રબર ઘર્ષણ પ્રતિકાર પર અવક્ષેપિત સિલિકાના વિવિધ ગુણધર્મોનો પ્રભાવ

અવક્ષેપિત સિલિકારબર ઉદ્યોગમાં એક મહત્વપૂર્ણ રિઇન્ફોર્સિંગ ફિલર છે. તેના વિવિધ ગુણધર્મો રબર મેટ્રિક્સ, વિક્ષેપ અને રબરના યાંત્રિક ગુણધર્મો સાથે ઇન્ટરફેસિયલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને પ્રભાવિત કરીને રબરના ઘર્ષણ પ્રતિકારને પરોક્ષ અથવા સીધી અસર કરે છે. નીચે, મુખ્ય ગુણધર્મોથી શરૂ કરીને, અમે રબર ઘર્ષણ પ્રતિકાર પર તેમની અસરની પદ્ધતિઓનું વિગતવાર વિશ્લેષણ કરીએ છીએ:

૧. ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર (BET)

ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર સિલિકાના મુખ્ય ગુણધર્મોમાંનો એક છે, જે તેના સંપર્ક વિસ્તારને રબર અને મજબૂતીકરણ ક્ષમતા સાથે સીધું પ્રતિબિંબિત કરે છે, જે ઘર્ષણ પ્રતિકાર પર નોંધપાત્ર અસર કરે છે.

(1) સકારાત્મક પ્રભાવ: ચોક્કસ શ્રેણીમાં, ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર (દા.ત., 100 m²/g થી 200 m²/g સુધી) વધારવાથી સિલિકા અને રબર મેટ્રિક્સ વચ્ચેના ઇન્ટરફેસિયલ સંપર્ક વિસ્તાર વધે છે. આ "એન્કરિંગ ઇફેક્ટ" દ્વારા ઇન્ટરફેસિયલ બોન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થને વધારી શકે છે, જેનાથી રબરનો વિકૃતિ અને મજબૂતીકરણ સામે પ્રતિકાર વધે છે. આ બિંદુએ, રબરની કઠિનતા, તાણ શક્તિ અને આંસુ શક્તિ વધે છે. ઘસારો દરમિયાન, વધુ પડતા સ્થાનિક તાણને કારણે તે સામગ્રીના ટુકડા માટે ઓછું સંવેદનશીલ હોય છે, જેના કારણે ઘર્ષણ પ્રતિકારમાં નોંધપાત્ર સુધારો થાય છે.

(2) નકારાત્મક પ્રભાવ: જો ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર ખૂબ મોટો હોય (દા.ત., 250 ચોરસ મીટર/ગ્રામથી વધુ), તો સિલિકા કણો વચ્ચે વાન ડેર વાલ્સ બળો અને હાઇડ્રોજન બંધન મજબૂત બને છે, જેનાથી સરળતાથી એકત્રીકરણ થાય છે (ખાસ કરીને સપાટીની સારવાર વિના), જેના કારણે વિખેરાઈ જવાની ક્ષમતામાં તીવ્ર ઘટાડો થાય છે. એગ્લોમેરેટ્સ રબરની અંદર "તાણ સાંદ્રતા બિંદુઓ" બનાવે છે. ઘસારો દરમિયાન, ફ્રેક્ચર પ્રાધાન્યમાં એગ્લોમેરેટ્સ આસપાસ થાય છે, તેનાથી વિપરીત ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઘટાડે છે.

નિષ્કર્ષ: એક શ્રેષ્ઠ ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર શ્રેણી (સામાન્ય રીતે 150-220 m²/g, રબરના પ્રકાર સાથે બદલાય છે) અસ્તિત્વમાં છે જ્યાં વિક્ષેપનક્ષમતા અને મજબૂતીકરણ અસર સંતુલિત હોય છે, જેના પરિણામે શ્રેષ્ઠ ઘર્ષણ પ્રતિકાર થાય છે.

2. કણ કદ અને કદ વિતરણ

સિલિકાના પ્રાથમિક કણોનું કદ (અથવા એકંદર કદ) અને વિતરણ પરોક્ષ રીતે વિક્ષેપ એકરૂપતા અને આંતરચહેરાની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને પ્રભાવિત કરીને ઘર્ષણ પ્રતિકારને અસર કરે છે.

(૧) કણોનું કદ: નાના કણોના કદ (સામાન્ય રીતે ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર સાથે હકારાત્મક રીતે સંકળાયેલા) મોટા ચોક્કસ સપાટી વિસ્તારો અને મજબૂત મજબૂતીકરણ અસરો (ઉપર મુજબ) ને અનુરૂપ છે. જોકે, અતિશય નાના કણોના કદ (દા.ત., પ્રાથમિક કણોનું કદ < 10 nm) કણો વચ્ચેના સંચય ઊર્જામાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે, જેનાથી વિખેરવાની મુશ્કેલીમાં ભારે વધારો થાય છે. આનાથી સ્થાનિક ખામીઓ થાય છે, જેનાથી ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઓછો થાય છે.

(2) કણોના કદનું વિતરણ: સાંકડી કણોના કદનું વિતરણ ધરાવતું સિલિકા રબરમાં વધુ સમાન રીતે વિખેરાય છે, મોટા કણો (અથવા સમૂહ) દ્વારા રચાયેલા "નબળા બિંદુઓ" ને ટાળે છે. જો વિતરણ ખૂબ વ્યાપક હોય (દા.ત., 10 nm અને 100 nm થી વધુ બંનેના કણો ધરાવતા હોય), તો મોટા કણો ઘસારાના પ્રારંભિક બિંદુઓ બની જાય છે (પ્રાધાન્યમાં ઘસારો દરમિયાન ઘસાઈ જાય છે), જેના કારણે ઘર્ષણ પ્રતિકારમાં ઘટાડો થાય છે.

નિષ્કર્ષ: નાના કણોનું કદ (શ્રેષ્ઠ ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર સાથે મેળ ખાતું) અને સાંકડી વિતરણ ધરાવતું સિલિકા ઘર્ષણ પ્રતિકાર વધારવા માટે વધુ ફાયદાકારક છે.

૩. માળખું (DBP શોષણ મૂલ્ય)

રચના સિલિકા સમૂહોની શાખાયુક્ત જટિલતાને પ્રતિબિંબિત કરે છે (જે DBP શોષણ મૂલ્ય દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે; ઉચ્ચ મૂલ્ય ઉચ્ચ માળખું સૂચવે છે). તે રબરના નેટવર્ક માળખા અને વિકૃતિ સામે પ્રતિકારને અસર કરે છે.

(૧) સકારાત્મક પ્રભાવ: ઉચ્ચ રચના ધરાવતું સિલિકા ત્રિ-પરિમાણીય શાખાવાળા સમૂહ બનાવે છે, જે રબરની અંદર એક ગાઢ "હાડકાનું નેટવર્ક" બનાવે છે. આ રબરની સ્થિતિસ્થાપકતા અને સંકોચન સમૂહ સામે પ્રતિકાર વધારે છે. ઘર્ષણ દરમિયાન, આ નેટવર્ક બાહ્ય પ્રભાવ બળોને બફર કરી શકે છે, વારંવાર વિકૃતિને કારણે થાકના ઘસારાને ઘટાડે છે, જેનાથી ઘર્ષણ પ્રતિકારમાં સુધારો થાય છે.

(2) નકારાત્મક પ્રભાવ: અતિશય ઊંચી રચના (DBP શોષણ > 300 mL/100g) સિલિકા સમૂહો વચ્ચે સરળતાથી ગૂંચવણનું કારણ બને છે. આનાથી રબરના મિશ્રણ દરમિયાન મૂની સ્નિગ્ધતામાં તીવ્ર વધારો થાય છે, પ્રક્રિયા કરવાની ક્ષમતા નબળી હોય છે અને અસમાન વિક્ષેપ થાય છે. સ્થાનિક રીતે વધુ પડતી ગાઢ રચનાઓ ધરાવતા વિસ્તારોમાં તાણ સાંદ્રતાને કારણે ઝડપી ઘસારો અનુભવાશે, તેનાથી વિપરીત ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઓછો થશે.

નિષ્કર્ષ: મધ્યમ રચના (DBP શોષણ 200-250 mL/100g) પ્રક્રિયાક્ષમતા અને ઘર્ષણ પ્રતિકારને સંતુલિત કરવા માટે વધુ યોગ્ય છે.

૪. સપાટી હાઇડ્રોક્સિલ સામગ્રી (Si-OH)

સિલિકા સપાટી પરના સિલેનોલ જૂથો (Si-OH) રબર સાથે તેની સુસંગતતાને પ્રભાવિત કરવા માટે ચાવીરૂપ છે, જે ઇન્ટરફેસિયલ બોન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ દ્વારા ઘર્ષણ પ્રતિકારને પરોક્ષ રીતે અસર કરે છે.

(૧) સારવાર ન કરાયેલ: અતિશય ઉચ્ચ હાઇડ્રોક્સિલ સામગ્રી (> ૫ જૂથો/nm²) સરળતાથી હાઇડ્રોજન બંધન દ્વારા કણો વચ્ચે સખત સંચય તરફ દોરી જાય છે, જેના પરિણામે નબળા વિક્ષેપ થાય છે. તે જ સમયે, હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો રબરના અણુઓ (મોટાભાગે બિન-ધ્રુવીય) સાથે નબળી સુસંગતતા ધરાવે છે, જેના કારણે નબળા ઇન્ટરફેસિયલ બંધન થાય છે. ઘસારો દરમિયાન, સિલિકા રબરથી અલગ થવાની સંભાવના ધરાવે છે, જે ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઘટાડે છે.

(2) સિલેન કપલિંગ એજન્ટ સાથે સારવાર: કપલિંગ એજન્ટો (દા.ત., Si69) હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે, આંતર-કણોના સમૂહને ઘટાડે છે અને રબર (દા.ત., મર્કેપ્ટો જૂથો) સાથે સુસંગત જૂથો રજૂ કરે છે, ઇન્ટરફેસિયલ બોન્ડિંગ સ્ટ્રેન્થ વધારે છે. આ બિંદુએ, સિલિકા અને રબર વચ્ચે "રાસાયણિક એન્કરિંગ" રચાય છે. તણાવ ટ્રાન્સફર એકસમાન બને છે, અને ઘસારો દરમિયાન ઇન્ટરફેસિયલ પીલિંગની શક્યતા ઓછી થાય છે, જે ઘર્ષણ પ્રતિકારમાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે.

નિષ્કર્ષ: હાઇડ્રોક્સિલનું પ્રમાણ મધ્યમ (3-5 જૂથો/nm²) હોવું જોઈએ, અને ઇન્ટરફેસિયલ બોન્ડિંગને મહત્તમ કરવા અને ઘર્ષણ પ્રતિકાર સુધારવા માટે તેને સિલેન કપલિંગ એજન્ટ ટ્રીટમેન્ટ સાથે જોડવું આવશ્યક છે.

5.pH મૂલ્ય

સિલિકાનું pH મૂલ્ય (સામાન્ય રીતે 6.0-8.0) મુખ્યત્વે રબર વલ્કેનાઈઝેશન સિસ્ટમને પ્રભાવિત કરીને ઘર્ષણ પ્રતિકારને પરોક્ષ રીતે અસર કરે છે.

(૧) અતિશય એસિડિક (pH < 6.0): વલ્કેનાઇઝેશન એક્સિલરેટર્સની પ્રવૃત્તિને અટકાવે છે, વલ્કેનાઇઝેશન દરમાં વિલંબ કરે છે, અને રબરમાં અપૂર્ણ વલ્કેનાઇઝેશન અને અપૂરતી ક્રોસલિંક ઘનતા તરફ દોરી શકે છે. ઓછી ક્રોસલિંક ઘનતાવાળા રબરમાં યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં ઘટાડો થયો છે (દા.ત., તાણ શક્તિ, કઠિનતા). ઘસારો દરમિયાન, તે પ્લાસ્ટિક વિકૃતિ અને સામગ્રીના નુકસાન માટે સંવેદનશીલ હોય છે, જેના પરિણામે ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઓછો થાય છે.

(2) અતિશય આલ્કલાઇન (pH > 8.0): વલ્કેનાઇઝેશનને વેગ આપી શકે છે (ખાસ કરીને થિયાઝોલ એક્સિલરેટર માટે), જેના કારણે પ્રારંભિક વલ્કેનાઇઝેશન ખૂબ ઝડપી બને છે અને અસમાન ક્રોસલિંકિંગ (સ્થાનિક ઓવર-ક્રોસલિંકિંગ અથવા અંડર-ક્રોસલિંકિંગ) થાય છે. ઓવર-ક્રોસલિંક્ડ વિસ્તારો બરડ બની જાય છે, અંડર-ક્રોસલિંક્ડ વિસ્તારોમાં ઓછી શક્તિ હોય છે; બંને ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઘટાડશે.

નિષ્કર્ષ: તટસ્થ થી સહેજ એસિડિક (pH 5.0-7.0) એકસમાન વલ્કેનાઈઝેશન માટે વધુ અનુકૂળ છે, જે રબરના યાંત્રિક ગુણધર્મોને સુનિશ્ચિત કરે છે અને ઘર્ષણ પ્રતિકાર સુધારે છે.

૬. અશુદ્ધતા સામગ્રી

સિલિકામાં રહેલી અશુદ્ધિઓ (જેમ કે Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ જેવા ધાતુના આયનો, અથવા પ્રતિક્રિયા ન કરાયેલા ક્ષાર) રબરના બંધારણને નુકસાન પહોંચાડીને અથવા વલ્કેનાઇઝેશનમાં દખલ કરીને ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઘટાડી શકે છે.

(૧) ધાતુ આયનો: Fe³⁺ જેવા સંક્રમણ ધાતુ આયનો રબરના ઓક્સિડેટીવ વૃદ્ધત્વને ઉત્પ્રેરિત કરે છે, રબરના પરમાણુ સાંકળના વિભાજનને વેગ આપે છે. આ સમય જતાં સામગ્રીના યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં ક્ષતિ તરફ દોરી જાય છે, ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઘટાડે છે. Ca²⁺, Mg²⁺ રબરમાં વલ્કેનાઇઝિંગ એજન્ટો સાથે પ્રતિક્રિયા આપી શકે છે, વલ્કેનાઇઝેશનમાં દખલ કરી શકે છે અને ક્રોસલિંક ઘનતા ઘટાડી શકે છે.

(૨) દ્રાવ્ય ક્ષાર: અશુદ્ધ ક્ષાર (દા.ત., Na₂SO₄) નું અતિશય પ્રમાણ સિલિકાની હાઇગ્રોસ્કોપીસીટીમાં વધારો કરે છે, જેના કારણે રબર પ્રક્રિયા દરમિયાન પરપોટા બને છે. આ પરપોટા આંતરિક ખામીઓ બનાવે છે; ઘસારો દરમિયાન, આ ખામી સ્થળોએ નિષ્ફળતા શરૂ થાય છે, જેનાથી ઘર્ષણ પ્રતિકાર ઓછો થાય છે.

નિષ્કર્ષ: રબરની કામગીરી પર નકારાત્મક અસરો ઘટાડવા માટે અશુદ્ધિઓનું પ્રમાણ કડક રીતે નિયંત્રિત કરવું જોઈએ (દા.ત., Fe³⁺ < 1000 ppm).

સારાંશમાં, નો પ્રભાવઅવક્ષેપિત સિલિકારબર ઘર્ષણ પ્રતિકાર પર બહુવિધ ગુણધર્મોના સિનર્જિસ્ટિક અસરનું પરિણામ છે: ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર અને કણોનું કદ મૂળભૂત મજબૂતીકરણ ક્ષમતા નક્કી કરે છે; માળખું રબર નેટવર્કની સ્થિરતાને અસર કરે છે; સપાટી હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો અને pH ઇન્ટરફેસિયલ બોન્ડિંગ અને વલ્કેનાઇઝેશન એકરૂપતાને નિયંત્રિત કરે છે; જ્યારે અશુદ્ધિઓ માળખાને નુકસાન પહોંચાડીને કામગીરીને ઘટાડે છે. વ્યવહારુ એપ્લિકેશનોમાં, ગુણધર્મોનું સંયોજન રબરના પ્રકાર (દા.ત., ટાયર ટ્રેડ કમ્પાઉન્ડ, સીલંટ) અનુસાર ઑપ્ટિમાઇઝ કરવું આવશ્યક છે. ઉદાહરણ તરીકે, ટ્રેડ કમ્પાઉન્ડ સામાન્ય રીતે ઉચ્ચ ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર, મધ્યમ માળખું, ઓછી અશુદ્ધિઓ સાથે સિલિકા પસંદ કરે છે અને ઘર્ષણ પ્રતિકારને મહત્તમ કરવા માટે સિલેન કપલિંગ એજન્ટ ટ્રીટમેન્ટ સાથે જોડાય છે.