अवक्षेपित सिलिकाच्या विविध गुणधर्मांचा रबर घर्षण प्रतिकारावर प्रभाव

अवक्षेपित सिलिकारबर उद्योगात हे एक महत्त्वाचे रीइन्फोर्सिंग फिलर आहे. त्याचे विविध गुणधर्म रबर मॅट्रिक्स, फैलाव आणि रबरच्या यांत्रिक गुणधर्मांशी इंटरफेसियल परस्परसंवादावर प्रभाव टाकून रबरच्या घर्षण प्रतिकारशक्तीवर अप्रत्यक्ष किंवा थेट परिणाम करतात. खाली, मुख्य गुणधर्मांपासून सुरुवात करून, आम्ही रबर घर्षण प्रतिकारशक्तीवर त्यांच्या प्रभावाच्या यंत्रणेचे तपशीलवार विश्लेषण करतो:

१. विशिष्ट पृष्ठभाग क्षेत्र (BET)

विशिष्ट पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ हे सिलिकाच्या सर्वात मुख्य गुणधर्मांपैकी एक आहे, जे रबर आणि मजबुतीकरण क्षमतेसह त्याच्या संपर्क क्षेत्राचे थेट प्रतिबिंबित करते, ज्यामुळे घर्षण प्रतिकारशक्तीवर लक्षणीय परिणाम होतो.

(१) सकारात्मक प्रभाव: एका विशिष्ट श्रेणीत, विशिष्ट पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ (उदा. १०० चौरस मीटर/ग्रॅम ते २०० चौरस मीटर/ग्रॅम) वाढवल्याने सिलिका आणि रबर मॅट्रिक्समधील इंटरफेसियल संपर्क क्षेत्र वाढते. हे "अँकरिंग इफेक्ट" द्वारे इंटरफेसियल बाँडिंग स्ट्रेंथ वाढवू शकते, ज्यामुळे रबरचा विकृतीला प्रतिकार आणि मजबुतीकरण प्रभाव सुधारतो. या टप्प्यावर, रबराची कडकपणा, तन्यता शक्ती आणि फाडण्याची शक्ती वाढते. झीज दरम्यान, जास्त स्थानिक ताणामुळे ते मटेरियल डिटॅचमेंटला कमी प्रवण असते, ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोधनात लक्षणीय सुधारणा होते.

(२) नकारात्मक प्रभाव: जर विशिष्ट पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ खूप मोठे असेल (उदा., २५० चौरस मीटर/ग्रॅमपेक्षा जास्त), तर व्हॅन डेर वाल्स फोर्स आणि सिलिका कणांमधील हायड्रोजन बंध मजबूत होतात, ज्यामुळे सहजपणे एकत्रीकरण होते (विशेषतः पृष्ठभागावरील उपचारांशिवाय), ज्यामुळे विखुरण्याची क्षमता कमी होते. अ‍ॅग्लोमेरेट्स रबरमध्ये "स्ट्रेस कॉन्सन्ट्रेसन पॉइंट्स" तयार करतात. झीज दरम्यान, अ‍ॅग्लोमेरेट्सभोवती फ्रॅक्चर होण्याची शक्यता जास्त असते, उलट घर्षण प्रतिरोध कमी होतो.

निष्कर्ष: एक विशिष्ट पृष्ठभाग क्षेत्रफळ श्रेणी (सामान्यत: १५०-२२० चौरस मीटर/ग्रॅम, रबर प्रकारानुसार बदलते) अस्तित्वात आहे जिथे विखुरणे आणि मजबुतीकरण प्रभाव संतुलित असतो, ज्यामुळे इष्टतम घर्षण प्रतिकार होतो.

२. कण आकार आणि आकार वितरण

सिलिकाचा प्राथमिक कण आकार (किंवा एकत्रित आकार) आणि वितरण अप्रत्यक्षपणे विखुरलेल्या एकरूपतेवर आणि इंटरफेशियल परस्परसंवादावर परिणाम करून घर्षण प्रतिकारशक्तीवर परिणाम करते.

(१) कण आकार: लहान कण आकार (सामान्यतः विशिष्ट पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळाशी सकारात्मक संबंध असलेले) मोठ्या विशिष्ट पृष्ठभागाच्या क्षेत्रांशी आणि मजबूत मजबुतीकरण प्रभावांशी जुळतात (वरीलप्रमाणे). तथापि, अति लहान कण आकार (उदा., प्राथमिक कण आकार < १० एनएम) कणांमधील संचय ऊर्जा लक्षणीयरीत्या वाढवतात, ज्यामुळे विखुरण्याची अडचण मोठ्या प्रमाणात वाढते. यामुळे स्थानिक दोष निर्माण होतात, ज्यामुळे घर्षण प्रतिकार कमी होतो.

(२) कण आकार वितरण: अरुंद कण आकार वितरणासह सिलिका रबरमध्ये अधिक समान रीतीने पसरते, मोठ्या कणांनी (किंवा एकत्रितपणे) तयार केलेले "कमकुवत बिंदू" टाळते. जर वितरण खूप विस्तृत असेल (उदा., १० एनएम आणि १०० एनएमपेक्षा जास्त कण असलेले), तर मोठे कण वेअर इनिशिएशन पॉइंट्स बनतात (प्राधान्यतः घर्षण दरम्यान झिजतात), ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोध कमी होतो.

निष्कर्ष: लहान कण आकार (इष्टतम विशिष्ट पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळाशी जुळणारे) आणि अरुंद वितरण असलेले सिलिका घर्षण प्रतिकार वाढवण्यासाठी अधिक फायदेशीर आहे.

३.रचना (डीबीपी शोषण मूल्य)

रचना सिलिका समुच्चयांची शाखायुक्त जटिलता प्रतिबिंबित करते (DBP शोषण मूल्याद्वारे वैशिष्ट्यीकृत; उच्च मूल्य उच्च रचना दर्शवते). हे रबरच्या नेटवर्क संरचनेवर आणि विकृतीच्या प्रतिकारावर परिणाम करते.

(१) सकारात्मक प्रभाव: उच्च संरचनेसह सिलिका त्रिमितीय शाखायुक्त समुच्चय तयार करते, ज्यामुळे रबरमध्ये एक घनदाट "कंकाल नेटवर्क" तयार होते. यामुळे रबरची लवचिकता आणि कॉम्प्रेशन सेटला प्रतिकार वाढतो. घर्षण दरम्यान, हे नेटवर्क बाह्य प्रभाव शक्तींना बफर करू शकते, वारंवार विकृतीमुळे होणारा थकवा कमी करते, ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोध सुधारतो.

(२) नकारात्मक प्रभाव: जास्त प्रमाणात असलेली रचना (डीबीपी शोषण > ३०० मिली/१०० ग्रॅम) सिलिका समुच्चयांमध्ये सहजपणे गोंधळ निर्माण करते. यामुळे रबर मिक्सिंग दरम्यान मूनी स्निग्धता तीव्रतेने वाढते, प्रक्रिया करण्याची क्षमता कमी होते आणि असमान फैलाव होतो. स्थानिक पातळीवर जास्त दाट रचना असलेल्या भागात ताण एकाग्रतेमुळे जलद झीज होते, उलट घर्षण प्रतिकार कमी होतो.

निष्कर्ष: मध्यम रचना (डीबीपी शोषण २००-२५० मिली/१०० ग्रॅम) प्रक्रियाक्षमता आणि घर्षण प्रतिकार संतुलित करण्यासाठी अधिक योग्य आहे.

४. पृष्ठभागावरील हायड्रॉक्सिल सामग्री (Si-OH)

सिलिका पृष्ठभागावरील सिलेनॉल गट (Si-OH) रबराशी त्याच्या सुसंगततेवर प्रभाव पाडण्यासाठी महत्त्वाचे आहेत, इंटरफेशियल बाँडिंग स्ट्रेंथद्वारे अप्रत्यक्षपणे घर्षण प्रतिकारावर परिणाम करतात.

(१) उपचार न केलेले: अति उच्च हायड्रॉक्सिल सामग्री (> ५ गट/nm²) हायड्रोजन बाँडिंगद्वारे कणांमध्ये सहजपणे कठीण एकत्रीकरण करते, ज्यामुळे खराब विखुरणे होते. त्याच वेळी, हायड्रॉक्सिल गटांची रबर रेणूंशी (बहुतेक ध्रुवीय नसलेल्या) सुसंगतता कमी असते, ज्यामुळे कमकुवत इंटरफेशियल बाँडिंग होते. पोशाख दरम्यान, सिलिका रबरपासून वेगळे होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोध कमी होतो.

(२) सिलेन कपलिंग एजंटने उपचार केलेले: कपलिंग एजंट (उदा., Si69) हायड्रॉक्सिल गटांशी प्रतिक्रिया देतात, ज्यामुळे आंतर-कण एकत्रीकरण कमी होते आणि रबरशी सुसंगत गट (उदा., मर्कॅप्टो गट) सादर होतात, ज्यामुळे इंटरफेशियल बॉन्डिंग स्ट्रेंथ वाढते. या टप्प्यावर, सिलिका आणि रबरमध्ये "रासायनिक अँकरिंग" तयार होते. ताण हस्तांतरण एकसमान होते आणि झीज दरम्यान इंटरफेशियल सोलण्याची शक्यता कमी होते, ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोधक क्षमता लक्षणीयरीत्या सुधारते.

निष्कर्ष: हायड्रॉक्सिलचे प्रमाण मध्यम (३-५ गट/नॅनोमीटर) असणे आवश्यक आहे, आणि इंटरफेशियल बाँडिंग वाढवण्यासाठी आणि घर्षण प्रतिरोधकता सुधारण्यासाठी सायलेन कपलिंग एजंट ट्रीटमेंटसह एकत्र करणे आवश्यक आहे.

५.पीएच मूल्य

सिलिकाचे pH मूल्य (सामान्यत: 6.0-8.0) प्रामुख्याने रबर व्हल्कनायझेशन सिस्टमवर परिणाम करून घर्षण प्रतिकारशक्तीवर अप्रत्यक्षपणे परिणाम करते.

(१) जास्त आम्लयुक्त (pH < 6.0): व्हल्कनायझेशन प्रवेगकांच्या क्रियाकलापांना प्रतिबंधित करते, व्हल्कनायझेशन दराला विलंब करते आणि रबरमध्ये अपूर्ण व्हल्कनायझेशन आणि अपुरी क्रॉसलिंक घनता देखील होऊ शकते. कमी क्रॉसलिंक घनतेसह रबरमध्ये यांत्रिक गुणधर्म कमी होतात (उदा., तन्य शक्ती, कडकपणा). झीज दरम्यान, ते प्लास्टिक विकृतीकरण आणि सामग्रीचे नुकसान होण्याची शक्यता असते, परिणामी घर्षण प्रतिरोध कमी होतो.

(२) जास्त प्रमाणात अल्कलाइन (pH > ८.०): व्हल्कनायझेशनला गती देऊ शकते (विशेषतः थायाझोल अ‍ॅक्सिलरेटर्ससाठी), ज्यामुळे सुरुवातीचे व्हल्कनायझेशन खूप जलद होते आणि असमान क्रॉसलिंकिंग (स्थानिक ओव्हर-क्रॉसलिंकिंग किंवा अंडर-क्रॉसलिंकिंग) होते. ओव्हर-क्रॉसलिंकिंग क्षेत्रे ठिसूळ होतात, अंडर-क्रॉसलिंकिंग क्षेत्रांची ताकद कमी असते; दोन्ही घर्षण प्रतिरोधक क्षमता कमी करतील.

निष्कर्ष: तटस्थ ते किंचित आम्लयुक्त (पीएच ५.०-७.०) हे एकसमान व्हल्कनायझेशनसाठी अधिक अनुकूल आहे, ज्यामुळे रबराचे यांत्रिक गुणधर्म सुनिश्चित होतात आणि घर्षण प्रतिरोधक क्षमता सुधारते.

६. अशुद्धता सामग्री

सिलिकातील अशुद्धता (जसे की Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ सारखे धातूचे आयन किंवा अभिक्रिया न केलेले क्षार) रबराच्या संरचनेला नुकसान पोहोचवून किंवा व्हल्कनायझेशनमध्ये व्यत्यय आणून घर्षण प्रतिकार कमी करू शकतात.

(१) धातू आयन: Fe³⁺ सारखे संक्रमण धातू आयन रबराचे ऑक्सिडेटिव्ह वृद्धत्व उत्प्रेरित करतात, रबर आण्विक साखळी विच्छेदनाला गती देतात. यामुळे कालांतराने पदार्थाच्या यांत्रिक गुणधर्मांमध्ये क्षय होतो, ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोध कमी होतो. Ca²⁺, Mg²⁺ रबरमधील व्हल्कनायझिंग एजंट्सशी प्रतिक्रिया देऊ शकतात, व्हल्कनायझेशनमध्ये अडथळा आणू शकतात आणि क्रॉसलिंक घनता कमी करू शकतात.

(२) विद्राव्य क्षार: अशुद्ध क्षारांचे प्रमाण जास्त असल्याने (उदा., Na₂SO₄) सिलिकाची हायग्रोस्कोपिकिटी वाढते, ज्यामुळे रबर प्रक्रियेदरम्यान बुडबुडे तयार होतात. हे बुडबुडे अंतर्गत दोष निर्माण करतात; झीज दरम्यान, या दोष ठिकाणी बिघाड सुरू होतो, ज्यामुळे घर्षण प्रतिरोधक क्षमता कमी होते.

निष्कर्ष: रबरच्या कामगिरीवर नकारात्मक परिणाम कमी करण्यासाठी अशुद्धतेचे प्रमाण काटेकोरपणे नियंत्रित केले पाहिजे (उदा., Fe³⁺ < 1000 ppm).

थोडक्यात, याचा प्रभावअवक्षेपित सिलिकारबर घर्षण प्रतिकार हा अनेक गुणधर्मांच्या सहक्रियात्मक परिणामामुळे होतो: विशिष्ट पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि कण आकार मूलभूत मजबुतीकरण क्षमता निश्चित करतात; रचना रबर नेटवर्कच्या स्थिरतेवर परिणाम करते; पृष्ठभाग हायड्रॉक्सिल गट आणि pH इंटरफेशियल बाँडिंग आणि व्हल्कनायझेशन एकरूपतेचे नियमन करतात; तर अशुद्धता संरचनेला हानी पोहोचवून कामगिरी खराब करतात. व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये, गुणधर्मांचे संयोजन रबर प्रकारानुसार ऑप्टिमाइझ केले पाहिजे (उदा., टायर ट्रेड कंपाऊंड, सीलंट). उदाहरणार्थ, ट्रेड कंपाऊंड सामान्यत: उच्च विशिष्ट पृष्ठभाग क्षेत्रफळ, मध्यम रचना, कमी अशुद्धता असलेले सिलिका निवडतात आणि घर्षण प्रतिरोध जास्तीत जास्त करण्यासाठी सिलेन कपलिंग एजंट ट्रीटमेंटसह एकत्रित केले जातात.