для чего сажа в шинах
Почему автомобильные шины черного цвета
Если вы думали, что автомобильные шины делают из черной резины, чтобы не было видно грязи. то вы правы, но только отчасти. На самом деле здесь все немного сложнее
Из чего состоят шины
Как правило, шины изготавливают из резины, которая в «сыром виде» представляет собой вязку субстанцию белого или даже молочного цвета. Черными они становятся после добавления технического углерода (сажи), который улучшает характеристики резины.
Однако технический углерод — не единственный компонент, который добавляют к резине во время изготовления шин. Сажу смешивают с кремнеземом (диоксидом кремния) и другими химическими веществами, в числе которых армирующий наполнитель, улучшающий прочность резины и повышающий срок службы покрышки.
Кроме того, производители часто добавляют еще около 200 дополнительных ингредиентов в «шинную смесь» — например, полимеры синтетического каучука, такие как бутадиен, стирол-бутадиен и галобутилкаучук, в сочетании с натуральным каучуком. Они нужны для улучшения непроницаемости шины, сопротивлению трению и износу. Смешанные вместе, все эти вещества образуют черную клейкую смесь, которую затем охлаждают и нарезают полосками.
Зачем к резине добавляют углеродную сажу
При добавлении углеродной сажи повышается износостойкость резины, за счет чего увеличивается срок ее службы и долговечность. Кроме того, такой состав снижает риск деформации, и шина лучше сохраняет свою первоначальную форму, что приводит к снижению трения и сопротивления качению. Сажа также выполняет дополнительную функцию демпфирования, которая уменьшает удары кузова, улучшая эффективность подвески и комфорт вождения.
Вдобавок сажа в резине позволяет шинам не затвердевать даже при очень низких температурах. Это снижает риск деформации и обеспечивает плавность хода.
Ну и в конце концов, черные шины банально лучше сочетаются с различными моделями автомобилей. Если бы шины имели цвет «натуральной» резины, автопроизводителям пришлось бы дополнительно тратиться на покраску покрышек в оттенок, сочетающийся с дизайном их новенькой машины. К тому же на черных шинах не видно грязи, в отличие от белых.
Из чего делают шины
ИЗ ЧЕГО ДЕЛАЮТ ШИНЫ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ?
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ШИН
Главным материалом для шины является резина. Она бывает разной и может изготавливаться как из синтетического, так и из натурального каучука. Наиболее часто встречаются шины изготовленные из синтетического каучука, так как он прост в разработке и намного дешевле и по качестве не уступает натуральному каучуку.
Второй по количественным показателям элемент состава шины – углерод технический (сажа). На его долю приходится примерно 30% всей смеси. Для чего используется углерод? По сути, это скрепляющий компонент смеси, действующий на молекулярном уровне. Без использования сажи шины были бы недолговечными, непрочными и отличались бы повышенным износом.
автомобильные шины делают из одних и тех же материалов
Сегодня вместо технического углерода используется сера. Но выбор того или иного компонента – скорее, вопрос экономической целесообразности. С технологической точки зрения разница невелика.
Еще одна альтернатива техническому углероду – кремниевая кислота. Она используется в качестве замены сажи по причине, что последняя постоянно дорожает. Впрочем, это решение вызывает определенные споры в кругу профессионалов, и связаны они с тем, что кремниевая кислота при низкой прочности обладает более высокой способностью к сцеплению с мокрой поверхности дороги. То есть, теряя в износостойкости, мы обретаем лучшее сцепление.
В качестве добавок для приготовления компаундов применяются различные масла и смолы. Они выполняют смягчающую функцию, что особенно важно при производстве зимней резины.
Факт присутствия в резине кремниевой кислоты, крахмала кукурузы или других добавок, на которых делается реклама — ничего не значит. Важно изобрести, а потом и соблюсти рецепт, который бы с применением этих компонентов обеспечил превосходные характеристики авто шины. А это удается не всем производителям.
Можно подвести итог, что автомобильные шины изготавливаются либо из резины, либо из других материалов, но с добавлением каучука. У производителей шин имеется свой оптимальный химический состав, который определяет различные характеристики. Один производитель делает упор на срок службы, другой — на скоростные характеристики, а третий — на поведение шины на мокрой дороге. Эти характеристики определяют цену и качество покрышки.
Почему резина черного цвета
Шины всегда были круглыми, но как насчет цвета, почему они должны быть черными? Если вы когда-нибудь задумывались, почему это так, у нас есть ответ для вас! Прочтите нашу статью по этому вопросу и проверьте, какие свойства черных шин являются наиболее важными.
Что делает шину черной?
Черный цвет шины происходит от пигмента, используемого для изготовления шин, то есть сажи. По своему дизайну его добавляют не в качестве красителя, а скорее для улучшения свойств вулканизированной резины. Технический углерод улучшает износостойкость резины, продлевает срок ее службы и долговечность.
Конечно, есть и другие преимущества добавления сажи. Этот состав снижает риск деформации, шина лучше сохраняет свою первоначальную форму, что приводит к снижению трения и сопротивления качению. Сажа также выполняет дополнительную функцию демпфирования, которая уменьшает удары кузова, улучшая эффективность подвески и комфорт вождения.
Углеродная сажа является компонентом, ответственным за черноту шин.
Из-за наличия сажи в составе шины не затвердевают даже при очень низких температурах. Это снижает риск деформации и обеспечивает плавность хода.
Сажа также является важным фактором, когда речь заходит об эстетике шин. Черный цвет прекрасно сочетается с широким спектром оттенков, в которых выпускаются современные автомобили. Если бы это было иначе, производителям пришлось бы выбирать разные цвета шин для каждого цвета автомобиля отдельно, чтобы улучшить их внешний вид. Многие водители также говорят, что черные шины не выглядят плохо, когда они пачкаются по сравнению с их белой альтернативой.
Всегда ли использовались черные шины?
Мало кто знает, что у первой машины были белые шины. Это было связано с отсутствием сажи и других черных пигментов. Вместо этого в этих ранних продуктах использовался кремовый цвет натурального каучука.
Однако чистая резина, особенно после вулканизации, очень мягкая и поэтому не очень устойчива к износу. Кроме того, она нагревается довольно быстро, что увеличивает вероятность деформации. Резина была обогащена дополнительными веществами, чтобы сделать шины лучше при более высоких температурах. Одним из исходных соединений был оксид цинка, который имел характерный светло-белый цвет. Так же, как сажа делает шину черной, так и оксид цинка отбеливал покрышки.
Самые старые автомобили использовали белые шины без сажевого наполнителя.
Это изменилось во время Первой мировой войны, когда началось массовое производство технического углерода, и были оценены его свойства, обеспечивающие жизнеспособность и рассеивание тепла. Первоначально сажа использовалась только в протекторах, из-за которых боковины оставались белыми. Именно поэтому винтажные шины имеют характерные белые боковины – благодаря использованию оксида цинка.
Доступны ли другие цвета шин?
Конечно, цветные шины можно найти на вторичном рынке или в магазинах, но они редко приносят какие-либо преимущества, кроме чисто эстетических.
Совершенно новые шины.
При покупке новых шин на них можно увидеть цветные полоски, но они не имеют значения для водителя. Шины маркируются на заводах, и это своего рода код, понятный для данного производителя. Покраска происходит после окончания производственного процесса, и цвет не является частью смеси, а только абразивная краска на протекторе.
Почему автомобильная резина черная?
Технологии шин прошли долгий путь с тех пор, как Ford Model T впервые выкатился с завода в 1908 году. Современные шины не только отличаются по размерности, сложности и общей структуре, но также имеют совершенно другой цвет в отличие от старой резины, применяемой в автопромышленности. Напомним, что первые шины были белыми, и только после Первой мировой войны они стали черными. И вот почему.
Вы когда-нибудь видели старый автомобиль, выпущенный в начале 20 века? Например, обратите внимание на первые модели Ford T. Вы наверняка замечали, что у некоторых первых машин были белые шины. Но у некоторых старых машин колеса оснащались черной резиной, примерно такого же цвета, как мы привыкли видеть сегодня.
Но вот вопрос: почему много старых автомобилей имели белую резину? Мы связались с представителем компании Michelin, чтобы разгадать эту тайну.
Вот что нам рассказал представитель компании:
А все это стало возможным благодаря открытию инженера-химика Джека Кенига, который научным путем доказал, что без добавления в состав резины сажи шин хватит максимум на 8000 км. Для сравнения: благодаря саже и современным материалам ресурс сегодняшних автомобильных шин составляет от 12 000 до 30 000 км. Также за счет сажи увеличился срок службы шин по времени. Например, даже самая дешевая резина сегодня может без особых проблем служить три, четыре, пять и более лет. Вы представляете, как быстро изнашивалась резина, выпускаемая автопромышленностью в начале 21 века, по сравнению с сегодняшними покрышками?
В том числе представитель компании Michelin заявил, что углеродная сажа в настоящий момент составляет до 30 процентов от общего состава резины. Кроме того помимо увеличения износостойкости сажа придает шинам черный цвет. Это защищает резину от ультрафиолетовых лучей, которые могут вызывать растрескивание шин. В том числе сажа дает пластичность шинам, что улучшает сцепление с дорогой.
Кстати, о преимуществах добавления сажи в состав покрышек рассказывает и компания Whitewall, отмечая, что сажа делает шины крепче. В своем блоге об уникальном свойстве сажи, добавляемой при производстве шин, пишет и компания Goodyear, подчеркивая, что сажа улучшает устойчивость покрышек к озону, а также дает им лучшее сцепление с дорожной поверхностью. В том числе Goodyear говорит о том, что сажа помогает протектору резины переносить тепло, которое образуется от сцепления с дорогой, что увеличивает срок службы покрышек.
Так, а теперь пришло время спросить:
Что такое углеродная сажа?
Углеродная сажа является продуктом углеводорода, прошедшего неполное сгорание и чей «дым» содержит мелкие черные частицы, состоящие полностью из элементарного углерода.
На протяжении многих лет углеродная сажа изготавливалась различными способами. Например, раньше ее получали с помощью масляной лампы, пламя которой попадало на холодную поверхность, где и образовывалась порошкообразная сажа (летучая сажа), которую нужно было счищать. На протяжении многих веков эта сажа использовалась в качестве чернил.
Но в 1970-х годах произошел прорыв, который назвали канальным процессом. По сути, в мире появилась новая технология добычи углеродной сажи путем сжигания природного газа с применением водяного охлаждения с помощью металлических каналов. В результате этого процесса образуются углеродные отложения.
Причем эта технология позволила добывать сажу в больших промышленных масштабах, что в итоге повлияло и на производство резины. Причем этот прорывной инновационный способ получения сажи позволял добывать более мелкую фракцию углерода, которую было удобно добавлять в автомобильную резину.
В итоге благодаря новой технологии добычи углеродной сажи в автомире появилась более долговечная резина, способная проезжать более 20 000 км и служить несколько лет. Это реально был мировой прорыв.
К сожалению, этот процесс добычи сажи не был эффективным и экологически чистым. Вот фото снимок, который демонстрирует, как дым от таких производств распространялся на многие километры от места добычи сажи.
Сегодня основной способ добычи сажи называется «печным процессом». Нефть или газ закачивается в печь, где сгорает вместе с предварительно нагретым кислородом (см. рисунок ниже).
Высокие температуры этой реакции заставляют исходное сырье превращаться в дым, который охлаждается водой и отфильтровывается в виде крошечных кусочков сажи и газа. Далее получается тонкоизмельченный порошок, который с помощью воды и связывающих химических веществ принимает необходимую форму.
Порошок углеродной сажи чрезвычайно тонкий. Для того чтобы увидеть истинную форму материала, необходимо использовать электронный микроскоп, через который можно обнаружить крошечные частицы размером от 10 до 500 нм.
Посмотрев в такой микроскоп на сажу, вы увидите, как структура этого вещества сливается в цепи различной формы.
По словам представителя компании Birla Carbon, которая является крупнейшим в мире производителем сажи, размер частиц, а также составных «агрегатов» позволяет при смешивании с резиной давать ей сопротивление качению, прочность, черный цвет, проводимость и погодоустойчивость.
Кстати, в мире существует множество различных марок сажи, которые классифицируются в зависимости от их площади поверхности, а также скорости отверждения резины.
Дело в том, что сажа добавляется не только в шины, но и практически в любые резиновые изделия: в резиновые конвейерные ленты, подушки двигателя, приводные ремни и, конечно, в высокопроизводительные покрышки.
Как мировая война, возможно, стала причиной появления черных шин
История того, как шины получили свой черный цвет, сложная и увлекательная, но также и мутная. В автомире существуют разные версии, когда именно и из-за чего впервые производители шин решили использовать углерод.
Вполне возможно, что черными шины стали в результате нехватки боеприпасов во время Первой мировой войны.
Так, есть версия, что в начале 1900-х годов производители шин выяснили, что они могут добавлять к каучуку оксид магния для увеличения прочности покрышек. Но оксид магния был необходим в промышленности для производства боеприпасов во время Первой мировой войны.
Дело в том, что в те годы для изготовления боеприпасов использовали латунь и медь, которой катастрофически не хватало. В итоге производителям шин запретили при изготовлении продукции использовать не только латунь, но и оксид меди. Так что производители были вынуждены искать какие-то другие химические вещества для увеличения прочности и долговечности автомобильных покрышек. И это вещество было найдено. Им стала сажа.
Кстати, представитель компании Michelin также рассказал нам, что первые черные шины их компания выпустила в 1917 году, они назывались «Universal Tread Covers» и рекламировались как шины, построенные для «всех дорог и любых погодных условий».
Но компания Michelin была не первой, кто начал добавлять в шины сажу. Как мы уже сказали, многие производители покрышек это начали делать еще во время Первой мировой войны. В итоге уже к началу массового производства автомобилей многие из них уже поставлялись с черной резиной благодаря саже, которая сделала шины крепче и долговечнее. Но шины могли быть еще лучше, если бы у производителей во время Первой мировой войны был доступ к альтернативным химическим веществам, которые, также как и сажа, улучшают свойства резины.
В общем, факт остается фактом: именно во время Первой мировой войны сажа взяла верх над другими химическими веществами, ранее популярными у производителей автомобильных покрышек. В частности, повторим, что производители шин перестали добавлять в них оксид цинка, магния и т. д. Но мир не пожалел об этом, а также покупатели автомобилей. Шины из-за сажи не только стали выглядеть более стильно, но и стали по качеству даже лучше, чем при добавлении других химических веществ. А самое главное – шины с сажей максимально долго сохраняют свой цвет и защищают покрышки от разрушительного воздействия ультрафиолета.
Ну и, наконец, что больше всего удивляет, это то, что на протяжении стольких лет сажа используется и в современных шинах. Как ни странно, за долгие годы автопромышленность так и не изобрела более эффективную альтернативу саже для использования ее в автомобильной резине.
Так что скажите спасибо тем, кто решил применять в начале 20 века в шинах сажу. Иначе, вполне возможно, автомобильные колеса сегодня имели бы странный, некрасивый цвет.
Озон в атмосфере – разрушительно действует на шины и другие резиновые изделия. Ультрафиолет попадает на резину, вызывая негативную реакцию с полимерами в шинах. Постепенно разрушая их.
Для защиты от вредного действия, в полимеры добавляют нейтрализатор, который «поглощает» ультра-фиолетовых излучения. Все производители применяют один и тот же материал – газовую сажу. Поэтому шины имеют такой масляно-черный цвет.
Со временем, сажа теряет свойства и утрачивает яркий черный цвет, приобретая серые оттенки. Поэтому старые шины всегда серого цвета.
Для дополнительной защиты от солнечных лучей и озона, в шины добавляют воск со специальной формулой. Когда шины в движении, от нагрева, молекулы воска выступают на поверхность протектора, создавая защитный слой. В шинной индустрии этот процес называется блюминг.
Когда шины долго без движения, блюминг не происходит, соответственно защитный слой не образуется и вредное солнечное излучение начинает буквально «выедать» полимерный состав. Шины сохнут и трескаются, очень быстро приходя в негодность.
Интересный исторический факт, но шины не всегда были черного цвета. Одно время, новые шины были только белого цвета.
Недостаток был в том что они были очень мягкими, то есть легко лопались и пробивались. Но при этом все равно пользовались спросом, так как езда на них была комфортной. Стоили эти шины дороже обычных.
Позже шины стали делать белыми только по бокам, так как протектор все равно быстро загрязнялся и становился черным от дорожной грязи.
Со временем появились шины с добавлением сажи, полностью черные которые и стали стандартным цветом, как мы их знаем сегодня.
Для чего сажа в шинах
Белое и черное:
усиливающие наполнители резины
Черная сажа
Технический углерод является основным усиливающим наполнителем резиновых смесей; при его введении увеличивается прочность резин, сопротивление истиранию, раздиру. В особенности велика роль технического углерода для вулканизатов на основе синтетических каучуков, которые без подобной модификации механических свойств не могли бы получить такого широкого применения.
Как основной усилитель каучука технический углерод начали применять с 1918 г., главным образом в протекторных резинах для шин. С переходом резиновой промышленности на синтетические каучуки потребление технического углерода значительно увеличилось. В настоящее время 90% производимого технического углерода потребляется резиновой промышленностью [1].
Технический углерод представляет собой тонкодисперсное порошкообразное вещество, полученное сжиганием или термическим разложением газообразных или жидких углеводородов.
Для получения резин с разнообразными физико$механическими свойствами создают различные виды технического углерода. Сегодня выпускают большое число различных марок технического углерода. Они различаются способом производства, видом используемого сырья, физико-химическими характеристиками и элементным составом, а также размером частиц, которые характеризуются удельной поверхностью.
В настоящее время более 90% выпускаемого и потребляемого технического углерода составляет печная сажа. Печи могут работать на газовом или жидком топливе, а также на смесевых топливах. Высокоароматическая нефть впрыскивается в нагревательную камеру, в которой находятся продукты сгорания газообразного или жидкого топлива. Впрыскиваемая нефть термически разлагается, образуя частички сажи. Последующая обработка включает охлаждение водой, отделение частичек от газообразных продуктов и сбор сажи.
Физические и химические свойства cажи, полученной таким непрерывным методом, зависят от исходного сырья, скорости впрыскивания, температуры печи и ее конструкции. Большая часть саж гранулируется обкаткой в барабанах или перемешиванием в специальных агрегатах для уменьшения пылеобразования. До второй мировой войны большая часть саж выпускалась канальным методом. При этом способе пламя от множества небольших газовых горелок направляется в чугунные трубы, в которых и образуется сажа. Затем она удаляется механическим способом с поверхности каналов, собирается и упаковывается. В настоящее время газ часто обогащают жидкими топливами [1].
Для канальной сажи обычно характерны низкие рН из-за хемосорбции кислородосодержащих групп на поверхности. Хотя для наполнителей кислотность сажи не так важна, все же рекомендуется выбирать тип сажи с оптимальными химическими свойствами поверхности. Поскольку в процессе производства канальная сажа не охлаждается водой, получаемый продукт не содержит золу, как это часто имеет место в печном процессе.
Факторами, влияющими на качество сажи в канальном процессе, является размер и тип горелки, температура, расстояние от пламени до канала, а также концентрация кислорода. Производство и потребление канальной сажи резко упало по двум причинам.
Во-первых, печные сажи могут использоваться для большинства целей, для которых раньше применяли канальную сажу. Даже в полимерах, требующих большой кислотности сажи, обычно можно использовать печную сажу, подвергнутую оксидированию при последующей переработке.
Во-вторых, печной процесс является более эффективным и легко регулируемым методом производства сажи. С точки зрения охраны окружающей среды это гораздо более чистый метод. К тому же, канальный метод в значительной мере основан на использовании природного газа, тогда как в последнее время наметилась тенденция опережающего роста цен на газ по сравнению с ценами на жидкие топлива, используемые в печном методе.
В отличие от канальной и печной сажи, термическая сажа получается в результате термического разложения газообразных углеводородов в отсутствие кислорода. Она имеет очень большие размеры частиц, которые практически не агрегируются в цепочечные и разветвленные структуры (в отличие от печной и канальной сажи), а также почти не содержат химически сорбированного кислорода.
Термическая сажа имеет самую низкую стоимость, поэтому сочетание свойств и низкой стоимости обусловило ее широкое использование в качестве наполнителей эластомеров [1]. Как и в случае канальной сажи, свойства термической сажи сильно зависят от качества газа.
Еще древние египтяне и китайцы знали способ получения ламповой сажи: они сжигали масло или жир, а образующуюся копоть осаждали на охлажденный фарфор. В XIX веке таким способом производилось значительное количество ламповой сажи, правда, сборочные камеры стали более совершенны. Хотя сгорание нефтяных продуктов в условиях ограниченного доступа воздуха и дает ценную сажу с большими размерами частиц и высокой структурностью, в этом процессе трудно избежать загрязнения окружающей среды.
Ацетиленовая сажа, как и термическая, образуется в результате термического разложения ацетилена с выделением тепла, поддерживающего реакцию без подвода его извне. Чрезвычайно высокая структурность ацетиленовой сажи обусловила ее использование в сухих батареях. Высокая структурность и малое содержание летучих веществ обеспечивают высокую электропроводность наполненных ею резин.
Современные методы исследования позволили с достаточной достоверностью установить, что частицы технического углерода имеют сферическую или близкую к сферической форму. При образовании технического углерода в процессе роста частиц происходит их столкновение в реакционной среде, в результате чего они могут срастаться, образуя прочные агрегаты, называемые первичными. Наличие первичных агрегатов, их размер и форма обусловливают свойство технического углерода, называемое структурностью.
Кроме углерода в техническом углероде содержатся водород и сера, которые переходят в него из сырья и распределяются по всему объему частицы, а также кислород, который попадает в технический углерод при его окислении и концентрируется преимущественно в поверхностном слое частицы.
Технический углерод содержит минеральные вещества, которые могут попасть в него при охлаждении водой в процессе производства.
Структурность технического углерода определяется степенью развитости первичных агрегатов. Степень развития цепочечной структуры зависит от способа получения технического углерода и от используемого сырья. Особенно благоприятен для образования первичных агрегатов печной способ производства. Возникающие между частицами химические связи углерод–углерод обусловливают высокую прочность первичных агрегатов. Количество элементарных первичных частиц в таких агрегатах колеблется от 2–3 для низкоструктурных марок технического углерода до 200–600 для высокоструктурных [2].
Первичные агрегаты, соприкасаясь, образуют менее прочные вторичные структуры. Они, как правило, тем больше, чем меньше размер частиц и чем больше шероховатость и содержание кислородных групп на их поверхности. Вторичная структура, даже наиболее прочная, при введении технического углерода в резиновую смесь разрушается, но может образовываться вновь при смешении, хранении, вулканизации, а также при отдыхе вулканизованной резины.
Прямым методом определения структурности технического углерода является электронная микроскопия; косвенным методом определения структурности является метод масляного числа.
Плотность технического углерода как материала, состоящего из отдельных частиц или агрегатов, промежутки между которыми заполнены воздухом, характеризуется насыпной плотностью. Насыпная плотность технического углерода составляет 50–300 кг/м3, причем чем больше его структурность, тем меньше насыпная плотность. При такой малой насыпной плотности транспортирование и переработка технического углерода очень затруднительны.
Для удаления из технического углерода посторонних примесей, а так-же для увеличения его насыпной плотности и улучшения технических свойств он подвергается специальной обработке. Подготовка технического углерода заключается в удалении из него посторонних примесей и уплотнении.
Технический углерод, полученный любым способом, может содержать посторонние включения: грит (спекшиеся частицы углерода) и окалину (от металлических частей аппаратуры). Эти примеси значительно ухудшают механические свойства резин, особенно динамическую прочность.
Для удаления окалины технический углерод пропускают через магнитные сепараторы, а для уменьшения размеров частиц грита пропускают через микроизмельчители, в которых крупные частицы дробятся. В некоторых случаях посторонние включения удаляются путем отвеивания [2].
Наиболее распространенным способом уплотнения технического углерода, значительно улучшающим его технологические свойства, является гранулирование. При гранулировании, которое проводят мокрым или сухим способами, происходит агломерация порошкообразного технического углерода в мелкие сферические частицы — гранулы. Для обеспечения хороших технологических свойств технического углерода необходимо, чтобы гранулы имели узкий фракционный состав по размеру. Поэтому, после окончания процесса гранулирования гранулы обычно просевают через сита для отбора фракции требуемого размера обычно 0,5–1,5 мм. Более крупные и более мелкие гранулы поступают на дробление и снова возвращаются на агломерацию.
Гранулы должны иметь определенную прочность, различную для разных марок технического углерода. С увеличением размеров первичных частиц и структурности гранулирование технического углерода затрудняется, а получающиеся гранулы имеют меньшую прочность.
Гранулирование технического углерода обеспечивает повышение его насыпной плотности от 50–300 до 350–450 кг/м3, уменьшает пыление, облегчая транспортировку и дозирование, и время смешения с каучуком.
Наряду с размерами частиц и структурностью, решающую роль при выборе сажи могут играть химические свойства ее поверхности, главным образом, количество адсорбированных на ней кислородосодержащих групп, которое можно определять различными способами. Кислотность поверхности, т. е. рН водной взвеси сажи, является косвенным показателем содержания летучих компонентов. При этом более низкое значение рН отвечает высоким концентрациям кислородсодержащих летучих веществ.
верхности служит индекс поглощения дифенилгуанидина (ДФГ). Чем выше его значение, тем более активна поверхность. Прямым методом определения летучих веществ является измерение потери массы при 950 ± 20 °С. Сильнокислотные сажи обычно обладают ускоренной диспергируемостью, придают меньшую вязкость смесям и большую интенсивность черного цвета.
Одной из характеристик саж, непосредственно связанной с размером частиц, структурностью и содержанием летучих веществ, является электропроводность. Сажа используется для ускорения стекания статических зарядов, которые накапливаются в резиновых изделиях. Возникновение проводимости при использовании сажи связано с образованием цепочек из ее частиц, обладающих электронной проводимостью. Поэтому для повышения электропроводности саже должна быть придана высокая структурность и малый размер частиц. Поскольку кислородосодержащие поверхностные группы уменьшают электропроводность частиц и затрудняют их агрегирование, наиболее эффективными являются «чистые», т. е. с малым содержанием летучих компонентов, сажи.
Промышленность выпускает печные сажи, специально удовлетворяющие эти требования. Оптимальная проводимость достигается соответствующим выбором сажи, ее концентрации (обычно более 25%) и правильным диспергированием. Слишком длительное диспергирование может привести к снижению проводимости из-за сдвига и разрушения цепочечных структур [1].
Проводимость определяется не только типом сажи, но и степенью дисперсности, концентрацией сажи и электрическими свойствами самого полимера. Одним из условий усиливающего действия технического углерода является его максимальное диспергирование в резиновой смеси. Однако диспергировать технический углерод можно до определенного предела. Под предельным диспергированием понимают распределение технического углерода в смеси в виде частиц или первичных агрегатов при полном разрушении вторичных агрегатов (структур). В промышленных смесях часть технического углерода находится в виде комочков и, следовательно, реальная площадь контакта меньше его удельной поверхности [2].
В процессе смешения происходит адсорбция эластомера на поверхности частиц гранул технического углерода, причем адсорбированный эластомер не может быть полностью удален с поверхности частиц действием растворителей. Это свидетельствует о хемосорбции полимера на частицах технического углерода. Образованию прочных связей между макромолекулами каучука и частицами наполнителя способствуют процессы механодеструкции, протекающие в процессе смешения и сопровождающиеся возникновением свободных радикалов, которые могут взаимодействовать с техническим углеродом. В результате при смешении каучука с техническим углеродом образуется нерастворимый гель (сажекаучуковый гель), и содержание в этом геле связанного каучука зависит от содержания технического углерода в смеси, от его марки, дисперсности, структурности и свойств поверхности, а также от природы эластомера и условий смешения. Как правило, чем больше усиливающее действие технического углерода, тем больше образуется нерастворимого геля.
«Белая сажа»
«Белая сажа» представлена двумя разновидностями двуокиси кремния — собственно белой сажей и аэросилом. Эти наполнители также относятся к усиливающим, хотя объем их потребления ниже, чем технического углерода, в частности, по причине более высокой стоимости. Однако, в ряде случаев, например, для получения прочных светлых или цветных резин, используется именно белая сажа.
Белая сажа — это двуокись кремния, полученная из силиката натрия осаждением кислотой. Она характеризуется умеренно кислой реакцией и содержит примеси, диаметр частиц равен приблизительно 20–30 m?, удельная поверхность 110–160 м2/г.
Лучшие результаты дает аэросил, приготовленный сжиганием четыреххлористого кремния в токе водорода или светильного газа. Свойства разных типов двуокиси кремния приведены в таблице.
Промышленное производство аэросила началось в 1942 году; во время второй мировой войны Германия производила большое количество высокодисперсной двуокиси кремния или кремнезема К-3, названного аэросилом.
Производство аэросила как активного наполнителя быстро возрастало.
В 1952 году компания «Кэбот», США предложила на рынки США аэросил. В следующем году «Кэбот» присвоила ему товарное наименование «кэбосил».
Компания «Дау Корнинг», США по лицензиям концерна «Дегусса» также выпускает аэросил.
в США аэросил находит применение во многих отраслях промышленности.
Среди кремнеземных наполнителей, вырабатываемых в Германии, следует отметить дуросил, сифлокс, ультрасил, вулкасил и др.
Япония производит гидратированные кремнеземы — микросил и нисил, Англия — маносил [4].
Для получения аэросила из четыреххлористого кремния пар этого продукта подвергается гидролизу в пламени водорода или природного газа.
Изготовление двуокиси кремния через газообразную моноокись кремния оказалось нерентабельным.
В США был получен безводный «кремнезем Линде» сжиганием хлорсиланов, однако он был вытеснен более дешевыми кремнеземами.
Дисперсный кремнезем можно получать путем окисления паров четыреххлористого кремния воздухом во взвешенном слое инертного вещества.
В отдельных случаях применяется гидролиз четыреххлористого кремния SiCl4 в жидкой фазе, но это неизбежно связано с отмывкой, сушкой и прокаливанием продукта.
Аэросил — продукт гигроскопический и, в зависимости от ряда факторов, поглощает больше или меньше влаги. В момент получения аэросил содержит не более 2% влаги, а при относительной влажности воздуха 80% и хранении в бумажных мешках влажность аэросила достигает 7%. В бумажных с битумным слоем или полиэтиленовых мешках влажность его не превышает 3%.
Аэросил рентгеноаморфен, его показатель nD20 преломления равен 1,452. В жидкостях с таким же показателем преломления аэросил дает прозрачные дисперсии.
Частицы аэросила несут отрицательный заряд.
При добавлении материала в жидкость она сгущается до гелеобразного состояния.
Для органических жидкостей, не образующих с аэросилом водородных мостиков, достаточно 5–6% аэросила, например, для четыреххлористого углерода, а для жидкостей, образующих водородные мостики, необходимо свыше 15% аэросила, чтобы довести их до консистенции геля.
Известен и применяется в промышленности способ получения белой сажи путем разложения находящегося в растворе силиката натрия аммонийными солями.
Частицы белой сажи — угловатые или округлой формы, дисперсность изменяется от 50 до 280 м2/г, состояние — аморфное.
Исследованию усиливающего действия белой сажи посвящено меньшее количество работ по сравнению с аэросилом, хотя использование белой сажи как наполнителя практически равняется применению аэросила.
На поверхности частиц белой сажи и аэросила содержатся гидроксильные и силанольные группы, которые являются активными центрами сорбции и обусловливают наряду с другими факторами высокую усиливающую способность этих наполнителей.
Существуют и другие светлые наполнители, которые не являются усиливающими, однако находят достаточно широкое применение для наполнения резин. Они улучшают некоторые показатели, позволяют регулировать технологические свойства и, будучи дешевыми, уменьшают себестоимость резин. Среди этих наполнителей следует отметить: мел, каолин, гипс, тальк, оксид цинка.
ЛИТЕРАТУРА
«Зеленая» шина
Рис.1. Химия поверхности техуглерода и кремнезема.
Рис.2. Магический треугольник
Из рисунка следует очевидная прямая зависимость между степенью диспергирования наполнителя и износостойкостью резин.
Новый кремнезем Ультрасил 7000 заметно превосходит по этим показателям кремнезем Ультрасил VN 3, освоенный еще в 1951 году. Более высокая дисперсность наполнителя обеспечивает большую скорость взаимодействия силанольных групп на поверхности частиц с триэтоксигруппами силана. Развивается и техника измерений свойств наполнителей.
Рис.4. Сравнение ЕХР 7006 с ультрасилом VN2 и техническим углеродом N660.
Шины с протектором, содержащим кремнезем вместо ТУ появились на рынках Европы в 1973 году. Было произведено и продано 400 тыс. шин с голубым протектором, однако затем из-за технологических трудностей их производство было прекращено.
В настоящее время фирма Континенталь выпускает широкий ассортимент шин:
4 размера серии 80,
7 размеров серии 70
7 размеров
серии 65 категорий S скорость до 180 км/час и Т до 190 км/час, в протекторах которых содержится только 5% ТУ для придания обычного черного цвета и снижения электризуемости поверхности.
Эти покрышки, по данным фирмы, позволяют экономить до 5% топлива и имеют на 30% большую долговечность.
4,75 доллара на шину.
Часть фирм-производителей шин сохраняет традиционную рецептуру, основанную на применении ТУ, но, используя новые типы этого наполнителя, добились заметного изменения гистерезисных характеристик и, как результат, экономии топлива.
Фирма Avon разработала свою экошину CR 322, которая полностью соответствует «зеленой» шине фирмы Мишлен. но не содержит кремнезема в протекторе.
Аналогичную политику проводит фирма Nokian, разработавшая зимнюю шину с новым типом ТУ. Другие производители готовы пойти на компромисс и использовать смеси ТУ и кремнезема.
Еще один подход предлагают ученые
В заключение два важных момента