橡胶填充补强剂二氧化硅与硅酸盐介绍

橡胶化合物中添加二氧化硅会带来一些优点， 例如提高撕裂强度、减少热积累，并增加了多组分产品，如轮胎的复合黏附性。二氧化硅和硅酸盐的两个基本性质影响其在橡胶化合物的使用，最终粒子的大小和水合作用的程度，其他物化性质如pH、化学成分、油吸收是次要的。

虽然在二氧化硅与耦合剂并用时，二氧化硅的缺点会基本消失，但是相比于同粒径的炭黑，二氧化硅提供的增强不在同一水平。有研究报告提到，在胎面胶中添加二氧化硅即使改善了滞后和撕裂强度性能，还是会导致胎面花纹磨损。但可使用硅烷偶联剂矫正胎面磨损。

二氧化硅的特性如下所述。

1.二氧化硅，它是无定形的，由硅和氧排列成三维晶格的四面体结构。

2.粒径范围从1 ~ 30nm和表面积从20 ~ 300m²/g， 没有长程有序域，只有随机排列与邻近域的短程有序域。

3.表面硅烷醇浓度(硅烷醇基-Si- 0-H) 影响表面水合度。

4.硅烷醇类型分为三类：独位、偕位(两个羟基连在相同的硅原子上)和邻位(在相邻的硅原子),如下图所示。

典型的硅羟基硅

5.表面酸度由二氧化硅表面上的羟基控制，酸度介于P-OH和B-OH之间。这种内在的酸度可以影响过氧化物的硫化，即使用硫黄硫化，也没有显著的效果。橡胶-填充物的相互作用由这些性质影响。

6.由水蒸气吸收导致的表面水合作用与表面硅烷醇浓度相关。大量的水合作用对最终化合物的物理性质产生不利影响。二氧化硅是吸水的，因此需要干燥储存。

为证明表面羟基和水合水平对橡胶性能的影响，研究者选取了一系列羟基化程度不同的表面材料区域，然后将它们以50份比例添加到SBR化合物中。由于吸收水分的增加导致硅烷醇数量的减少会降低固化时间、拉伸强度、耐磨性。

表面水化对二氧化硅性能的影响

在一般情况下，在极性弹性体如丁腈橡胶和CR中添加二氧化硅比在非极性聚合物如SBR和NR中添加二氧化硅带来更大的增强作用。对添加二氧化硅的NR和SBR增强不足可以通过使用硅烷偶联剂改善。对于偶联剂，一个重要的先决条件是分子含双官能团；即能够与二氧化硅和聚合物产生化学反应，与聚合物的反应可以在硫化反应或硫交联过程中直接或间接参与反应。

在橡胶中使用的二氧化硅有两个好处：作为代替炭黑使用时，减少热量积聚和提高抗撕裂、剪切、削和组块的阻力强度。但是，当负荷接近20%时，耐磨性下降。如胎面胶使配方不再实用。硅烷偶联剂可以克服化合物等性能下降。因此，为了有效地复合二氧化硅，硅烷偶联剂的性能和化学属性还有特别的硅烷偶联剂的讨论是必要的。

二氧化硅可分为三类。其中，包括标准或传统的二氧化硅、半高度分散(半高清)或易分散的二氧化硅，和新开发的、被称为高分散二氧化硅或HDS。