การประยุกต์ใช้และการพัฒนาวัสดุผงอนินทรีย์ในอุตสาหกรรมยาง

ยางถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคขนส่ง เครื่องจักร อิเล็กทรอนิกส์ การป้องกันประเทศ และภาคส่วนอื่นๆ ของเศรษฐกิจภายในประเทศ อย่างไรก็ตาม ยางก็มีข้อเสียเปรียบที่สำคัญเช่นกัน เช่น แรงระหว่างโมเลกุลต่ำ ปริมาตรอิสระสูง และความสามารถในการตกผลึกต่ำ ส่งผลให้วัสดุยางมีความแข็งแรงและโมดูลัสต่ำ รวมถึงความต้านทานการสึกหรอต่ำ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเติมสารตัวเติมอนินทรีย์และอโลหะเพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานเหล่านี้

โดยทั่วไป สารตัวเติมอนินทรีย์และอโลหะในยางมีหน้าที่หลักๆ ดังต่อไปนี้: การเสริมแรง การเติม (เพิ่มปริมาตร) และการลดต้นทุน การปรับปรุงประสิทธิภาพการแปรรูป การควบคุมคุณสมบัติการวัลคาไนซ์ และการให้ฟังก์ชันพิเศษ

สารตัวเติมแร่อนินทรีย์และอโลหะที่นิยมใช้ในยาง

(1) ซิลิกา

ปัจจุบันซิลิกาเป็นสารเสริมแรงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอันดับสองในอุตสาหกรรมยาง รองจากคาร์บอนแบล็ก สูตรเคมีของซิลิกาคือ SiO2·nH2O โครงสร้างอนุภาคของซิลิกามีช่องว่างจำนวนมาก เมื่อช่องว่างเหล่านี้อยู่ในช่วง 2-60 นาโนเมตร พวกมันจะรวมตัวกับพอลิเมอร์อื่นๆ ได้ง่าย ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ซิลิกาถูกนำมาใช้เป็นสารเสริมแรง ในฐานะสารเสริมแรง ซิลิกาสามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการฉีกขาดของวัสดุได้อย่างมาก นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของยางรถยนต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในยานยนต์ เครื่องมือ อากาศยาน และสาขาอื่นๆ

(2) แคลเซียมคาร์บอเนตชนิดเบา

แคลเซียมคาร์บอเนตชนิดเบาเป็นหนึ่งในสารตัวเติมที่เก่าแก่ที่สุดและถูกใช้อย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรมยาง การเติมแคลเซียมคาร์บอเนตชนิดเบาลงในยางในปริมาณมากสามารถเพิ่มปริมาตรของผลิตภัณฑ์ได้ ซึ่งช่วยประหยัดยางธรรมชาติที่มีราคาแพงและลดต้นทุน ยางเติมแคลเซียมคาร์บอเนตชนิดเบามีความแข็งแรง ความต้านทานการสึกหรอ และความต้านทานการฉีกขาดสูงกว่ายางวัลคาไนซ์บริสุทธิ์ ซิลิกามีฤทธิ์เสริมแรงที่สำคัญทั้งในยางธรรมชาติและยางสังเคราะห์ และยังสามารถปรับความข้นของยางได้อีกด้วย ในอุตสาหกรรมสายเคเบิล ซิลิกาสามารถให้ฉนวนได้ในระดับหนึ่ง (3) ดินขาว

ดินขาวเป็นอะลูมิโนซิลิเกตชนิดน้ำ ซึ่งเป็นแร่ดินเหนียวทั่วไป การนำไปใช้ประโยชน์จริงในยางช่วยเพิ่มความยืดหยุ่น คุณสมบัติการกั้น การยืดตัว และความแข็งแรงดัดของยาง การเติมดินขาวดัดแปลงลงในยางสไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR) ช่วยเพิ่มการยืดตัว ความแข็งแรงในการฉีกขาด และความแข็งชอร์ของยางได้อย่างมีนัยสำคัญ พร้อมทั้งยืดอายุการใช้งาน

(4) ดินเหนียว

สามารถเติมดินเหนียวลงในการผลิตยางรถยนต์ได้ ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของกระบวนการผลิต ดินเหนียวถูกใช้เป็นสารตัวเติมเพื่อลดต้นทุน อย่างไรก็ตาม ต้องใช้ดินเหนียวที่ผ่านการกระตุ้น (activated clay) เพื่อให้การยึดเกาะกับยางง่ายขึ้น ดินเหนียวที่ผ่านการกระตุ้นหรือดัดแปลงสามารถทดแทนคาร์บอนแบล็กในสูตรผสมได้บางส่วน

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเมื่อปริมาณดินเหนียวเพิ่มขึ้น ความแข็ง ความเค้นดึง 300% และความแข็งแรงดึงของสารประกอบยางจะลดลงเล็กน้อย แต่สามารถชดเชยได้ด้วยการปรับระบบวัลคาไนเซชัน เมื่อนำมาใช้ในสูตรดอกยาง หลังจากการปรับปรุงระบบแล้ว ผงทัลค์ยังสามารถลดแรงต้านทานการหมุนได้อีกด้วย

(5) แบเรียมซัลเฟต

สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการต้านทานการเสื่อมสภาพและความทนทานต่อสภาพอากาศของผลิตภัณฑ์ยาง เช่น ยางในรถยนต์และสายพานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงความเรียบของพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ยางได้อีกด้วย ในฐานะสารเติมแต่งยางผง ผงทัลค์ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มอัตราการใช้ผงเท่านั้น แต่ยังมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในแง่ของต้นทุนทางเศรษฐกิจ

(6) ทัลค์

โดยทั่วไปแล้ว ผงทัลค์จะแบ่งออกเป็นผงทัลค์สำหรับอุตสาหกรรมทั่วไปและผงทัลค์ละเอียดพิเศษ ซึ่งผงทัลค์สำหรับใช้เป็นสารเติมแต่งยางนั้นไม่ได้มีบทบาทในการเสริมแรงและมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพของยาง ดังนั้น ผงทัลค์สำหรับอุตสาหกรรมทั่วไปจึงมักถูกนำมาใช้เป็นสารแยก ในทางกลับกัน ผงทัลค์ละเอียดพิเศษมีประสิทธิภาพในการเสริมแรงที่ดี หากใช้เป็นสารเติมแต่งยาง ความแข็งแรงดึงของยางจะเท่ากับแรงดึงที่เกิดจากซิลิกา

(7) กราไฟต์

กราไฟต์จัดอยู่ในกลุ่มแร่ซิลิเกตที่ไม่ใช่โลหะ มีคุณสมบัติการนำความร้อน การนำไฟฟ้า และความลื่นไหลที่ดี การใช้กราไฟต์เป็นสารตัวเติมยางมีกระบวนการคล้ายกับที่ใช้กับมอนต์มอริลโลไนต์ ซึ่งกราไฟต์จะถูกสลายตัวเป็นอนุภาคขนาดนาโนด้วยเทคนิคพิเศษ เมื่ออนุภาคนาโนเหล่านี้รวมตัวกับเมทริกซ์ยาง คุณสมบัติเชิงหน้าที่ต่างๆ ของยางจะดีขึ้น ตัวอย่างเช่น การนำไฟฟ้า การนำความร้อน ความหนาแน่นของอากาศ และคุณสมบัติเชิงกลต่างๆ ล้วนดีขึ้นอย่างมาก