So sánh chất độn silica và than đen

Vietrubber - Con lăn cao su

Than đen là chất độn gia cường chính cho nhiều hỗn hợp cao su. Than đen được sản xuất trong một dãy rộng kích thước hạt (diện tích bề mặt). Ngoài việc được phân loại bởi kích thước, than đen còn được phân loại theo cấu trúc. Cấu trúc than đen có dạng giống chuỗi hoặc nhánh, ảnh hưởng đáng kể đến gia công và các tính chất của hỗn hợp vật liệu đàn hồi được độn than đen. Đặc trưng cơ bản thứ ba là hoạt tính bề mặt, liên quan tới sự xuất hiện của các nhóm chức trên bề mặt hạt than đen. Những nhóm này cho phép liên kết hóa học tạo thành giữa than đen với polymer. Chức năng của chúng trong gia cường là rất quan trọng, ví dụ graphite có kích thước hạt rất nhỏ nhưng do thiếu những nhóm chức bề mặt làm cho chúng không gia cường.

Ba đặc tính trên cũng áp dụng cho silica kết tủa. Kích thước hạt, được ghi nhận bằng cách đo diện tích bề mặt, vẫn là yếu tố quan trọng nhất để dự đoán sự gia cường. Giá trị diện tích bề mặt cao dự đoán mức gia cường cao. Giá trị diện tích bề mặt silica cao hơn diện tích bề mặt của than đen có cùng kích thước hạt. Tuy nhiên, tác động gia cường hiệu quả yêu cầu sự xuất hiện của các nhóm chức bề mặt tạo nên liên kết của chất độn với vật liệu đàn hồi. Ngược với bản chất hữu cơ của bề mặt than đen (-C=O-, -COOH), bề mặt silica là vô cơ, được bão hòa bởi các nhóm silanol (-SiOH-). Những nhóm silanol này tạo nên tính ưa nước của silica kết tủa. Thật không may, bề mặt silanol-nước không có khả năng hình thành liên kết mạnh với vật liệu đàn hồi hữu cơ. Điều này dẫn đến tính kháng mài mòn thấp, độ giãn dài cao, và mô-đun thấp trong các hỗn hợp phối trộn silica. Vấn đề này có thể được khắc phục hoàn toàn nếu bề mặt silanol được biến tính, như phản ứng với mercaptosilane.

Một sự khác biệt khác giữa than đen và silica nằm ở cấu trúc của chúng. Cấu trúc than đen có dạng chuỗi hoặc nhánh, là các đặc trưng vĩnh viễn, không thay đổi khi phối trộn hỗn hợp. Ngược lại, cấu trúc silica là các khối, không phải chuỗi, được hình thành do liên kết hydro của các hạt riêng lẻ. Cấu trúc này là tạm thời và dễ dàng biến đổi, mất đi trong phối trộn hoặc sử dụng phụ gia. So với chất độn than đen, cấu trúc khối silica làm tăng độ nhớt khi gia công và độ cứng cao hơn sau khi kết mạng. Bản chất tạm thời của cấu trúc này cũng là một yếu tố giúp giảm tiêu thụ năng lượng trong các ứng dụng động học.

Tham khảo từ tài liệu Compounding Precipitated Silica in Elastomers, Norman Hewitt, William Andrew, 2007, trang 3 – 5

(vtp-vlab-caosuviet)