Sílica precipitadaÉ um importante reforço na indústria da borracha. Suas diversas propriedades afetam direta ou indiretamente a resistência à abrasão da borracha, influenciando a interação interfacial com a matriz da borracha, a dispersão e as propriedades mecânicas da mesma. A seguir, partindo das principais propriedades, analisamos detalhadamente seus mecanismos de influência na resistência à abrasão da borracha:
1. Área de Superfície Específica (BET)
A área superficial específica é uma das propriedades mais importantes da sílica, refletindo diretamente sua área de contato com a borracha e sua capacidade de reforço, impactando significativamente a resistência à abrasão.
(1) Influência positiva: Dentro de uma determinada faixa, o aumento da área superficial específica (por exemplo, de 100 m²/g para 200 m²/g) aumenta a área de contato interfacial entre a sílica e a matriz de borracha. Isso pode melhorar a resistência da ligação interfacial por meio do “efeito de ancoragem”, aumentando a resistência da borracha à deformação e reforçando sua estrutura. Nesse ponto, a dureza, a resistência à tração e a resistência ao rasgo da borracha aumentam. Durante o desgaste, ela se torna menos propensa ao desprendimento do material devido à tensão local excessiva, resultando em uma melhoria significativa na resistência à abrasão.
(2) Influência negativa: Se a área superficial específica for muito grande (por exemplo, superior a 250 m²/g), as forças de van der Waals e as ligações de hidrogênio entre as partículas de sílica se intensificam, causando facilmente aglomeração (especialmente sem tratamento superficial), levando a uma queda acentuada na dispersibilidade. Os aglomerados formam “pontos de concentração de tensão” dentro da borracha. Durante o desgaste, a fratura tende a ocorrer preferencialmente ao redor dos aglomerados, reduzindo, por sua vez, a resistência à abrasão.
Conclusão: Existe uma faixa ideal de área superficial específica (tipicamente entre 150 e 220 m²/g, variando conforme o tipo de borracha) onde a dispersibilidade e o efeito de reforço se equilibram, resultando em resistência à abrasão ideal.
2. Tamanho e distribuição de tamanho das partículas
O tamanho das partículas primárias (ou tamanho dos agregados) e a distribuição da sílica afetam indiretamente a resistência à abrasão, influenciando a uniformidade da dispersão e a interação interfacial.
(1) Tamanho das partículas: Tamanhos de partículas menores (geralmente correlacionados positivamente com a área superficial específica) correspondem a áreas superficiais específicas maiores e efeitos de reforço mais fortes (como acima). No entanto, tamanhos de partículas excessivamente pequenos (por exemplo, tamanho de partícula primária < 10 nm) aumentam significativamente a energia de aglomeração entre as partículas, aumentando drasticamente a dificuldade de dispersão. Isso, por sua vez, leva a defeitos locais, reduzindo a resistência à abrasão.
(2) Distribuição do tamanho das partículas: A sílica com uma distribuição de tamanho de partículas estreita dispersa-se de forma mais uniforme na borracha, evitando “pontos fracos” formados por partículas grandes (ou aglomerados). Se a distribuição for muito ampla (por exemplo, contendo partículas de 10 nm e acima de 100 nm), as partículas grandes tornam-se pontos de iniciação de desgaste (desgastadas preferencialmente durante a abrasão), levando a uma diminuição da resistência à abrasão.
Conclusão: A sílica com tamanho de partícula pequeno (correspondente à área de superfície específica ideal) e distribuição estreita é mais benéfica para aumentar a resistência à abrasão.
3. Estrutura (Valor de Absorção de DBP)
A estrutura reflete a complexidade ramificada dos agregados de sílica (caracterizada pelo valor de absorção de DBP; um valor mais alto indica uma estrutura mais complexa). Ela afeta a estrutura da rede da borracha e sua resistência à deformação.
(1) Influência positiva: A sílica com alta estrutura forma agregados ramificados tridimensionais, criando uma “rede esquelética” mais densa dentro da borracha. Isso aumenta a elasticidade da borracha e a resistência à deformação permanente por compressão. Durante a abrasão, essa rede pode amortecer as forças de impacto externas, reduzindo o desgaste por fadiga causado por deformação repetida, melhorando assim a resistência à abrasão.
(2) Influência negativa: Uma estrutura excessivamente alta (absorção de DBP > 300 mL/100 g) causa facilmente o emaranhamento entre os agregados de sílica. Isso leva a um aumento acentuado na viscosidade Mooney durante a mistura da borracha, baixa fluidez no processamento e dispersão irregular. Áreas com estruturas localmente muito densas sofrerão desgaste acelerado devido à concentração de tensão, reduzindo, por sua vez, a resistência à abrasão.
Conclusão: Uma estrutura média (absorção de DBP de 200 a 250 mL/100g) é mais adequada para equilibrar a processabilidade e a resistência à abrasão.
4. Conteúdo de hidroxila superficial (Si-OH)
Os grupos silanol (Si-OH) na superfície da sílica são essenciais para influenciar sua compatibilidade com a borracha, afetando indiretamente a resistência à abrasão por meio da força de ligação interfacial.
(1) Não tratado: Um teor excessivamente alto de hidroxila (> 5 grupos/nm²) leva facilmente à aglomeração rígida entre as partículas por meio de ligações de hidrogênio, resultando em má dispersão. Simultaneamente, os grupos hidroxila têm baixa compatibilidade com as moléculas de borracha (principalmente apolares), levando a uma fraca ligação interfacial. Durante o desgaste, a sílica tende a se desprender da borracha, reduzindo a resistência à abrasão.
(2) Tratado com agente de acoplamento de silano: Os agentes de acoplamento (por exemplo, Si69) reagem com os grupos hidroxila, reduzindo a aglomeração entre as partículas e introduzindo grupos compatíveis com a borracha (por exemplo, grupos mercapto), aumentando a resistência da ligação interfacial. Nesse ponto, forma-se uma “ancoragem química” entre a sílica e a borracha. A transferência de tensão torna-se uniforme e o descolamento interfacial é menos provável durante o desgaste, melhorando significativamente a resistência à abrasão.
Conclusão: O teor de hidroxila precisa ser moderado (3-5 grupos/nm²) e deve ser combinado com o tratamento com agente de acoplamento de silano para maximizar a adesão interfacial e melhorar a resistência à abrasão.
5. Valor do pH
O valor do pH da sílica (tipicamente entre 6,0 e 8,0) afeta principalmente de forma indireta a resistência à abrasão, influenciando o sistema de vulcanização da borracha.
(1) Excessivamente ácido (pH < 6,0): Inibe a atividade dos aceleradores de vulcanização, retardando a taxa de vulcanização e podendo até levar à vulcanização incompleta e à densidade insuficiente de ligações cruzadas na borracha. A borracha com baixa densidade de ligações cruzadas apresenta propriedades mecânicas reduzidas (por exemplo, resistência à tração, dureza). Durante o desgaste, torna-se propensa à deformação plástica e à perda de material, resultando em baixa resistência à abrasão.
(2) Excessivamente alcalino (pH > 8,0): Pode acelerar a vulcanização (especialmente para aceleradores de tiazol), causando vulcanização inicial excessivamente rápida e reticulação irregular (reticulação excessiva ou insuficiente localizada). Áreas com reticulação excessiva tornam-se quebradiças, áreas com reticulação insuficiente apresentam baixa resistência; ambas reduzem a resistência à abrasão.
Conclusão: Um pH neutro a ligeiramente ácido (5,0-7,0) é mais favorável para uma vulcanização uniforme, garantindo as propriedades mecânicas da borracha e melhorando a resistência à abrasão.
6. Conteúdo de impurezas
Impurezas na sílica (como íons metálicos como Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ou sais não reagidos) podem reduzir a resistência à abrasão, danificando a estrutura da borracha ou interferindo na vulcanização.
(1) Íons metálicos: Íons de metais de transição como o Fe³⁺ catalisam o envelhecimento oxidativo da borracha, acelerando a quebra da cadeia molecular da borracha. Isso leva a uma deterioração das propriedades mecânicas do material ao longo do tempo, reduzindo a resistência à abrasão. Ca²⁺ e Mg²⁺ podem reagir com os agentes vulcanizantes da borracha, interferindo na vulcanização e diminuindo a densidade de ligações cruzadas.
(2) Sais solúveis: O teor excessivamente alto de sais de impureza (por exemplo, Na₂SO₄) aumenta a higroscopicidade da sílica, levando à formação de bolhas durante o processamento da borracha. Essas bolhas criam defeitos internos; durante o desgaste, a falha tende a iniciar nesses locais de defeito, reduzindo a resistência à abrasão.
Conclusão: O teor de impurezas deve ser rigorosamente controlado (por exemplo, Fe³⁺ < 1000 ppm) para minimizar os impactos negativos no desempenho da borracha.
Em resumo, a influência desílica precipitadaA resistência à abrasão da borracha resulta do efeito sinérgico de múltiplas propriedades: a área superficial específica e o tamanho das partículas determinam a capacidade fundamental de reforço; a estrutura afeta a estabilidade da rede de borracha; os grupos hidroxila da superfície e o pH regulam a ligação interfacial e a uniformidade da vulcanização; enquanto as impurezas degradam o desempenho, danificando a estrutura. Em aplicações práticas, a combinação de propriedades deve ser otimizada de acordo com o tipo de borracha (por exemplo, composto para banda de rodagem de pneus, selante). Por exemplo, os compostos para banda de rodagem geralmente selecionam sílica com alta área superficial específica, estrutura média, baixo teor de impurezas e combinada com tratamento com agente de acoplamento de silano para maximizar a resistência à abrasão.
Data da publicação: 22 de julho de 2025