sílice precipitadaés un important farciment de reforç en la indústria del cautxú. Les seves diverses propietats afecten indirectament o directament la resistència a l'abrasió del cautxú influint en la interacció interfacial amb la matriu del cautxú, la dispersió i les propietats mecàniques del cautxú. A continuació, partint de les propietats clau, analitzem detalladament els seus mecanismes d'influència en la resistència a l'abrasió del cautxú:
1. Superfície específica (BET)
La superfície específica és una de les propietats més importants de la sílice, ja que reflecteix directament la seva superfície de contacte amb el cautxú i la seva capacitat de reforç, cosa que afecta significativament la resistència a l'abrasió.
(1) Influència positiva: Dins d'un cert rang, l'augment de la superfície específica (per exemple, de 100 m²/g a 200 m²/g) augmenta l'àrea de contacte interfacial entre la sílice i la matriu del cautxú. Això pot millorar la força d'unió interfacial a través de l'"efecte d'ancoratge", millorant la resistència del cautxú a la deformació i l'efecte de reforç. En aquest punt, augmenten la duresa, la resistència a la tracció i la resistència a l'esquinçament del cautxú. Durant el desgast, és menys propens al despreniment de material a causa d'una tensió local excessiva, cosa que comporta una millora significativa de la resistència a l'abrasió.
(2) Influència negativa: Si la superfície específica és massa gran (per exemple, superior a 250 m²/g), les forces de van der Waals i els enllaços d'hidrogen entre les partícules de sílice es reforcen, provocant fàcilment aglomeració (especialment sense tractament superficial), cosa que comporta una forta disminució de la dispersabilitat. Els aglomerats formen "punts de concentració d'estrès" dins del cautxú. Durant el desgast, la fractura tendeix a produir-se preferentment al voltant dels aglomerats, cosa que al contrari redueix la resistència a l'abrasió.
Conclusió: Existeix un rang òptim de superfície específica (normalment 150-220 m²/g, variant segons el tipus de cautxú) on la dispersibilitat i l'efecte de reforç estan equilibrats, donant com a resultat una resistència a l'abrasió òptima.
2. Mida de partícula i distribució de mida
La mida de les partícules primàries (o mida de l'agregat) i la distribució de la sílice afecten indirectament la resistència a l'abrasió en influir en la uniformitat de la dispersió i la interacció interfacial.
(1) Mida de partícula: Les mides de partícula més petites (normalment correlacionades positivament amb la superfície específica) corresponen a superfícies específiques més grans i efectes de reforç més forts (com s'ha esmentat anteriorment). Tanmateix, les mides de partícula excessivament petites (per exemple, una mida de partícula primària < 10 nm) augmenten significativament l'energia d'aglomeració entre les partícules, cosa que augmenta dràsticament la dificultat de dispersió. En canvi, això condueix a defectes locals, cosa que redueix la resistència a l'abrasió.
(2) Distribució de la mida de les partícules: La sílice amb una distribució de la mida de les partícules estreta es dispersa més uniformement en el cautxú, evitant els "punts febles" formats per partícules grans (o aglomerats). Si la distribució és massa àmplia (per exemple, si conté partícules de 10 nm i superiors a 100 nm), les partícules grans es converteixen en punts d'inici del desgast (preferiblement es desgasten durant l'abrasió), cosa que comporta una disminució de la resistència a l'abrasió.
Conclusió: La sílice amb una mida de partícula petita (que coincideix amb la superfície específica òptima) i una distribució estreta és més beneficiosa per millorar la resistència a l'abrasió.
3. Estructura (valor d'absorció de DBP)
L'estructura reflecteix la complexitat ramificada dels agregats de sílice (caracteritzada pel valor d'absorció de DBP; un valor més alt indica una estructura més alta). Afecta l'estructura de xarxa del cautxú i la resistència a la deformació.
(1) Influència positiva: la sílice amb una estructura elevada forma agregats ramificats tridimensionals, creant una "xarxa esquelètica" més densa dins del cautxú. Això millora l'elasticitat del cautxú i la resistència a la compressió. Durant l'abrasió, aquesta xarxa pot esmorteir les forces d'impacte externes, reduint el desgast per fatiga causat per la deformació repetida i millorant així la resistència a l'abrasió.
(2) Influència negativa: Una estructura excessivament alta (absorció de DBP > 300 mL/100 g) provoca fàcilment l'enredament entre els agregats de sílice. Això comporta un fort augment de la viscositat Mooney durant la barreja del cautxú, una baixa fluïdesa del processament i una dispersió desigual. Les zones amb estructures localment massa denses experimentaran un desgast accelerat a causa de la concentració d'estrès, cosa que al contrari reduirà la resistència a l'abrasió.
Conclusió: L'estructura mitjana (absorció de DBP 200-250 mL/100 g) és més adequada per equilibrar la processabilitat i la resistència a l'abrasió.
4. Contingut d'hidroxil superficial (Si-OH)
Els grups silanol (Si-OH) a la superfície de sílice són clau per influir en la seva compatibilitat amb el cautxú, afectant indirectament la resistència a l'abrasió a través de la força d'unió interfacial.
(1) Sense tractament: Un contingut d'hidroxil excessivament alt (> 5 grups/nm²) condueix fàcilment a una aglomeració dura entre les partícules mitjançant enllaços d'hidrogen, cosa que resulta en una dispersió deficient. Alhora, els grups hidroxil tenen una mala compatibilitat amb les molècules de cautxú (majoritàriament no polars), cosa que provoca una unió interfacial feble. Durant el desgast, la sílice és propensa a desprendre's del cautxú, cosa que redueix la resistència a l'abrasió.
(2) Tractat amb agent d'acoblament de silà: els agents d'acoblament (per exemple, Si69) reaccionen amb els grups hidroxil, reduint l'aglomeració entre partícules i introduint grups compatibles amb el cautxú (per exemple, grups mercapto), millorant la força d'unió interfacial. En aquest punt, es forma un "ancoratge químic" entre la sílice i el cautxú. La transferència d'estrès esdevé uniforme i és menys probable que es desprengui la interfacial durant el desgast, cosa que millora significativament la resistència a l'abrasió.
Conclusió: El contingut d'hidroxils ha de ser moderat (3-5 grups/nm²) i s'ha de combinar amb un tractament d'agent d'acoblament de silà per maximitzar l'unió interfacial i millorar la resistència a l'abrasió.
5. Valor del pH
El valor del pH de la sílice (normalment 6,0-8,0) afecta principalment i indirectament la resistència a l'abrasió en influir en el sistema de vulcanització del cautxú.
(1) Excessivament àcid (pH < 6,0): Inhibeix l'activitat dels acceleradors de vulcanització, retardant la velocitat de vulcanització i fins i tot pot conduir a una vulcanització incompleta i una densitat d'enllaç reticulat insuficient en el cautxú. El cautxú amb baixa densitat d'enllaç reticulat té propietats mecàniques reduïdes (per exemple, resistència a la tracció, duresa). Durant el desgast, és propens a la deformació plàstica i a la pèrdua de material, la qual cosa resulta en una baixa resistència a l'abrasió.
(2) Excessivament alcalí (pH > 8,0): Pot accelerar la vulcanització (especialment per a acceleradors de tiazol), provocant una vulcanització inicial excessivament ràpida i una reticulació desigual (reticulació excessiva o insuficient local). Les zones reticulades excessivament es tornen fràgils, les zones reticulades insuficientment tenen baixa resistència; ambdues coses reduiran la resistència a l'abrasió.
Conclusió: Un pH de neutre a lleugerament àcid (pH 5.0-7.0) és més favorable per a una vulcanització uniforme, garantint les propietats mecàniques del cautxú i millorant la resistència a l'abrasió.
6. Contingut d'impureses
Les impureses de la sílice (com ara ions metàl·lics com Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ o sals no reaccionades) poden reduir la resistència a l'abrasió danyant l'estructura del cautxú o interferint amb la vulcanització.
(1) Ions metàl·lics: Els ions metàl·lics de transició com el Fe³⁺ catalitzen l'envelliment oxidatiu del cautxú, accelerant l'escissió de la cadena molecular del cautxú. Això provoca una deterioració de les propietats mecàniques del material amb el temps, reduint la resistència a l'abrasió. El Ca²⁺ i el Mg²⁺ poden reaccionar amb els agents vulcanitzants del cautxú, interferint amb la vulcanització i reduint la densitat d'enllaços creuats.
(2) Sals solubles: Un contingut excessivament alt de sals d'impuresa (per exemple, Na₂SO₄) augmenta la higroscopicitat de la sílice, cosa que provoca la formació de bombolles durant el processament del cautxú. Aquestes bombolles creen defectes interns; durant el desgast, la fallada tendeix a iniciar-se en aquests llocs de defectes, reduint la resistència a l'abrasió.
Conclusió: El contingut d'impureses s'ha de controlar estrictament (per exemple, Fe³⁺ < 1000 ppm) per minimitzar els impactes negatius en el rendiment del cautxú.
En resum, la influència desílice precipitadasobre la resistència a l'abrasió del cautxú resulta de l'efecte sinèrgic de múltiples propietats: la superfície específica i la mida de les partícules determinen la capacitat de reforç fonamental; l'estructura afecta l'estabilitat de la xarxa de cautxú; els grups hidroxil superficials i el pH regulen l'unió interfacial i la uniformitat de la vulcanització; mentre que les impureses degraden el rendiment danyant l'estructura. En aplicacions pràctiques, la combinació de propietats s'ha d'optimitzar segons el tipus de cautxú (per exemple, compost de la banda de rodament dels pneumàtics, segellador). Per exemple, els compostos de la banda de rodament solen seleccionar sílice amb una superfície específica elevada, estructura mitjana, poques impureses i es combinen amb un tractament d'agent d'acoblament de silà per maximitzar la resistència a l'abrasió.
Data de publicació: 22 de juliol de 2025