تأثير الخصائص المختلفة للسيليكا المترسبة على مقاومة المطاط للتآكل

السيليكا المترسبةيُعدّ هذا المركب مادةً مالئةً مُقوّيةً هامةً في صناعة المطاط. وتؤثر خصائصه المتنوعة، بشكلٍ مباشرٍ أو غير مباشر، على مقاومة المطاط للتآكل، وذلك من خلال التأثير على التفاعل البيني مع مصفوفة المطاط، وتشتته، وخواصه الميكانيكية. فيما يلي، وانطلاقًا من الخصائص الرئيسية، نحلل بالتفصيل آليات تأثيرها على مقاومة المطاط للتآكل:

1. المساحة السطحية النوعية (BET)

تُعد مساحة السطح النوعية واحدة من أهم الخصائص الأساسية للسيليكا، حيث تعكس بشكل مباشر مساحة التلامس مع المطاط وقدرته على التقوية، مما يؤثر بشكل كبير على مقاومة التآكل.

(1) التأثير الإيجابي: ضمن نطاق معين، تؤدي زيادة مساحة السطح النوعية (مثلاً، من 100 م²/غ إلى 200 م²/غ) إلى زيادة مساحة التلامس بين السيليكا ومصفوفة المطاط. وهذا بدوره يعزز قوة الترابط بين السطحين من خلال "تأثير التثبيت"، مما يحسن مقاومة المطاط للتشوه ويعزز خصائصه. عند هذه النقطة، تزداد صلابة المطاط وقوة شده ومقاومته للتمزق. أثناء التآكل، يصبح أقل عرضة لانفصال المادة نتيجة الإجهاد الموضعي الزائد، مما يؤدي إلى تحسن ملحوظ في مقاومته للتآكل.

(2) التأثير السلبي: إذا كانت مساحة السطح النوعية كبيرة جدًا (مثلًا، تتجاوز 250 م²/غ)، فإن قوى فان دير فالس والروابط الهيدروجينية بين جزيئات السيليكا تزداد قوة، مما يؤدي بسهولة إلى التكتل (خاصةً بدون معالجة سطحية)، وبالتالي انخفاض حاد في قابلية التشتت. تُشكّل التكتلات "نقاط تركيز إجهاد" داخل المطاط. أثناء التآكل، يميل الكسر إلى الحدوث بشكل تفضيلي حول التكتلات، مما يقلل بدوره من مقاومة التآكل.

الخلاصة: يوجد نطاق مثالي لمساحة السطح النوعية (عادةً 150-220 م²/غ، ويختلف باختلاف نوع المطاط) حيث يتم تحقيق التوازن بين قابلية التشتت وتأثير التقوية، مما يؤدي إلى مقاومة مثالية للتآكل.

2. حجم الجسيمات وتوزيع حجمها

يؤثر حجم الجسيمات الأولية (أو حجم التجمعات) وتوزيع السيليكا بشكل غير مباشر على مقاومة التآكل من خلال التأثير على تجانس التشتت والتفاعل البيني.

(1) حجم الجسيمات: تتناسب أحجام الجسيمات الأصغر (والتي ترتبط عادةً ارتباطًا طرديًا بمساحة السطح النوعية) طرديًا مع مساحات السطح النوعية الأكبر وتأثيرات التقوية الأقوى (كما ذُكر سابقًا). مع ذلك، فإن أحجام الجسيمات الصغيرة جدًا (مثلًا، حجم الجسيمات الأولية أقل من 10 نانومتر) تزيد بشكل ملحوظ من طاقة التكتل بين الجسيمات، مما يزيد بشكل كبير من صعوبة التشتت. وهذا بدوره يؤدي إلى عيوب موضعية، مما يقلل من مقاومة التآكل.

(2) توزيع حجم الجسيمات: تتوزع السيليكا ذات التوزيع الضيق لحجم الجسيمات بشكل أكثر تجانسًا في المطاط، متجنبةً "نقاط الضعف" التي تُشكلها الجسيمات الكبيرة (أو التكتلات). أما إذا كان التوزيع واسعًا جدًا (على سبيل المثال، يحتوي على جسيمات بحجم 10 نانومتر وأخرى أكبر من 100 نانومتر)، فإن الجسيمات الكبيرة تُصبح نقاط بدء التآكل (تتآكل بشكل تفضيلي أثناء الاحتكاك)، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة التآكل.

الخلاصة: السيليكا ذات حجم الجسيمات الصغير (التي تتطابق مع مساحة السطح النوعية المثلى) والتوزيع الضيق أكثر فائدة لتعزيز مقاومة التآكل.

3. التركيب (قيمة امتصاص ثنائي بوتيل الفثالات)

يعكس التركيب الجزيئي مدى تعقيد تشعب تجمعات السيليكا (يُقاس بقيمة امتصاص ثنائي بوتيل الفثالات؛ حيث تشير القيمة الأعلى إلى تركيب أكثر تعقيدًا). ​​ويؤثر هذا التركيب على بنية شبكة المطاط ومقاومته للتشوه.

(1) التأثير الإيجابي: تشكل السيليكا ذات البنية العالية تجمعات متفرعة ثلاثية الأبعاد، مما يُنشئ "شبكة هيكلية" أكثر كثافة داخل المطاط. وهذا يُحسّن مرونة المطاط ومقاومته للتشوه الدائم الناتج عن الانضغاط. أثناء الاحتكاك، تُخفف هذه الشبكة من قوى الصدمات الخارجية، مما يُقلل من تآكل الإجهاد الناتج عن التشوه المتكرر، وبالتالي يُحسّن مقاومة الاحتكاك.

(2) التأثير السلبي: يؤدي التركيب عالي الكثافة (امتصاص ثنائي بوتيل الفثالات > 300 مل/100 غ) إلى تشابك جزيئات السيليكا بسهولة. وينتج عن ذلك زيادة حادة في لزوجة موني أثناء خلط المطاط، وضعف انسيابية المعالجة، وتشتت غير متجانس. كما أن المناطق ذات التركيب عالي الكثافة محليًا ستشهد تآكلًا متسارعًا نتيجة لتركيز الإجهاد، مما يقلل بدوره من مقاومة التآكل.

الخلاصة: البنية المتوسطة (امتصاص DBP 200-250 مل/100 جم) هي الأنسب لتحقيق التوازن بين قابلية المعالجة ومقاومة التآكل.

4. محتوى الهيدروكسيل السطحي (Si-OH)

تعتبر مجموعات السيلانول (Si-OH) الموجودة على سطح السيليكا أساسية للتأثير على توافقها مع المطاط، مما يؤثر بشكل غير مباشر على مقاومة التآكل من خلال قوة الترابط البيني.

(1) غير المعالج: يؤدي المحتوى العالي جدًا من الهيدروكسيل (> 5 مجموعات/نانومتر مربع) بسهولة إلى تكتل الجزيئات بشكل كبير عبر الروابط الهيدروجينية، مما ينتج عنه تشتت ضعيف. في الوقت نفسه، تتميز مجموعات الهيدروكسيل بتوافق ضعيف مع جزيئات المطاط (معظمها غير قطبي)، مما يؤدي إلى ضعف الترابط بين الأسطح. أثناء التآكل، يكون السيليكا عرضة للانفصال عن المطاط، مما يقلل من مقاومة الاحتكاك.

(2) المعالجة بعامل اقتران السيلان: تتفاعل عوامل الاقتران (مثل Si69) مع مجموعات الهيدروكسيل، مما يقلل من تكتل الجزيئات ويُدخل مجموعات متوافقة مع المطاط (مثل مجموعات المركابتان)، مما يُعزز قوة الترابط بين السطحين. عند هذه النقطة، يتشكل "تثبيت كيميائي" بين السيليكا والمطاط. يصبح نقل الإجهاد منتظمًا، ويقل احتمال تقشر السطحين أثناء التآكل، مما يُحسّن مقاومة الاحتكاك بشكل ملحوظ.

الخلاصة: يجب أن يكون محتوى الهيدروكسيل معتدلاً (3-5 مجموعات/نانومتر مربع)، ويجب دمجه مع معالجة عامل اقتران السيلان لزيادة الترابط البيني وتحسين مقاومة التآكل.

5. قيمة الرقم الهيدروجيني

تؤثر قيمة الرقم الهيدروجيني للسيليكا (عادةً 6.0-8.0) بشكل غير مباشر في المقام الأول على مقاومة التآكل من خلال التأثير على نظام فلكنة المطاط.

(1) الحموضة المفرطة (الأس الهيدروجيني < 6.0): تُثبّط نشاط مُسرّعات الفلكنة، مما يُؤخّر معدل الفلكنة، وقد تُؤدي إلى فلكنة غير كاملة وكثافة روابط متقاطعة غير كافية في المطاط. يتميز المطاط ذو الكثافة المنخفضة للروابط المتقاطعة بانخفاض خواصه الميكانيكية (مثل قوة الشد والصلابة). أثناء التآكل، يكون عرضةً للتشوه اللدن وفقدان المادة، مما يُؤدي إلى ضعف مقاومته للتآكل.

(2) القلوية المفرطة (الأس الهيدروجيني > 8.0): قد تُسرّع عملية الفلكنة (خاصةً مع مُسرّعات الثيازول)، مما يُسبب فلكنة أولية سريعة للغاية وتشابكًا غير متجانس (تشابك زائد أو ناقص موضعيًا). تصبح المناطق ذات التشابك الزائد هشة، بينما تتميز المناطق ذات التشابك الناقص بقوة منخفضة؛ وكلاهما يُقلل من مقاومة التآكل.

الخلاصة: إن الوسط المحايد إلى الحمضي قليلاً (الأس الهيدروجيني 5.0-7.0) هو الأنسب لعملية الفلكنة الموحدة، مما يضمن الخصائص الميكانيكية للمطاط ويحسن مقاومة التآكل.

6. محتوى الشوائب

يمكن أن تقلل الشوائب الموجودة في السيليكا (مثل أيونات المعادن مثل Fe³⁺ و Ca²⁺ و Mg²⁺ أو الأملاح غير المتفاعلة) من مقاومة التآكل عن طريق إتلاف بنية المطاط أو التدخل في عملية الفلكنة.

(1) أيونات المعادن: تعمل أيونات المعادن الانتقالية مثل Fe³⁺ على تحفيز التقادم التأكسدي للمطاط، مما يُسرّع من انكسار السلاسل الجزيئية للمطاط. ويؤدي ذلك إلى تدهور الخواص الميكانيكية للمادة بمرور الوقت، مما يقلل من مقاومتها للتآكل. وقد تتفاعل أيونات Ca²⁺ وMg²⁺ مع عوامل الفلكنة في المطاط، مما يعيق عملية الفلكنة ويقلل من كثافة الروابط المتشابكة.

(2) الأملاح الذائبة: يؤدي المحتوى العالي جدًا من أملاح الشوائب (مثل كبريتات الصوديوم) إلى زيادة استرطابية السيليكا، مما يؤدي إلى تكوّن فقاعات أثناء معالجة المطاط. تُحدث هذه الفقاعات عيوبًا داخلية؛ وأثناء التآكل، يميل التلف إلى البدء من مواقع هذه العيوب، مما يقلل من مقاومة الاحتكاك.

الخلاصة: يجب التحكم بدقة في محتوى الشوائب (على سبيل المثال، Fe³⁺ < 1000 جزء في المليون) لتقليل الآثار السلبية على أداء المطاط.

باختصار، تأثيرالسيليكا المترسبةتنتج مقاومة المطاط للتآكل عن التأثير التآزري لعدة خصائص: تحدد مساحة السطح النوعية وحجم الجسيمات القدرة الأساسية على التقوية؛ ويؤثر التركيب على استقرار شبكة المطاط؛ وتنظم مجموعات الهيدروكسيل السطحية ودرجة الحموضة الترابط البيني وتجانس الفلكنة؛ بينما تُضعف الشوائب الأداء من خلال إتلاف التركيب. في التطبيقات العملية، يجب تحسين مزيج الخصائص وفقًا لنوع المطاط (مثل مركب مداس الإطارات، أو مانع التسرب). على سبيل المثال، عادةً ما تُختار مركبات المداس من السيليكا ذات مساحة سطح نوعية عالية، وتركيب متوسط، ونسبة شوائب منخفضة، وتُدمج مع معالجة عامل اقتران السيلان لزيادة مقاومة التآكل إلى أقصى حد.