ausgefälltes Siliciumdioxidist ein wichtiger Verstärkungsfüllstoff in der Kautschukindustrie. Seine vielfältigen Eigenschaften beeinflussen indirekt oder direkt die Abriebfestigkeit von Kautschuk, indem sie die Grenzflächenwechselwirkung mit der Kautschukmatrix, die Dispersion und die mechanischen Eigenschaften des Kautschuks beeinflussen. Im Folgenden analysieren wir, ausgehend von den wichtigsten Eigenschaften, detailliert deren Wirkungsmechanismen auf die Abriebfestigkeit von Kautschuk:
1. Spezifische Oberfläche (BET)
Die spezifische Oberfläche ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Siliciumdioxid. Sie spiegelt direkt die Kontaktfläche mit Gummi und die Verstärkungsfähigkeit wider und hat einen erheblichen Einfluss auf die Abriebfestigkeit.
(1) Positiver Einfluss: Innerhalb eines bestimmten Bereichs führt eine Erhöhung der spezifischen Oberfläche (z. B. von 100 m²/g auf 200 m²/g) zu einer Vergrößerung der Grenzflächenkontaktfläche zwischen Siliciumdioxid und der Kautschukmatrix. Dies kann die Haftfestigkeit durch den „Verankerungseffekt“ verbessern und somit die Verformungsbeständigkeit und die Verstärkungswirkung des Kautschuks erhöhen. Dadurch steigen Härte, Zugfestigkeit und Reißfestigkeit des Kautschuks. Bei Verschleiß ist er weniger anfällig für Materialablösung durch übermäßige lokale Spannungen, was zu einer deutlichen Verbesserung der Abriebfestigkeit führt.
(2) Negativer Einfluss: Ist die spezifische Oberfläche zu groß (z. B. über 250 m²/g), verstärken sich die Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Siliciumdioxidpartikeln, was leicht zur Agglomeration führt (insbesondere ohne Oberflächenbehandlung) und die Dispergierbarkeit stark verringert. Agglomerate bilden Spannungskonzentrationspunkte im Gummi. Beim Verschleiß tritt der Bruch bevorzugt an den Agglomeraten auf, wodurch die Abriebfestigkeit sinkt.
Schlussfolgerung: Es gibt einen optimalen Bereich der spezifischen Oberfläche (typischerweise 150-220 m²/g, je nach Gummisorte), in dem Dispergierbarkeit und Verstärkungseffekt im Gleichgewicht sind, was zu einer optimalen Abriebfestigkeit führt.
2. Partikelgröße und Größenverteilung
Die Primärpartikelgröße (bzw. Aggregatgröße) und die Verteilung des Siliciumdioxids beeinflussen die Abriebfestigkeit indirekt, indem sie die Dispersionsgleichmäßigkeit und die Grenzflächenwechselwirkung beeinflussen.
(1) Partikelgröße: Kleinere Partikelgrößen (die üblicherweise positiv mit der spezifischen Oberfläche korrelieren) entsprechen größeren spezifischen Oberflächen und stärkeren Verstärkungseffekten (siehe oben). Allerdings erhöhen übermäßig kleine Partikelgrößen (z. B. Primärpartikelgröße < 10 nm) die Agglomerationsenergie zwischen den Partikeln signifikant, was die Dispersion erheblich erschwert. Dies führt wiederum zu lokalen Defekten und verringert die Abriebfestigkeit.
(2) Partikelgrößenverteilung: Siliciumdioxid mit einer engen Partikelgrößenverteilung dispergiert gleichmäßiger im Gummi und vermeidet so „Schwachstellen“ durch große Partikel (oder Agglomerate). Ist die Verteilung zu breit (z. B. mit Partikeln sowohl von 10 nm als auch über 100 nm), wirken große Partikel als Verschleißinitiierungspunkte (sie werden beim Abrieb bevorzugt abgetragen), was zu einer verringerten Abriebfestigkeit führt.
Schlussfolgerung: Siliciumdioxid mit kleiner Partikelgröße (die der optimalen spezifischen Oberfläche entspricht) und enger Verteilung ist vorteilhafter zur Verbesserung der Abriebfestigkeit.
3. Struktur (DBP-Absorptionswert)
Die Struktur spiegelt die verzweigte Komplexität der Siliciumdioxidaggregate wider (charakterisiert durch den DBP-Absorptionswert; ein höherer Wert deutet auf eine höhere Struktur hin). Sie beeinflusst die Netzwerkstruktur des Kautschuks und dessen Verformungsbeständigkeit.
(1) Positiver Einfluss: Hochstrukturiertes Siliciumdioxid bildet dreidimensionale, verzweigte Aggregate und erzeugt so ein dichteres „Skelettnetzwerk“ im Kautschuk. Dies erhöht die Elastizität und die Druckverformungsbeständigkeit des Kautschuks. Beim Abrieb kann dieses Netzwerk äußere Stoßkräfte abfedern und so den durch wiederholte Verformung verursachten Ermüdungsverschleiß reduzieren, wodurch die Abriebfestigkeit verbessert wird.
(2) Negativer Einfluss: Eine zu hohe Struktur (DBP-Absorption > 300 ml/100 g) führt leicht zu Verhakungen zwischen den Siliciumdioxid-Aggregaten. Dies bedingt einen starken Anstieg der Mooney-Viskosität beim Mischen des Kautschuks, eine schlechte Fließfähigkeit und eine ungleichmäßige Dispersion. Bereiche mit lokal zu dichter Struktur unterliegen aufgrund von Spannungskonzentrationen einem beschleunigten Verschleiß, was wiederum die Abriebfestigkeit verringert.
Schlussfolgerung: Eine mittlere Struktur (DBP-Absorption 200-250 ml/100 g) ist besser geeignet, um ein Gleichgewicht zwischen Verarbeitbarkeit und Abriebfestigkeit zu erzielen.
4. Oberflächen-Hydroxylgehalt (Si-OH)
Die Silanolgruppen (Si-OH) auf der Siliciumdioxid-Oberfläche sind entscheidend für die Beeinflussung der Kompatibilität mit Gummi und wirken sich indirekt über die Grenzflächenbindungsstärke auf die Abriebfestigkeit aus.
(1) Unbehandelt: Ein zu hoher Hydroxylgehalt (> 5 Gruppen/nm²) führt leicht zu starker Agglomeration der Partikel durch Wasserstoffbrückenbindungen, was eine schlechte Dispersion zur Folge hat. Gleichzeitig weisen die Hydroxylgruppen eine geringe Kompatibilität mit den (meist unpolaren) Kautschukmolekülen auf, was zu einer schwachen Grenzflächenbindung führt. Beim Verschleiß löst sich Siliciumdioxid leicht vom Kautschuk, wodurch die Abriebfestigkeit verringert wird.
(2) Behandlung mit Silan-Haftvermittler: Haftvermittler (z. B. Si69) reagieren mit Hydroxylgruppen, wodurch die Agglomeration zwischen den Partikeln reduziert und mit Kautschuk kompatible Gruppen (z. B. Mercaptogruppen) eingeführt werden. Dies erhöht die Haftfestigkeit an der Grenzfläche. Dabei bildet sich eine „chemische Verankerung“ zwischen Siliciumdioxid und Kautschuk. Die Spannungsübertragung wird gleichmäßiger, und das Ablösen an der Grenzfläche während des Verschleißes ist weniger wahrscheinlich, wodurch die Abriebfestigkeit deutlich verbessert wird.
Schlussfolgerung: Der Hydroxylgehalt muss moderat sein (3-5 Gruppen/nm²) und mit einer Silan-Haftvermittlerbehandlung kombiniert werden, um die Grenzflächenbindung zu maximieren und die Abriebfestigkeit zu verbessern.
5. pH-Wert
Der pH-Wert von Siliciumdioxid (typischerweise 6,0-8,0) beeinflusst die Abriebfestigkeit vor allem indirekt, indem er auf das Vulkanisationssystem des Kautschuks einwirkt.
(1) Zu saures Milieu (pH < 6,0): Hemmt die Wirkung von Vulkanisationsbeschleunigern, verlangsamt die Vulkanisation und kann sogar zu unvollständiger Vulkanisation und unzureichender Vernetzungsdichte im Kautschuk führen. Kautschuk mit geringer Vernetzungsdichte weist reduzierte mechanische Eigenschaften (z. B. Zugfestigkeit, Härte) auf. Bei Verschleiß neigt er zu plastischer Verformung und Materialverlust, was eine geringe Abriebfestigkeit zur Folge hat.
(2) Zu alkalisch (pH > 8,0): Kann die Vulkanisation beschleunigen (insbesondere bei Thiazol-Beschleunigern), was zu einer übermäßig schnellen Anfangsvulkanisation und ungleichmäßiger Vernetzung (lokale Über- oder Untervernetzung) führt. Übervernetzte Bereiche werden spröde, untervernetzte Bereiche weisen eine geringe Festigkeit auf; beides verringert die Abriebfestigkeit.
Schlussfolgerung: Ein neutraler bis leicht saurer pH-Wert (5,0-7,0) ist für eine gleichmäßige Vulkanisation günstiger, gewährleistet die mechanischen Eigenschaften des Gummis und verbessert die Abriebfestigkeit.
6. Verunreinigungsgehalt
Verunreinigungen im Siliciumdioxid (wie Metallionen wie Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ oder nicht umgesetzte Salze) können die Abriebfestigkeit verringern, indem sie die Gummistruktur beschädigen oder die Vulkanisation beeinträchtigen.
(1) Metallionen: Übergangsmetallionen wie Fe³⁺ katalysieren die oxidative Alterung von Kautschuk und beschleunigen den Abbau der Kautschukmolekülketten. Dies führt mit der Zeit zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials und verringert die Abriebfestigkeit. Ca²⁺ und Mg²⁺ können mit Vulkanisationsmitteln im Kautschuk reagieren, die Vulkanisation stören und die Vernetzungsdichte verringern.
(2) Lösliche Salze: Ein zu hoher Gehalt an Verunreinigungssalzen (z. B. Na₂SO₄) erhöht die Hygroskopizität von Siliciumdioxid und führt bei der Gummiverarbeitung zur Blasenbildung. Diese Blasen verursachen innere Defekte; beim Verschleiß tritt der Bruch bevorzugt an diesen Defektstellen auf, wodurch die Abriebfestigkeit verringert wird.
Schlussfolgerung: Der Gehalt an Verunreinigungen muss streng kontrolliert werden (z. B. Fe³⁺ < 1000 ppm), um negative Auswirkungen auf die Eigenschaften des Kautschuks zu minimieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einfluss vongefällte KieselsäureDie Abriebfestigkeit von Gummi resultiert aus dem synergistischen Effekt mehrerer Eigenschaften: Spezifische Oberfläche und Partikelgröße bestimmen die grundlegende Verstärkungswirkung; die Struktur beeinflusst die Stabilität des Gumminetzwerks; Oberflächenhydroxylgruppen und pH-Wert regulieren die Grenzflächenbindung und die Vulkanisationsgleichmäßigkeit; Verunreinigungen hingegen beeinträchtigen die Leistung durch Schädigung der Struktur. In der Praxis muss die Kombination der Eigenschaften je nach Gummityp (z. B. Laufflächenmischung, Dichtmittel) optimiert werden. So werden für Laufflächenmischungen typischerweise Silica mit hoher spezifischer Oberfläche, mittlerer Struktur und geringem Verunreinigungsgrad ausgewählt und mit einem Silan-Haftvermittler kombiniert, um die Abriebfestigkeit zu maximieren.
Veröffentlichungsdatum: 22. Juli 2025