อิทธิพลของคุณสมบัติต่างๆ ของซิลิกาตกตะกอนต่อความต้านทานการสึกหรอของยาง

ซิลิกาตกตะกอนฟิลเลอร์เป็นสารเสริมแรงที่สำคัญในอุตสาหกรรมยาง คุณสมบัติต่างๆ ของฟิลเลอร์ส่งผลกระทบต่อความต้านทานการสึกหรอของยางทั้งทางตรงและทางอ้อม โดยมีอิทธิพลต่อปฏิกิริยาระหว่างฟิลเลอร์กับเนื้อยาง การกระจายตัว และคุณสมบัติทางกลของยาง ด้านล่างนี้ เราจะวิเคราะห์กลไกการส่งผลต่อความต้านทานการสึกหรอของยางโดยละเอียด โดยเริ่มจากคุณสมบัติหลักๆ:

1. พื้นที่ผิวจำเพาะ (BET)

พื้นที่ผิวจำเพาะเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลักที่สุดของซิลิกา ซึ่งสะท้อนโดยตรงถึงพื้นที่สัมผัสกับยางและความสามารถในการเสริมแรง ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความต้านทานการสึกหรอ

(1) อิทธิพลเชิงบวก: ภายในช่วงที่กำหนด การเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะ (เช่น จาก 100 ตร.ม./กรัม เป็น 200 ตร.ม./กรัม) จะเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างซิลิกาและเมทริกซ์ยาง ซึ่งสามารถเพิ่มความแข็งแรงของการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวผ่าน “ผลการยึดเกาะ” ปรับปรุงความต้านทานต่อการเสียรูปและผลการเสริมแรงของยาง ในขณะนี้ ความแข็ง ความแข็งแรงดึง และความแข็งแรงฉีกขาดของยางจะเพิ่มขึ้น ในระหว่างการสึกหรอ ยางจะหลุดลอกน้อยลงเนื่องจากความเครียดเฉพาะที่มากเกินไป ส่งผลให้ความต้านทานต่อการเสียดสีดีขึ้นอย่างมาก

(2) ผลกระทบเชิงลบ: หากพื้นที่ผิวจำเพาะมีขนาดใหญ่เกินไป (เช่น เกิน 250 ตร.ม./กรัม) แรงแวนเดอร์วาลส์และพันธะไฮโดรเจนระหว่างอนุภาคซิลิกาจะแข็งแรงขึ้น ทำให้เกิดการรวมตัวกันได้ง่าย (โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากไม่มีการปรับสภาพพื้นผิว) ส่งผลให้ความสามารถในการกระจายตัวลดลงอย่างมาก กลุ่มก้อนเหล่านี้ก่อให้เกิด "จุดรวมความเค้น" ภายในยาง ในระหว่างการสึกหรอ การแตกหักมักจะเกิดขึ้นรอบๆ กลุ่มก้อนเหล่านี้ ทำให้ความต้านทานต่อการเสียดสีลดลง

สรุป: มีช่วงพื้นที่ผิวจำเพาะที่เหมาะสมที่สุด (โดยทั่วไป 150-220 ตารางเมตร/กรัม ซึ่งแตกต่างกันไปตามชนิดของยาง) ที่ทำให้การกระจายตัวและผลเสริมแรงมีความสมดุล ส่งผลให้มีความต้านทานการสึกหรอที่ดีที่สุด

2. ขนาดอนุภาคและการกระจายขนาดอนุภาค

ขนาดอนุภาคหลัก (หรือขนาดของกลุ่มอนุภาค) และการกระจายตัวของซิลิกา ส่งผลต่อความต้านทานการสึกหรอโดยอ้อม โดยมีอิทธิพลต่อความสม่ำเสมอของการกระจายตัวและการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิว

(1) ขนาดอนุภาค: ขนาดอนุภาคที่เล็กกว่า (โดยปกติจะมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับพื้นที่ผิวจำเพาะ) จะสอดคล้องกับพื้นที่ผิวจำเพาะที่ใหญ่กว่าและผลการเสริมแรงที่แข็งแกร่งกว่า (ดังที่กล่าวมาข้างต้น) อย่างไรก็ตาม ขนาดอนุภาคที่เล็กเกินไป (เช่น ขนาดอนุภาคหลัก < 10 นาโนเมตร) จะเพิ่มพลังงานการรวมตัวระหว่างอนุภาคอย่างมาก ทำให้การกระจายตัวทำได้ยากขึ้นอย่างมาก ซึ่งจะนำไปสู่ข้อบกพร่องเฉพาะที่ ลดความต้านทานต่อการสึกหรอ

(2) การกระจายขนาดอนุภาค: ซิลิกาที่มีการกระจายขนาดอนุภาคแคบจะกระจายตัวในยางได้สม่ำเสมอกว่า หลีกเลี่ยง “จุดอ่อน” ที่เกิดจากอนุภาคขนาดใหญ่ (หรือกลุ่มก้อน) หากการกระจายตัวกว้างเกินไป (เช่น มีอนุภาคทั้งขนาด 10 นาโนเมตรและมากกว่า 100 นาโนเมตร) อนุภาคขนาดใหญ่จะกลายเป็นจุดเริ่มต้นของการสึกหรอ (สึกหรอได้ง่ายกว่าในระหว่างการเสียดสี) ทำให้ความต้านทานต่อการสึกหรอลดลง

สรุป: ซิลิกาที่มีขนาดอนุภาคเล็ก (ตรงกับพื้นที่ผิวจำเพาะที่เหมาะสม) และมีการกระจายตัวแคบ จะมีประโยชน์มากกว่าในการเพิ่มความต้านทานต่อการสึกหรอ

3.โครงสร้าง (ค่าการดูดกลืนแสงของ DBP)

โครงสร้างสะท้อนถึงความซับซ้อนของการแตกแขนงของกลุ่มซิลิกา (ซึ่งวัดได้จากค่าการดูดซับ DBP โดยค่าที่สูงขึ้นแสดงถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น) โครงสร้างนี้ส่งผลต่อโครงสร้างเครือข่ายและความต้านทานต่อการเสียรูปของยาง

(1) อิทธิพลเชิงบวก: ซิลิกาที่มีโครงสร้างสูงจะก่อตัวเป็นกลุ่มกิ่งก้านสามมิติ ทำให้เกิด "โครงข่ายโครงกระดูก" ที่หนาแน่นขึ้นภายในยาง ซึ่งช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและความต้านทานต่อการเสียรูปถาวรของยาง ในระหว่างการเสียดสี โครงข่ายนี้สามารถลดแรงกระแทกจากภายนอก ลดการสึกหรอจากความล้าที่เกิดจากการเสียรูปซ้ำๆ จึงช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเสียดสี

(2) ผลกระทบเชิงลบ: โครงสร้างที่สูงเกินไป (การดูดซับ DBP > 300 มล./100 กรัม) ทำให้เกิดการพันกันระหว่างกลุ่มซิลิกาได้ง่าย ส่งผลให้ความหนืดของมูนีย์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในระหว่างการผสมยาง ความสามารถในการไหลในการแปรรูปไม่ดี และการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ บริเวณที่มีโครงสร้างหนาแน่นเกินไปจะเกิดการสึกหรอเร็วขึ้นเนื่องจากความเข้มข้นของความเค้น ซึ่งในทางกลับกันจะลดความต้านทานต่อการขัดถู

สรุป: โครงสร้างระดับปานกลาง (การดูดซับ DBP 200-250 มล./100 กรัม) เหมาะสมกว่าในการสร้างสมดุลระหว่างความสามารถในการแปรรูปและความทนทานต่อการสึกหรอ

4.ปริมาณไฮดรอกซิลบนพื้นผิว (Si-OH)

หมู่ซิลาโนล (Si-OH) บนพื้นผิวซิลิกาเป็นกุญแจสำคัญในการส่งผลต่อความเข้ากันได้กับยาง โดยส่งผลต่อความต้านทานการสึกหรอทางอ้อมผ่านความแข็งแรงของการยึดเกาะระหว่างพื้นผิว

(1) ไม่ผ่านการบำบัด: ปริมาณไฮดรอกซิลที่สูงเกินไป (> 5 กลุ่ม/nm²) ทำให้เกิดการจับตัวเป็นก้อนระหว่างอนุภาคได้ง่ายผ่านพันธะไฮโดรเจน ส่งผลให้การกระจายตัวไม่ดี ในขณะเดียวกัน กลุ่มไฮดรอกซิลก็เข้ากันได้ไม่ดีกับโมเลกุลของยาง (ส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว) ทำให้เกิดการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวที่อ่อนแอ ในระหว่างการสึกหรอ ซิลิกาจะมีแนวโน้มที่จะหลุดออกจากยาง ทำให้ความต้านทานต่อการเสียดสีลดลง

(2) การบำบัดด้วยสารเชื่อมประสานซิเลน: สารเชื่อมประสาน (เช่น Si69) ทำปฏิกิริยากับหมู่ไฮดรอกซิล ลดการรวมตัวของอนุภาคระหว่างกัน และนำหมู่ที่เข้ากันได้กับยาง (เช่น หมู่เมอร์แคปโต) เข้ามา ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของการยึดเกาะระหว่างพื้นผิว ณ จุดนี้ จะเกิด "การยึดเกาะทางเคมี" ระหว่างซิลิกาและยาง การถ่ายโอนแรงเค้นจะสม่ำเสมอมากขึ้น และโอกาสที่จะเกิดการหลุดลอกของพื้นผิวระหว่างการสึกหรอจะลดลงอย่างมาก ทำให้ความต้านทานต่อการขัดถูดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

สรุป: ปริมาณไฮดรอกซิลควรอยู่ในระดับปานกลาง (3-5 กลุ่ม/นาโนเมตร²) และต้องใช้ร่วมกับการบำบัดด้วยสารเชื่อมประสานซิเลนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวและปรับปรุงความต้านทานต่อการสึกหรอให้สูงสุด

5. ค่า pH

ค่า pH ของซิลิกา (โดยทั่วไปอยู่ที่ 6.0-8.0) ส่งผลต่อความต้านทานการสึกหรอโดยอ้อมเป็นหลัก โดยมีอิทธิพลต่อระบบการวัลคาไนซ์ของยาง

(1) ความเป็นกรดมากเกินไป (pH < 6.0): ยับยั้งการทำงานของสารเร่งการวัลคาไนเซชัน ทำให้การวัลคาไนเซชันช้าลง และอาจนำไปสู่การวัลคาไนเซชันไม่สมบูรณ์และความหนาแน่นของการเชื่อมโยงในยางไม่เพียงพอ ยางที่มีความหนาแน่นของการเชื่อมโยงต่ำจะมีคุณสมบัติทางกลลดลง (เช่น ความแข็งแรงดึง ความแข็ง) ในระหว่างการสึกหรอ ยางชนิดนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดการเสียรูปพลาสติกและการสูญเสียวัสดุ ส่งผลให้ความต้านทานต่อการเสียดสีต่ำ

(2) ความเป็นด่างมากเกินไป (pH > 8.0): อาจเร่งการวัลคาไนเซชัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสารเร่งปฏิกิริยาไทอะโซล) ทำให้เกิดการวัลคาไนเซชันเริ่มต้นเร็วเกินไปและการเชื่อมโยงที่ไม่สม่ำเสมอ (การเชื่อมโยงมากเกินไปหรือน้อยเกินไปในบางจุด) บริเวณที่มีการเชื่อมโยงมากเกินไปจะเปราะ บริเวณที่มีการเชื่อมโยงน้อยเกินไปจะมีความแข็งแรงต่ำ ทั้งสองอย่างจะลดความต้านทานต่อการสึกหรอ

สรุป: ค่า pH ที่เป็นกลางถึงเป็นกรดเล็กน้อย (pH 5.0-7.0) เหมาะสมที่สุดสำหรับการวัลคาไนซ์ที่สม่ำเสมอ ช่วยให้คุณสมบัติทางกลของยางดีขึ้น และเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอ

6.ปริมาณสารปนเปื้อน

สิ่งเจือปนในซิลิกา (เช่น ไอออนโลหะอย่าง Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ หรือเกลือที่ยังไม่ทำปฏิกิริยา) สามารถลดความต้านทานการสึกหรอได้โดยการทำลายโครงสร้างของยางหรือรบกวนกระบวนการวัลคาไนเซชัน

(1) ไอออนโลหะ: ไอออนโลหะทรานซิชัน เช่น Fe³⁺ เร่งปฏิกิริยาการเสื่อมสภาพออกซิเดชันของยาง ทำให้การแตกตัวของโซ่โมเลกุลยางเร็วขึ้น ส่งผลให้คุณสมบัติเชิงกลของวัสดุเสื่อมลงเมื่อเวลาผ่านไป ลดความต้านทานต่อการสึกหรอ Ca²⁺ และ Mg²⁺ อาจทำปฏิกิริยากับสารวัลคาไนซ์ในยาง รบกวนกระบวนการวัลคาไนซ์และลดความหนาแน่นของการเชื่อมโยง

(2) เกลือที่ละลายได้: ปริมาณเกลือเจือปนที่สูงเกินไป (เช่น Na₂SO₄) จะเพิ่มความสามารถในการดูดความชื้นของซิลิกา ทำให้เกิดฟองอากาศในระหว่างกระบวนการผลิตยาง ฟองอากาศเหล่านี้สร้างข้อบกพร่องภายใน ในระหว่างการสึกหรอ ความเสียหายมักจะเริ่มต้นที่บริเวณข้อบกพร่องเหล่านี้ ทำให้ความต้านทานต่อการเสียดสีลดลง

สรุป: ต้องควบคุมปริมาณสิ่งเจือปนอย่างเข้มงวด (เช่น Fe³⁺ < 1000 ppm) เพื่อลดผลกระทบเชิงลบต่อประสิทธิภาพของยางให้น้อยที่สุด

โดยสรุป อิทธิพลของซิลิกาตกตะกอนความต้านทานการสึกหรอของยางเกิดจากผลเสริมฤทธิ์กันของหลายคุณสมบัติ: พื้นที่ผิวจำเพาะและขนาดอนุภาคกำหนดความสามารถในการเสริมแรงพื้นฐาน โครงสร้างส่งผลต่อความเสถียรของเครือข่ายยาง หมู่ไฮดรอกซิลบนพื้นผิวและค่า pH ควบคุมการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวและความสม่ำเสมอของการวัลคาไนซ์ ในขณะที่สิ่งเจือปนจะลดประสิทธิภาพโดยการทำลายโครงสร้าง ในการใช้งานจริง การผสมผสานของคุณสมบัติจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมตามประเภทของยาง (เช่น สารประกอบดอกยางรถยนต์ สารเคลือบหลุมร่องฟัน) ตัวอย่างเช่น สารประกอบดอกยางรถยนต์มักเลือกใช้ซิลิกาที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง โครงสร้างปานกลาง สิ่งเจือปนต่ำ และผสมผสานกับการบำบัดด้วยสารเชื่อมประสานซิเลนเพื่อเพิ่มความต้านทานการสึกหรอให้สูงสุด