4.1.1.2. Усиливающее действие технического углерода

Усиление каучука наполнителем – это такое изменение свойств вулканизата, при котором происходит повышение прочности, твердости, износостойкости, модулей, но снижается эластичность и повышается теплообразование при многократных деформациях. Такое изменение свойств можно объяснить образованием в вулканизатах дополнительных структур.

Согласно современной теории усиление является следствием адсорбционных взаимодействий между макромолекулами каучука и частицами технического углерода, которые могут находиться в резиновой смеси в виде простых агломератов, линейных и даже сетчатых образований. В системе действует очень большое количество слабых электростатических сил, поэтому при деформировании часть молекул каучука легко десорбируется и либо остается свободной, либо адсорбируется другими участками структуры технического углерода. На эту перестройку расходуется напряжение, что позволяет увеличивать степень нагружения. Поэтому разрушение образца произойдет при значительно более высоких напряжениях, когда будут исчерпаны все возможности адсорбции-десорбции.

Наибольшая степень упорядоченности структуры достигается при оптимальном содержании технического углерода, когда его частицы образуют сетчатую структуру. Эта сетка пронизывает массу каучука, а после вулканизации на сетке техуглерода оказывается адсорбированной сетка вулканизата. Обе фазы непрерывны и переплетены, а усиление максимально. При увеличении дозировки наполнителя сверх оптимальной начинают образовываться крупные агрегаты частиц, которые становятся дефектами структуры. На них концентрируются напряжения, и разрывная прочность понижается.

Степень усиливающего действия одной и той же марки технического углерода зависит от свойств каучука, в первую очередь от его кристалличности. При введении активных наполнителей в смеси на основе некристаллизующихся каучуков происходит существенное (до 10 раз) увеличение прочности. В случае кристаллизующихся каучуков (НК) прочность повышается незначительно, но существенно возрастает износостойкость.

Такое различие в степени повышения прочности объясняется различием в степени регулярности структуры. В ненаполненных вулканизатах кристаллизующихся каучуков при растяжении возникают кристаллические области, что обеспечивает высокую разрывную прочность, и происходит так называемое самоусиление. Введение наполнителя мало влияет на степень упорядоченности структуры и, следовательно, на повышение прочности. Наполнение некристаллизующихся каучуков сопровождается ростом упорядоченности, что и приводит к существенному росту прочности.

Определенный вклад в усиление вносит и химическое взаимодействие между функциональными группами, существующими на поверхности частиц технического углерода, и каучуком. Для реализации химического взаимодействия современные способы производства технического углерода обеспечивают получение частиц с более гладким рельефом, но высокой степенью окисленности поверхности.

Согласно адсорбционной теории степень усиления будет зависеть от размеров частиц, их адсорбционной активности и структурности. Чем мельче частицы и выше их структурность (рельефность и окисленность), тем легче они образуют цепочечные и сетчатые структуры, но, с другой стороны, тем труднее диспергируются в массе каучука.

Технический углерод любых марок вводится в каучук медленно, но с увеличением количества введенного наполнителя повышается вязкость резиновой смеси, и, следовательно, растут напряжения сдвига, что позволяет диспергировать следующие порции наполнителя. Одновременно с напряжениями растет и температура смеси, что может привести к преждевременной вулканизации. Во избежание этого смеси с высокоактивными наполнителями всегда изготавливают в две и более стадий с промежуточным охлаждением, а технический углерод вводят порциями, перемежая его с мягчителем.