Возобновляемые усиливающие наполнители

Примерно четверть-треть массы шины составляет технический углерод, и находится он там по механическим причинам. Он многократно увеличивает жёсткость резины, сопротивление раздиру и износостойкость. Понимание того, как именно, и отделяет настоящий заменитель от наполнителя, который просто разбавляет.

Усиление есть поверхностное явление

Что делает марка технического углерода, определяют три её свойства, и ни одно из них не есть химический состав.

Удельная площадь поверхности, задаваемая размером первичных частиц. У усиливающих марок частицы в десятки нанометров и площадь поверхности от десятков до более сотни квадратных метров на грамм. Цепи полимера адсорбируются на этой поверхности, образуя слой обездвиженного «связанного каучука», который ведёт себя как часть наполнителя, а не матрицы. Больше площади — больше обездвиженного полимера.

Структура агрегатов. Первичные частицы сплавлены в разветвлённые гроздевидные агрегаты, а не существуют порознь. Ветвление создаёт внутренние пустоты, и захваченный в них каучук — окклюдированный — укрыт от деформации. Поэтому действующая объёмная доля наполнителя больше его настоящей объёмной доли, и измеряют это как структурность через число абсорбции масла.

Поверхностная активность. Химическая природа поверхности определяет, насколько прочно адсорбируется полимер, а значит, сколько напряжения передаётся из мягкой матрицы в жёсткую частицу.

Вместе это объясняет эффект Пейна: при малых деформациях сеть наполнителя даёт высокий модуль, а с ростом деформации сеть разрушается и модуль падает. Усиление есть взаимодействие наполнителя с полимером и наполнителя с наполнителем, а не присутствие твёрдых частиц.

Вот критерий, которому обязана отвечать замена. Возобновляемый углерод с крупными частицами, без агрегатной структуры и с малой поверхностной активностью добавляет массу и снижает цену, не усиливая, — а нарушая матрицу, способен и ухудшить свойства.

Диоксид кремния и аппрет, который заставляет его работать

Осаждённый диоксид кремния — устоявшаяся альтернатива, уже вытесняющая технический углерод в шинах с низким сопротивлением качению, где он улучшает размен между сцеплением на мокрой дороге и расходом топлива.

У него была одна проблема, решать которую пришлось химически. Поверхность диоксида кремния покрыта силанольными группами — полярными и гидрофильными, — тогда как каучук есть неполярный углеводород. Предоставленные себе, частицы кремнезёма связываются водородными связями друг с другом, а не с полимером, слипаются и усиливают плохо.

Ответом служит бифункциональный силановый аппрет, обычно бис(триэтоксисилилпропил)полисульфид. Один его конец реагирует с поверхностными силанолами, сера на другом конце реагирует с каучуком при вулканизации. Возникает ковалентный мостик от частицы к полимеру — граница более прочная, чем физическая адсорбция у технического углерода. Платой становится более требовательный процесс смешения, поскольку реакцию силанизации приходится завершать прямо в смесителе при контролируемой температуре.

По-настоящему возобновляемый вход здесь — зола рисовой шелухи. Рисовая шелуха примерно на пятую часть сухой массы состоит из кремнезёма, взятого растением из почвы. Управляемое сжигание — при температуре достаточно низкой, чтобы избежать кристаллизации, — даёт аморфный кремнезём высокой удельной поверхности, пригодный как заменитель осаждённого, причём из сельскохозяйственного остатка, который иначе представляет собой проблему утилизации.

Где на деле находятся возобновляемые углеродные наполнители

Лигнин ароматичен и доступен в масштабе, и частичное усиление он действительно даёт. Препятствия у него конкретные, а не общие: фенольные гидроксилы связывают его водородными связями с самим собой, отчего он слипается вместо того, чтобы распределиться; термостойкость его на грани при температурах смешения резины; и он окрашен, что ограничивает нечёрные применения.

Биоуголь и технический углерод, восстановленный пиролизом шин, упираются в проблему морфологии прямо. Восстановленный несёт минеральную золу исходной смеси и потерял при пиролизе часть площади поверхности и структуры, поэтому замещает он марки низкого класса, а не усиливающие. Размер частиц и пористость биоугля зависят от сырья и условий пиролиза, и достижение усиливающей удельной поверхности из растительного предшественника есть открытая задача.