Усиление каучуков сажами

Процесс усиления полимеров (каучуков, резин) с помощью сажи сложен. Большинство авторов считает, что решающая роль принадлежит химии поверхности сажи.

Поверхность частиц большинства видов саж весьма неоднородна. Кристаллиты, из которых построены сажевые частицы, выступают на поверхность под разными углами. Поэтому на поверхности сажевых частиц могут находиться базисные плоскости и краевые атомы, а также некоторое число атомов углерода, неорганизованного из аморфных областей. «Боковые выходы» кристаллитов определяют химизм поверхности сажевой частицы, т.к. здесь сосредоточены насыщенные и ненасыщенные углеводороды, соединения, содержащие кислород, серу и др.

Кроме того, на поверхности сажевых частиц находятся ароматические многоядерные структуры, группы и атомы, содержащие неспаренные `электроны, парамагнитные центры – перекисные радикалы, обнаружены карбоксильные, карбонильные, фенольные группы (18). Особенно большим содержанием кислорода характеризуется канальная сажа, которая получается при сжигании жидкого топлива в узких каналах двигателей внутреннего сгорания.

Необходимо установить, что сажа представляет материал со сложной системой полисопряженных связей, неполярные молекулы полимера (например, циклогексан) могут взаимодействовать с поверхностью саж за счет дисперсионных сил, поэтому на адсорбцию таких молекул не влияет наличие на поверхности адсорбента кислородсодержащих групп. Напротив, адсорбция полярных молекул на саже очень чувствительна к их содержанию, т.к. кроме дисперсионных сил возникают водородные связи, диполь-дипольные взаимодействия и другие виды связей.

Показано, что циклогексан адсорбируется на поверхности исходной и окисленной саж одинаково, т.к. происходит дисперсионное взаимодействие, поэтому адсорбция нафталина, бензола выше на саже, содержащей кислородные группы, чем на поверхности саж, лишенных этих групп.

С целью увеличения адгезии к поверхности сажи, например нафталина и бензола, проводят ее модификацию, например окисление смесью серной и азотной кислоты, при этом образуется p-комплексы ароматических ядер исследуемых соединений с функциональными группами, находящимися на поверхности сажи.

Модификация – нагревание саж при высокой температуре в отсутствии кислорода приводит к графитированию поверхности (поверхность саж образована базисными гранями высокоорганизованных кристаллитов графита). Такая поверхность считается эталоном однородной поверхности. Это приводит к снижению адсорбции углеводородов, способных к специфическому взаимодействию с функциональными группами, расположенными на поверхности саж (например, бензола и нафталина), но с другой стороны мало влияет на адсорбцию предельных неполярных адсорбатов (циклогексана).

Получены данные, показывающие, что удаление с поверхности сажи кислородсодержащих групп не приводит к существенному снижению физико-механических свойств вулканизатов (например, исследование систем на основе натурального каучука (НК) и бутилстирольного каучука.

Несмотря на сложность процессов, обуславливающих эффект усиления каучуков сажами, выявляется четкая закономерность: усиливающая способность саж непосредственно связана с интенсивностью взаимодействия на границе раздела каучук-сажа, т.е. адгезией. Когда усиливающее действие сажи выражено более сильно, изучение поверхности разрушения вулканизата показывает, что разрыв происходит по границе каучук-сажа. С поверхности раздира удается экстрагировать очень мало сажи. И, наоборот, когда сажа обладает слабым усиливающим свойством, с поверхности раздира удается экстрагировать больше сажи, т.е. в процессе разрушения обнажается большое количество сажевых частиц.

Одна из причин повышения прочности наполненных резин связана с выравниванием напряжений в процессе деформации.

В системе эластомер-сажа большую роль могут играть такие явления, как ориентирующее влияние поверхности сажи и упорядочение молекул эластомера (резины) вблизи поверхности раздела фаз.

Проблема усиления резин сажами до конца не изучена, пока нет единой теории усиления эластомеров сажами.