Silice precipitataÈ un importante riempitivo rinforzante nell'industria della gomma. Le sue diverse proprietà influenzano indirettamente o direttamente la resistenza all'abrasione della gomma, influenzando l'interazione interfacciale con la matrice di gomma, la dispersione e le proprietà meccaniche della gomma. Di seguito, partendo dalle proprietà chiave, analizziamo in dettaglio i meccanismi di influenza sulla resistenza all'abrasione della gomma:
1. Area superficiale specifica (BET)
L'area superficiale specifica è una delle proprietà più importanti della silice, che riflette direttamente la sua area di contatto con la gomma e la sua capacità di rinforzo, influenzando in modo significativo la resistenza all'abrasione.
(1) Influenza positiva: entro un certo intervallo, l'aumento della superficie specifica (ad esempio, da 100 m²/g a 200 m²/g) aumenta l'area di contatto interfacciale tra la silice e la matrice di gomma. Ciò può aumentare la forza di legame interfacciale attraverso l'"effetto ancoraggio", migliorando la resistenza della gomma alla deformazione e l'effetto rinforzante. A questo punto, la durezza della gomma, la resistenza alla trazione e la resistenza allo strappo aumentano. Durante l'usura, è meno soggetta al distacco del materiale a causa di eccessivi stress locali, con conseguente significativo miglioramento della resistenza all'abrasione.
(2) Influenza negativa: se la superficie specifica è troppo grande (ad esempio, superiore a 250 m²/g), le forze di van der Waals e i legami a idrogeno tra le particelle di silice si rafforzano, causando facilmente agglomerazione (soprattutto senza trattamento superficiale), con conseguente brusco calo della disperdibilità. Gli agglomerati formano "punti di concentrazione di stress" all'interno della gomma. Durante l'usura, la frattura tende a verificarsi preferibilmente attorno agli agglomerati, riducendo al contrario la resistenza all'abrasione.
Conclusione: esiste un intervallo di superficie specifica ottimale (tipicamente 150-220 m²/g, che varia a seconda del tipo di gomma) in cui la disperdibilità e l'effetto rinforzante sono bilanciati, con conseguente resistenza all'abrasione ottimale.
2.Dimensione delle particelle e distribuzione delle dimensioni
La dimensione delle particelle primarie (o dimensione dell'aggregato) e la distribuzione della silice influenzano indirettamente la resistenza all'abrasione, influenzando l'uniformità della dispersione e l'interazione interfacciale.
(1) Dimensione delle particelle: dimensioni delle particelle più piccole (solitamente correlate positivamente con l'area superficiale specifica) corrispondono a aree superficiali specifiche più grandi e a effetti di rinforzo più forti (come sopra). Tuttavia, dimensioni delle particelle eccessivamente piccole (ad esempio, dimensione delle particelle primarie < 10 nm) aumentano significativamente l'energia di agglomerazione tra le particelle, aumentando drasticamente la difficoltà di dispersione. Questo porta invece a difetti locali, riducendo la resistenza all'abrasione.
(2) Distribuzione granulometrica: la silice con una distribuzione granulometrica ristretta si disperde in modo più uniforme nella gomma, evitando i "punti deboli" formati da particelle di grandi dimensioni (o agglomerati). Se la distribuzione è troppo ampia (ad esempio, contenente particelle sia di 10 nm che superiori a 100 nm), le particelle di grandi dimensioni diventano punti di inizio dell'usura (preferibilmente consumate durante l'abrasione), con conseguente riduzione della resistenza all'abrasione.
Conclusione: la silice con particelle di piccole dimensioni (che corrispondono alla superficie specifica ottimale) e una distribuzione ristretta è più vantaggiosa per migliorare la resistenza all'abrasione.
3. Struttura (valore di assorbimento DBP)
La struttura riflette la complessità ramificata degli aggregati di silice (caratterizzata dal valore di assorbimento del DBP; un valore più alto indica una struttura più elevata). Influisce sulla struttura reticolare della gomma e sulla sua resistenza alla deformazione.
(1) Influenza positiva: la silice ad alta struttura forma aggregati ramificati tridimensionali, creando una "rete scheletrica" più densa all'interno della gomma. Ciò migliora l'elasticità della gomma e la resistenza alla deformazione permanente (compression set). Durante l'abrasione, questa rete può ammortizzare le forze di impatto esterne, riducendo l'usura da fatica causata da deformazioni ripetute, migliorando così la resistenza all'abrasione.
(2) Influenza negativa: una struttura eccessivamente elevata (assorbimento di DBP > 300 mL/100 g) causa facilmente l'aggrovigliamento tra gli aggregati di silice. Ciò comporta un forte aumento della viscosità Mooney durante la miscelazione della gomma, una scarsa fluidità di lavorazione e una dispersione non uniforme. Le aree con strutture localmente eccessivamente dense subiranno un'usura accelerata a causa della concentrazione di stress, riducendo di conseguenza la resistenza all'abrasione.
Conclusione: la struttura media (assorbimento DBP 200-250 mL/100 g) è più adatta per bilanciare la lavorabilità e la resistenza all'abrasione.
4. Contenuto di idrossile superficiale (Si-OH)
I gruppi silanolo (Si-OH) sulla superficie della silice sono fondamentali per influenzare la sua compatibilità con la gomma, influenzando indirettamente la resistenza all'abrasione attraverso la forza di legame interfacciale.
(1) Non trattato: un contenuto eccessivamente elevato di ossidrili (> 5 gruppi/nm²) porta facilmente a un'agglomerazione dura tra le particelle tramite legami idrogeno, con conseguente scarsa dispersione. Allo stesso tempo, i gruppi ossidrili hanno scarsa compatibilità con le molecole di gomma (per lo più non polari), con conseguente debole legame interfacciale. Durante l'usura, la silice tende a staccarsi dalla gomma, riducendo la resistenza all'abrasione.
(2) Trattato con agente legante silanico: gli agenti leganti (ad esempio, Si69) reagiscono con i gruppi idrossilici, riducendo l'agglomerazione interparticellare e introducendo gruppi compatibili con la gomma (ad esempio, gruppi mercapto), migliorando la resistenza del legame interfacciale. A questo punto, si forma un "ancoraggio chimico" tra silice e gomma. Il trasferimento dello stress diventa uniforme e la desquamazione interfacciale è meno probabile durante l'usura, migliorando significativamente la resistenza all'abrasione.
Conclusione: il contenuto di idrossile deve essere moderato (3-5 gruppi/nm²) e deve essere combinato con un trattamento con agente accoppiante silanico per massimizzare il legame interfacciale e migliorare la resistenza all'abrasione.
5. Valore del pH
Il valore del pH della silice (tipicamente 6,0-8,0) influisce principalmente indirettamente sulla resistenza all'abrasione, influenzando il sistema di vulcanizzazione della gomma.
(1) Eccessivamente acido (pH < 6,0): inibisce l'attività degli acceleratori di vulcanizzazione, ritardando la velocità di vulcanizzazione e può persino portare a una vulcanizzazione incompleta e a una densità di reticolazione insufficiente nella gomma. La gomma con bassa densità di reticolazione ha proprietà meccaniche ridotte (ad esempio, resistenza alla trazione, durezza). Durante l'usura, è soggetta a deformazione plastica e perdita di materiale, con conseguente scarsa resistenza all'abrasione.
(2) Eccessivamente alcalino (pH > 8,0): può accelerare la vulcanizzazione (soprattutto per gli acceleratori tiazolici), causando una vulcanizzazione iniziale eccessivamente rapida e una reticolazione irregolare (sovra-reticolazione locale o sotto-reticolazione). Le aree sovra-reticolate diventano fragili, le aree sotto-reticolate hanno una bassa resistenza; entrambe ridurranno la resistenza all'abrasione.
Conclusione: un pH neutro o leggermente acido (5,0-7,0) è più favorevole per una vulcanizzazione uniforme, garantendo le proprietà meccaniche della gomma e migliorando la resistenza all'abrasione.
6. Contenuto di impurità
Le impurità presenti nella silice (ad esempio ioni metallici come Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ o sali non reagiti) possono ridurre la resistenza all'abrasione danneggiando la struttura della gomma o interferendo con la vulcanizzazione.
(1) Ioni metallici: gli ioni metallici di transizione come Fe³⁺ catalizzano l'invecchiamento ossidativo della gomma, accelerando la scissione della catena molecolare della gomma. Ciò porta a un decadimento delle proprietà meccaniche del materiale nel tempo, riducendo la resistenza all'abrasione. Ca²⁺, Mg²⁺ possono reagire con gli agenti vulcanizzanti presenti nella gomma, interferendo con la vulcanizzazione e riducendo la densità di reticolazione.
(2) Sali solubili: un contenuto eccessivamente elevato di sali di impurità (ad esempio, Na₂SO₄) aumenta l'igroscopicità della silice, portando alla formazione di bolle durante la lavorazione della gomma. Queste bolle creano difetti interni; durante l'usura, la rottura tende a verificarsi in questi punti, riducendo la resistenza all'abrasione.
Conclusione: il contenuto di impurità deve essere rigorosamente controllato (ad esempio, Fe³⁺ < 1000 ppm) per ridurre al minimo gli impatti negativi sulle prestazioni della gomma.
In sintesi, l'influenza disilice precipitataLa resistenza all'abrasione della gomma deriva dall'effetto sinergico di molteplici proprietà: l'area superficiale specifica e la dimensione delle particelle determinano la capacità di rinforzo fondamentale; la struttura influenza la stabilità della rete di gomma; i gruppi idrossilici superficiali e il pH regolano l'adesione interfacciale e l'uniformità di vulcanizzazione; mentre le impurità ne degradano le prestazioni danneggiandone la struttura. Nelle applicazioni pratiche, la combinazione di proprietà deve essere ottimizzata in base al tipo di gomma (ad esempio, mescola del battistrada, sigillante). Ad esempio, le mescole del battistrada in genere selezionano silice con elevata area superficiale specifica, struttura media, basse impurità e trattamento con agente accoppiante silanico per massimizzare la resistenza all'abrasione.
Data di pubblicazione: 22-lug-2025