoossuse järsu suurenemise kummi segamise ajal, halva voolavuse ja ebaühtlase dispersiooni. Kohalikult liiga tiheda struktuuriga aladel esineb pingekontsentratsiooni tõttu kiirenenud kulumine, mis omakorda vähendab kulumiskindlust.
Kokkuvõte: Töödeldavuse ja kulumiskindluse tasakaalustamiseks sobib paremini keskmise struktuuriga materjal (DBP neeldumine 200–250 ml/100 g).
4. Pinna hüdroksüülisisaldus (Si-OH)
Ränidioksiidi pinnal olevad silanoolrühmad (Si-OH) on võtmetähtsusega selle kummiga ühilduvuse mõjutamisel, mõjutades kaudselt kulumiskindlust pindadevahelise liimimise tugevuse kaudu.
(1) Töötlemata: Liiga kõrge hüdroksüülrühmade sisaldus (> 5 rühma/nm²) põhjustab kergesti osakeste vahel kõva aglomeratsiooni vesiniksidemete kaudu, mille tulemuseks on halb dispersioon. Samal ajal on hüdroksüülrühmadel halb ühilduvus kummi molekulidega (enamasti mittepolaarsed), mis viib nõrga faasidevahelise sidemeni. Kulumise ajal kipub ränidioksiid kummist eralduma, vähendades kulumiskindlust.
(2) Silaani sidestusainega töödeldud: sidestusained (nt Si69) reageerivad hüdroksüülrühmadega, vähendades osakestevahelist aglomeratsiooni ja sisestades kummiga ühilduvaid rühmi (nt merkaptorühmi), suurendades pindadevahelist sideme tugevust. Sel hetkel tekib ränidioksiidi ja kummi vahel „keemiline ankurdus“. Pingeülekanne muutub ühtlaseks ja pindadevaheline koorumine kulumise ajal on vähem tõenäoline, mis parandab oluliselt kulumiskindlust.
Järeldus: Hüdroksüüli sisaldus peab olema mõõdukas (3–5 rühma/nm²) ja seda tuleb kombineerida silaani sidestusainega töötlemisega, et maksimeerida pindadevahelist nakkumist ja parandada kulumiskindlust.
5. pH väärtus
Ränidioksiidi pH väärtus (tavaliselt 6,0–8,0) mõjutab kulumiskindlust peamiselt kaudselt, mõjutades kummi vulkaniseerimissüsteemi.
(1) Liigselt happeline (pH < 6,0): Pärsib vulkaniseerimise kiirendite aktiivsust, aeglustades vulkaniseerimiskiirust ja võib isegi viia mittetäieliku vulkaniseerimiseni ja ebapiisava ristseotud tiheduseni kummis. Madala ristseotud tihedusega kummil on vähenenud mehaanilised omadused (nt tõmbetugevus, kõvadus). Kulumise ajal on see altid plastiliseks deformatsiooniks ja materjali kadumiseks, mille tulemuseks on halb kulumiskindlus.
(2) Liiga leeliseline (pH > 8,0): Võib kiirendada vulkaniseerumist (eriti tiasooli kiirendite puhul), põhjustades liiga kiiret esialgset vulkaniseerumist ja ebaühtlast ristseotust (lokaalne üle- või alaristseostamine). Üleristseotud alad muutuvad hapraks, alaristseotud alad on madala tugevusega; mõlemad vähendavad kulumiskindlust.
Järeldus: Neutraalne kuni kergelt happeline (pH 5,0–7,0) on ühtlase vulkaniseerimise jaoks soodsam, tagades kummi mehaanilised omadused ja parandades kulumiskindlust.
6. Lisandite sisaldus
Ränidioksiidi lisandid (näiteks metalliioonid nagu Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ või reageerimata soolad) võivad vähendada kulumiskindlust, kahjustades kummi struktuuri või takistades vulkaniseerimist.
(1) Metalliioonid: siirdemetalliioonid, näiteks Fe³⁺, katalüüsivad kummi oksüdatiivset vananemist, kiirendades kummi molekulaarse ahela lagunemist. See viib aja jooksul materjali mehaaniliste omaduste halvenemiseni, vähendades kulumiskindlust. Ca²⁺ ja Mg²⁺ võivad reageerida kummi vulkaniseerivate ainetega, häirides vulkaniseerimist ja vähendades ristseotuse tihedust.
(2) Lahustuvad soolad: Liiga suur lisandisoolade (nt Na₂SO₄) sisaldus suurendab ränidioksiidi hügroskoopsust, mis viib kummi töötlemise ajal mullide tekkeni. Need mullid tekitavad sisemisi defekte; kulumise ajal kipub purunemine nendest defektikohtadest algust saama, vähendades kulumiskindlust.
Järeldus: Lisandite sisaldust tuleb rangelt kontrollida (nt Fe³⁺ < 1000 ppm), et minimeerida negatiivset mõju kummi toimivusele.
Kokkuvõttes on mõjusadestatud ränidioksiidKummi kulumiskindlusele avaldatav mõju tuleneb mitme omaduse sünergilisest mõjust: eripind ja osakeste suurus määravad põhilise tugevdava võime; struktuur mõjutab kummivõrgustiku stabiilsust; pinna hüdroksüülrühmad ja pH reguleerivad pindadevahelist sidumist ja vulkaniseerimise ühtlust; samas kui lisandid halvendavad jõudlust, kahjustades struktuuri. Praktikas tuleb omaduste kombinatsioon optimeerida vastavalt kummi tüübile (nt rehvi turvisesegu, hermeetik). Näiteks valitakse turvisesegudes tavaliselt suure eripinna, keskmise struktuuri ja väikese lisandite sisaldusega ränidioksiid ning kombineeritakse silaansideainega, et maksimeerida kulumiskindlust.
Postituse aeg: 22. juuli 2025