silice précipitéeLe caoutchouc est une charge de renforcement importante dans l'industrie du caoutchouc. Ses diverses propriétés influent, directement ou indirectement, sur la résistance à l'abrasion du caoutchouc en agissant sur l'interaction interfaciale avec la matrice, la dispersion et les propriétés mécaniques de ce dernier. Nous analysons ci-dessous, en partant des propriétés clés, leurs mécanismes d'influence sur la résistance à l'abrasion du caoutchouc :
1. Surface spécifique (BET)
La surface spécifique est l'une des propriétés les plus fondamentales de la silice, reflétant directement sa surface de contact avec le caoutchouc et sa capacité de renforcement, ce qui a un impact significatif sur la résistance à l'abrasion.
(1) Influence positive : Dans une certaine plage, l’augmentation de la surface spécifique (par exemple, de 100 m²/g à 200 m²/g) accroît la surface de contact interfaciale entre la silice et la matrice de caoutchouc. Ceci renforce l’adhérence interfaciale par « effet d’ancrage », améliorant ainsi la résistance à la déformation et le renforcement du caoutchouc. De ce fait, la dureté, la résistance à la traction et la résistance au déchirement du caoutchouc augmentent. Lors de l’usure, il est moins sujet au détachement de matière dû à des contraintes locales excessives, ce qui améliore significativement sa résistance à l’abrasion.
(2) Influence négative : Si la surface spécifique est trop importante (par exemple, supérieure à 250 m²/g), les forces de van der Waals et les liaisons hydrogène entre les particules de silice se renforcent, favorisant l’agglomération (surtout en l’absence de traitement de surface) et entraînant une forte diminution de la dispersibilité. Les agglomérats forment des « points de concentration de contraintes » au sein du caoutchouc. Lors de l’usure, la rupture a tendance à se produire préférentiellement autour des agglomérats, réduisant ainsi la résistance à l’abrasion.
Conclusion : Il existe une plage de surface spécifique optimale (généralement de 150 à 220 m²/g, variant selon le type de caoutchouc) où la dispersibilité et l'effet de renforcement sont équilibrés, ce qui donne une résistance optimale à l'abrasion.
2. Taille et distribution des particules
La taille des particules primaires (ou la taille des agrégats) et la distribution de la silice affectent indirectement la résistance à l'abrasion en influençant l'uniformité de la dispersion et l'interaction interfaciale.
(1) Taille des particules : Les particules de plus petite taille (généralement corrélées positivement à la surface spécifique) présentent des surfaces spécifiques plus importantes et un effet de renforcement plus marqué (comme indiqué précédemment). Cependant, des particules de taille excessivement petite (par exemple, taille des particules primaires < 10 nm) augmentent considérablement l’énergie d’agglomération entre les particules, ce qui accroît fortement la difficulté de dispersion. Il en résulte des défauts locaux, réduisant la résistance à l’abrasion.
(2) Granulométrie : La silice à granulométrie étroite se disperse plus uniformément dans le caoutchouc, évitant ainsi les points faibles formés par les grosses particules (ou agglomérats). Si la granulométrie est trop large (par exemple, contenant des particules de 10 nm et de plus de 100 nm), les grosses particules deviennent des points d’amorçage d’usure (s’usant préférentiellement lors de l’abrasion), ce qui diminue la résistance à l’abrasion.
Conclusion : La silice à granulométrie fine (correspondant à la surface spécifique optimale) et à distribution étroite est plus bénéfique pour améliorer la résistance à l'abrasion.
3. Structure (valeur d'absorption du DBP)
La structure reflète la complexité ramifiée des agrégats de silice (caractérisée par la valeur d'absorption du DBP ; une valeur plus élevée indique une structure plus complexe). Elle influe sur la structure du réseau du caoutchouc et sa résistance à la déformation.
(1) Influence positive : La silice à structure complexe forme des agrégats ramifiés tridimensionnels, créant un réseau squelettique plus dense au sein du caoutchouc. Ceci améliore l’élasticité et la résistance à la déformation rémanente du caoutchouc. Lors de l’abrasion, ce réseau amortit les forces d’impact externes, réduisant l’usure par fatigue due aux déformations répétées et améliorant ainsi la résistance à l’abrasion.
(2) Influence négative : Une structure trop dense (absorption de DBP > 300 mL/100 g) favorise l’enchevêtrement des agrégats de silice. Il en résulte une forte augmentation de la viscosité Mooney lors du mélange du caoutchouc, une mauvaise fluidité de mise en œuvre et une dispersion hétérogène. Les zones présentant localement une structure trop dense subissent une usure accélérée due à la concentration des contraintes, ce qui réduit la résistance à l’abrasion.
Conclusion : La structure moyenne (absorption de DBP de 200 à 250 mL/100 g) est plus adaptée pour équilibrer la facilité de mise en œuvre et la résistance à l'abrasion.
4. Teneur en hydroxyle de surface (Si-OH)
Les groupes silanol (Si-OH) à la surface de la silice sont essentiels pour influencer sa compatibilité avec le caoutchouc, affectant indirectement la résistance à l'abrasion par le biais de la force de liaison interfaciale.
(1) Sans traitement : Une teneur excessive en groupes hydroxyle (> 5 groupes/nm²) favorise l’agglomération des particules par liaisons hydrogène, ce qui nuit à la dispersion. Par ailleurs, la faible compatibilité des groupes hydroxyle avec les molécules de caoutchouc (majoritairement non polaires) entraîne une faible adhésion interfaciale. Lors de l’usure, la silice a tendance à se détacher du caoutchouc, réduisant ainsi la résistance à l’abrasion.
(2) Traitement avec un agent de couplage silane : Les agents de couplage (par exemple, Si69) réagissent avec les groupes hydroxyle, réduisant l’agglomération interparticulaire et introduisant des groupes compatibles avec le caoutchouc (par exemple, des groupes mercapto), ce qui renforce l’adhérence interfaciale. Il se forme alors un ancrage chimique entre la silice et le caoutchouc. Le transfert de contraintes devient uniforme et le décollement interfacial est moins probable lors de l’usure, ce qui améliore considérablement la résistance à l’abrasion.
Conclusion : La teneur en hydroxyle doit être modérée (3 à 5 groupes/nm²) et doit être combinée à un traitement par agent de couplage silane pour maximiser la liaison interfaciale et améliorer la résistance à l'abrasion.
5. Valeur du pH
La valeur du pH de la silice (généralement 6,0-8,0) affecte principalement la résistance à l'abrasion de manière indirecte en influençant le système de vulcanisation du caoutchouc.
(1) Acidité excessive (pH < 6,0) : inhibe l’activité des accélérateurs de vulcanisation, ralentissant ainsi la vulcanisation et pouvant même entraîner une vulcanisation incomplète et une densité de réticulation insuffisante du caoutchouc. Un caoutchouc à faible densité de réticulation présente des propriétés mécaniques réduites (par exemple, résistance à la traction, dureté). À l’usure, il est sujet à la déformation plastique et à la perte de matière, ce qui se traduit par une faible résistance à l’abrasion.
(2) Milieu excessivement alcalin (pH > 8,0) : peut accélérer la vulcanisation (en particulier pour les accélérateurs thiazolés), entraînant une vulcanisation initiale trop rapide et une réticulation irrégulière (sur- ou sous-réticulation locale). Les zones sur-réticulées deviennent cassantes, les zones sous-réticulées présentent une faible résistance ; dans les deux cas, la résistance à l’abrasion est réduite.
Conclusion : Un pH neutre à légèrement acide (pH 5,0-7,0) est plus favorable à une vulcanisation uniforme, assurant les propriétés mécaniques du caoutchouc et améliorant la résistance à l'abrasion.
6. Teneur en impuretés
Les impuretés présentes dans la silice (telles que des ions métalliques comme Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ou des sels non réagis) peuvent réduire la résistance à l'abrasion en endommageant la structure du caoutchouc ou en interférant avec la vulcanisation.
(1) Ions métalliques : Les ions de métaux de transition comme Fe³⁺ catalysent le vieillissement oxydatif du caoutchouc, accélérant la rupture des chaînes moléculaires. Il en résulte une dégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau, réduisant sa résistance à l’abrasion. Les ions Ca²⁺ et Mg²⁺ peuvent réagir avec les agents de vulcanisation présents dans le caoutchouc, perturbant la vulcanisation et diminuant la densité de réticulation.
(2) Sels solubles : Une teneur excessive en sels d’impuretés (par exemple, Na₂SO₄) augmente l’hygroscopicité de la silice, ce qui entraîne la formation de bulles lors de la transformation du caoutchouc. Ces bulles créent des défauts internes ; lors de l’usure, la rupture a tendance à se produire à ces endroits, réduisant ainsi la résistance à l’abrasion.
Conclusion : La teneur en impuretés doit être strictement contrôlée (par exemple, Fe³⁺ < 1000 ppm) afin de minimiser les impacts négatifs sur les performances du caoutchouc.
En résumé, l'influence desilice précipitéeLa résistance à l'abrasion du caoutchouc résulte de l'effet synergique de plusieurs propriétés : la surface spécifique et la granulométrie déterminent la capacité de renforcement fondamentale ; la structure influe sur la stabilité du réseau de caoutchouc ; les groupes hydroxyle de surface et le pH régulent l'adhérence interfaciale et l'uniformité de la vulcanisation ; tandis que les impuretés dégradent les performances en endommageant la structure. En pratique, la combinaison de ces propriétés doit être optimisée en fonction du type de caoutchouc (par exemple, un composé de gomme pour bande de roulement de pneumatique, un mastic d'étanchéité). Ainsi, les composés de gomme pour bande de roulement sont généralement composés de silice à surface spécifique élevée, de structure moyenne et à faible teneur en impuretés, associée à un traitement par agent de couplage silane pour maximiser la résistance à l'abrasion.
Date de publication : 22 juillet 2025