Saostettu piidioksidion tärkeä lujittava täyteaine kumiteollisuudessa. Sen erilaiset ominaisuudet vaikuttavat epäsuorasti tai suoraan kumin kulutuskestävyyteen vaikuttamalla rajapinnan vuorovaikutukseen kumimatriisin kanssa, dispersioon ja kumin mekaanisiin ominaisuuksiin. Seuraavassa analysoimme yksityiskohtaisesti niiden vaikutusmekanismeja kumin kulutuskestävyyteen tärkeimmistä ominaisuuksista alkaen:
1. Ominaispinta-ala (BET)
Ominaispinta-ala on yksi piidioksidin keskeisimmistä ominaisuuksista, ja se heijastaa suoraan sen kosketuspinta-alaa kumin kanssa ja lujituskykyä, mikä vaikuttaa merkittävästi kulutuskestävyyteen.
(1) Positiivinen vaikutus: Tietyllä alueella ominaispinta-alan kasvattaminen (esim. 100 m²/g:sta 200 m²/g:aan) lisää silikan ja kumimatriisin välistä rajapinta-alaa. Tämä voi parantaa rajapinnan sidoslujuutta "ankkurointivaikutuksen" kautta, mikä parantaa kumin muodonmuutoksenkestävyyttä ja vahvistaa sitä. Tässä vaiheessa kumin kovuus, vetolujuus ja repäisylujuus kasvavat. Kulumisen aikana se on vähemmän altis materiaalin irtoamiselle liiallisen paikallisen rasituksen vuoksi, mikä johtaa merkittävään kulutuskestävyyden paranemiseen.
(2) Negatiivinen vaikutus: Jos ominaispinta-ala on liian suuri (esim. yli 250 m²/g), van der Waalsin voimat ja vetysidokset piidioksidihiukkasten välillä voimistuvat, mikä aiheuttaa helposti agglomeraatiota (erityisesti ilman pintakäsittelyä) ja dispergoituvuuden jyrkkää heikkenemistä. Agglomeraatit muodostavat "jännityskeskittymiä" kumin sisään. Kulumisen aikana murtuma tapahtuu yleensä ensisijaisesti agglomeraattien ympärillä, mikä puolestaan vähentää kulutuskestävyyttä.
Johtopäätös: On olemassa optimaalinen ominaispinta-ala-alue (tyypillisesti 150–220 m²/g, vaihtelee kumityypin mukaan), jossa dispergoituvuus ja lujittava vaikutus ovat tasapainossa, mikä johtaa optimaaliseen kulutuskestävyyteen.
2. Hiukkaskoko ja kokojakauma
Piidioksidin ensisijainen hiukkaskoko (tai aggregaattikoko) ja jakauma vaikuttavat epäsuorasti kulutuskestävyyteen vaikuttamalla dispersion tasaisuuteen ja rajapintojen vuorovaikutukseen.
(1) Hiukkaskoko: Pienemmät hiukkaskoot (yleensä positiivisesti korreloivat ominaispinta-alan kanssa) vastaavat suurempia ominaispinta-aloja ja voimakkaampia lujittavia vaikutuksia (kuten edellä). Liian pienet hiukkaskoot (esim. primaarihiukkaskoko < 10 nm) lisäävät kuitenkin merkittävästi hiukkasten välistä agglomeraatioenergiaa, mikä lisää merkittävästi dispersiovaikeuksia. Tämä johtaa sen sijaan paikallisiin virheisiin, jotka heikentävät kulutuskestävyyttä.
(2) Hiukkaskokojakauma: Kapeahiukkasjakauman omaava piidioksidi leviää kumiin tasaisemmin, jolloin vältetään suurten hiukkasten (tai agglomeraattien) muodostamat "heikot kohdat". Jos jakauma on liian laaja (esim. sisältää sekä 10 nm:n että yli 100 nm:n hiukkasia), suurista hiukkasista tulee kulumisen alkupisteitä (ne kuluvat mieluiten pois hankauksen aikana), mikä johtaa kulutuskestävyyden heikkenemiseen.
Johtopäätös: Pienihiukkaskokoinen (optimaalisen ominaispinta-alan mukainen) ja kapeasti jakautunut piidioksidi on edullisempi kulutuskestävyyden parantamiseksi.
3. Rakenne (DBP-absorptioarvo)
Rakenne heijastaa piidioksidiaggregaattien haarautunutta monimutkaisuutta (jolle on ominaista DBP-absorptioarvo; korkeampi arvo osoittaa parempaa rakennetta). Se vaikuttaa kumin verkkomaiseen rakenteeseen ja muodonmuutoksenkestävyyteen.
(1) Positiivinen vaikutus: Korkearakenteinen piidioksidi muodostaa kolmiulotteisia haarautuneita aggregaatteja, jotka luovat kumin sisään tiheämmän "luurankoverkon". Tämä parantaa kumin elastisuutta ja puristuspainumakestävyyttä. Kulumisen aikana tämä verkosto voi puskuroida ulkoisia iskuvoimia, mikä vähentää toistuvien muodonmuutosten aiheuttamaa väsymiskulumista ja parantaa siten kulutuskestävyyttä.
(2) Negatiivinen vaikutus: Liian tiheä rakenne (DBP-absorptio > 300 ml/100 g) aiheuttaa helposti piidioksidiaggregaattien takertumisen toisiinsa. Tämä johtaa Mooney-viskositeetin jyrkkään nousuun kumin sekoituksen aikana, huonoon prosessoinnin juoksevuuteen ja epätasaiseen dispersioon. Alueet, joilla on paikallisesti liian tiheät rakenteet, kuluvat nopeammin jännitysten keskittymisen vuoksi, mikä puolestaan heikentää kulutuskestävyyttä.
Johtopäätös: Keskikokoinen rakenne (DBP-absorptio 200–250 ml/100 g) sopii paremmin prosessoitavuuden ja kulutuskestävyyden tasapainottamiseen.
4. Pinnan hydroksyylipitoisuus (Si-OH)
Piidioksidipinnalla olevat silanoliryhmät (Si-OH) ovat avainasemassa sen yhteensopivuuden kannalta kumin kanssa ja vaikuttavat epäsuorasti kulutuskestävyyteen rajapinnan sidoslujuuden kautta.
(1) Käsittelemätön: Liian korkea hydroksyylipitoisuus (> 5 ryhmää/nm²) johtaa helposti hiukkasten väliseen kovaan agglomeraatioon vetysidosten kautta, mikä johtaa huonoon dispersioon. Samanaikaisesti hydroksyyliryhmillä on huono yhteensopivuus kumimolekyylien (useimmiten poolittomien) kanssa, mikä johtaa heikkoon rajapintasidokseen. Kulumisen aikana piidioksidi irtoaa helposti kumista, mikä heikentää kulutuskestävyyttä.
(2) Käsitelty silaanikytkentäaineella: Kytkentäaineet (esim. Si69) reagoivat hydroksyyliryhmien kanssa vähentäen hiukkasten välistä agglomeraatiota ja tuoden kumin kanssa yhteensopivia ryhmiä (esim. merkaptoryhmiä), mikä parantaa rajapinnan sidoslujuutta. Tässä vaiheessa piidioksidin ja kumin välille muodostuu "kemiallinen ankkurointi". Jännityksen siirtyminen tasaantuu ja rajapinnan kuoriutuminen kulumisen aikana on epätodennäköisempää, mikä parantaa merkittävästi kulutuskestävyyttä.
Johtopäätös: Hydroksyylipitoisuuden on oltava kohtuullinen (3–5 ryhmää/nm²), ja se on yhdistettävä silaanikytkentäainekäsittelyyn rajapinnan sitoutumisen maksimoimiseksi ja kulutuskestävyyden parantamiseksi.
5. pH-arvo
Piidioksidin pH-arvo (tyypillisesti 6,0–8,0) vaikuttaa ensisijaisesti epäsuorasti hankauksenkestävyyteen vaikuttamalla kumin vulkanointijärjestelmään.
(1) Liian hapan (pH < 6,0): Estää vulkanointikiihdyttimien toimintaa, hidastaa vulkanointinopeutta ja voi jopa johtaa epätäydelliseen vulkanointiin ja riittämättömään silloittumistiheyteen kumissa. Alhaisen silloittumistiheyden omaavalla kumilla on heikentyneet mekaaniset ominaisuudet (esim. vetolujuus, kovuus). Kulumisen aikana se on altis plastiselle muodonmuutokselle ja materiaalin menetykselle, mikä johtaa heikkoon kulutuskestävyyteen.
(2) Liian emäksinen (pH > 8,0): Voi kiihdyttää vulkanoitumista (erityisesti tiatsoli-kiihdyttimien tapauksessa), mikä voi aiheuttaa liian nopean alkuvulkanoitumisen ja epätasaisen silloittumisen (paikallinen yli- tai ali-silloittuminen). Yli-silloitetut alueet haurastuvat, ali-silloitetut alueet heikkenevät lujuudellaan; molemmat heikentävät kulutuskestävyyttä.
Johtopäätös: Neutraali tai hieman hapan (pH 5,0–7,0) on suotuisampi tasaiselle vulkanoinnille, mikä varmistaa kumin mekaaniset ominaisuudet ja parantaa kulutuskestävyyttä.
6. Epäpuhtauspitoisuus
Piidioksidin epäpuhtaudet (kuten metalli-ionit, kuten Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ tai reagoimattomat suolat) voivat heikentää kulutuskestävyyttä vahingoittamalla kumin rakennetta tai häiritsemällä vulkanointia.
(1) Metalli-ionit: Siirtymämetalli-ionit, kuten Fe³⁺, katalysoivat kumin oksidatiivista vanhenemista, mikä kiihdyttää kumin molekyyliketjun katkeamista. Tämä johtaa materiaalin mekaanisten ominaisuuksien heikkenemiseen ajan myötä ja vähentää kulutuskestävyyttä. Ca²⁺ ja Mg²⁺ voivat reagoida kumin vulkanointiaineiden kanssa, häiriten vulkanointia ja alentaen silloittumistiheyttä.
(2) Liukoiset suolat: Liian suuri epäpuhtaussuolojen (esim. Na₂SO₄) pitoisuus lisää piidioksidin hygroskooppisuutta, mikä johtaa kuplien muodostumiseen kumin prosessoinnin aikana. Nämä kuplat aiheuttavat sisäisiä vikoja; kulumisen aikana vikaantuminen alkaa usein näistä vikakohdista, mikä heikentää kulutuskestävyyttä.
Johtopäätös: Epäpuhtauspitoisuutta on valvottava tarkasti (esim. Fe³⁺ < 1000 ppm), jotta kumin suorituskykyyn kohdistuvat negatiiviset vaikutukset voidaan minimoida.
Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikutussaostettu piidioksidiKumin kulutuskestävyyden vaikutus on seurausta useiden ominaisuuksien synergistisestä vaikutuksesta: ominaispinta-ala ja hiukkaskoko määrittävät perustavanlaatuisen lujituskyvyn; rakenne vaikuttaa kumiverkon vakauteen; pinnan hydroksyyliryhmät ja pH säätelevät rajapinnan sitoutumista ja vulkanoinnin tasaisuutta; epäpuhtaudet puolestaan heikentävät suorituskykyä vahingoittamalla rakennetta. Käytännön sovelluksissa ominaisuuksien yhdistelmä on optimoitava kumityypin mukaan (esim. renkaan kulutuspintasekoitus, tiivisteaine). Esimerkiksi kulutuspintasekoituksissa valitaan tyypillisesti piidioksidia, jolla on suuri ominaispinta-ala, keskikova rakenne ja vähän epäpuhtauksia, ja yhdistetään silaanikytkentäainekäsittelyyn kulutuskestävyyden maksimoimiseksi.
Julkaisun aika: 22.7.2025