Kako se silicij koristi u gumenoj industriji?

Prijelaz s ugljičnog crnog na silicij (bijeli ugljični crni) u modernim sastavima gume

Silika, koja se često naziva bijeli ugljični crnac, postala je materijal izbora u gumenoj industriji od ranog devedesetih godina prošlog stoljeća kada tvrtke traže ekološki prihvatljivije alternative u odnosu na uobičajeni ugljični crnac. Glavni razlog? Silika pomaže proizvođačima da postignu optimalnu ravnotežu između dobrih performansi gume i ekološki prihvatljive proizvodnje. Uzmimo primjer guma za komercijalna teretna vozila. One koje imaju siliku u svojim gaznim površinama mogu smanjiti otpor kotrljanja za oko 20 do 30 posto u usporedbi s tradicionalnim verzijama s ugljičnim crncem, prema istraživanju objavljenom u časopisu Frontiers in Materials prošle godine. Stroža pravila o učinkovitosti potrošnje goriva kod vozila te bolje vučne osobine na mokrim cestama znatno su ubrzali ovu promjenu, posebno na europskim tržištima i dijelovima Sjeverne Amerike gdje su ekološki standardi obično stroži.

Mehanizmi pojačanja gume silikom

Silika znatno poboljšava gume kompozite zbog načina na koji djeluje fizički i kemijski s materijalom. S površinom koja varira od oko 150 do 200 kvadratnih metara po gramu, silika stvara jače veze između punila i polimera. Osim toga, hidroksilne skupine na njenoj površini mogu stvarati stvarne kemijske veze kada se kombiniraju s silan spajalima. Nedavna istraživanja objavljena 2024. godine ispitivala su ove optimizirane nanokompozite i otkrila nešto zanimljivo: materijali napunjeni silikom pokazali su približno 15% bolju otpornost na kidanje u usporedbi s sličnim materijalima koji koriste ugljični crnilo. Zašto? Jer se naprezanje ravnomjernije raspodjeljuje kroz materijal. Još jedna prednost proizlazi iz amorfne strukture silike u odnosu na grafitoliku strukturu ugljičnog crnila. Ta razlika znači da silika bolje disipira energiju kada materijal prolazi kroz ponavljane cikluse rastezanja i sabijanja, što rezultira poboljšanim performansama u dinamičnim uvjetima kakve nalazimo u gumama ili brtvama koje su podložne stalnom pokretu.

Usporedba performansi guma za kamione: silika u odnosu na ugljični prah

Iako silika zaostaje za ugljičnim prahom u otpornosti na abraziju za 5–8%, njen 40% dulji vijek trajanja profila u stvarnim uvjetima vožnje na autocesti nadoknađuje ovaj nedostatak, prvenstveno zbog boljeg upravljanja toplinom i smanjene histereze.

Rastuća uporaba silice u gumenim za visoke performanse i zelene gume

Više od dvije trećine premium guma za putnička vozila trenutno koristi silicu kao glavni pojačavajući materijal. Ovaj pomak potaknut je prvenstveno propisima Europske unije o označavanju guma te sve većim interesom potrošača za boljom uštedom goriva. Prema nedavnim podacima iz Izvješća o specijalnim kemijskim proizvodima (2023.), proizvođači su zabilježili poboljšanje potrošnje goriva od oko 7 do 9 posto u uvjetima vožnje u gradskim područjima kada njihove zimske gume sadrže punila na bazi silice. Rastući sektor električnih vozila također potiče ovaj trend, jer svojstva silice stvaraju manje unutarnjeg trenja, što postaje sve važnije kod vozila s teškim baterijama gdje svaka jedinica energije ima značaja.

Optimizacija opterećenja punilom za uravnotežena mehanička svojstva

Slatki dio za performanse obično je oko 60 do 80 dijelova na sto guma kada je u pitanju opterećenje silikom. Kada sadržaj punila pređe 100 phr, stvari postaju složenije. Sastav postaje znatno tvrđi, obično za dodatnih 25 do 30 bodova na ljestvici Shore A, ali to dolazi uz cijenu. Otpornost na zamor uslijed savijanja drastično opada, ponekad čak i do 40%. Srećom, moderna proizvodnja napravila je napredak u ovom području. Tehnike poput višestupanjskih procesa miješanja pomažu u održavanju vlačne čvrstoće daleko iznad 18 MPa, čak i kada temperature obrade ostaju ispod 150 stupnjeva Celzijusovih. Upravljanje temperaturom iznimno je važno jer sprječava prerano aktiviranje silana tijekom proizvodnje, što može pokvariti čitavu seriju.

Poboljšanje performansi guma: uloga silike u otporu kotrljanju i vlažnom prihvatu

Razumijevanje 'čarobnog trokuta' performansi gume

Dizajneri guma danas moraju hodati po užetu između tri glavna aspekta: potrošnje goriva koju gume uzrokuju (otpor kotrljanja), sposobnosti da drže mokre ceste (faktor sigurnosti) i vremena trajanja prije nego što se istroše. Silicij je ovdje izuzetan jer pomaže proizvođačima da zaobiđu ono što se često naziva problemom 'čarobnog trokuta'. Kada se gume deformiraju tijekom vožnje, silicij zapravo smanjuje gubitak energije, a da pritom ne smanjuje vuču na mokrim površinama. Nedavna istraživanja objavljena 2024. godine u izvoru Traction News pokazala su nešto vrlo impresivno. Njihovi testovi ukazali su da gume s dodatkom silicija u gaznom sloju mogu smanjiti otpor kotrljanja za 18 do 24 posto u odnosu na one stare smjese s ugljičnim crnim, i to uz zadržavanje jednake ili čak poboljšane učinkovitosti kočenja na mokrom.

Kako silicij modulira histerezu i ponašanje vuče

Porašta struktura silice omogućuje bolje prianjanje između polimera i punila u usporedbi s ugljenim crnim, što znači manje zagrijavanja materijala pri ponovljenom savijanju. Smanjenje stvaranja topline tijekom ovih ciklusa rezultira boljom uštedom goriva za automobile. Ispitivanja pokazuju da smanjenje proizvodnje topline za oko 12% može povećati učinkovitost potrošnje goriva od 5 do 7% u redovnim osobnim vozilima. Zanimljivo je i kako silica djeluje i kemijski. Njezina polarna površina zapravo poboljšava prianjanje između guma i ceste u vlažnim uvjetima. Laboratorijska ispitivanja demonstrirala su prilično impresivne rezultate, gdje je vuča na mokrom dnu porasla čak do 30% u kontroliranim uvjetima.

Poboljšanje učinkovitosti potrošnje goriva u osobnim vozilima s gumenim trakama ispunjenim silicom

Proizvođači automobila prijavljuju prosječnu uštedu goriva od 0,3–0,5 litara na 100 km uz gume poboljšane silikom, što je potvrđeno analizom časopisa Fleet Equipment Magazine iz 2024. godine. To se prevodi u smanjenje emisije CO₂ za 120–200 kg godišnje po tipičnom sedenu. Uvođenje ovih guma povećalo se za 27% u odnosu na prethodnu godinu u europskom auto-motornom sektoru, podstaknuto strožim europskim standardima za emisije koji zahtijevaju označavanje učinkovitosti guma.

Silika nasuprot ugljičnom crnilu: ključne razlike u površinskoj kemiji i kompromisima u performansama

Različiti pristupi tehnologiji punila za održivu mobilnost

Trendovi održivog prijevoza znatno su unaprijedili položaj silicija kao najboljeg materijala u odnosu na ugljični crni prah u proizvodnji guma. Ugljični crni prah još uvijek se široko koristi za teška opterećenja, ali pogledajte današnje brojke – prema istraživanju Smithersa iz prošle godine, silicij čini otprilike 70% svih sastava guma za putnička vozila. Zašto? Jer zapravo rješava one složene kompromise koje donosi ono što u industriji nazivaju problemom 'čarobnog trokuta'. Također, regulative koje potiču bolju učinkovitost goriva svakako pomažu u ovim promjenama. Testovi pokazuju da gume izrađene sa silicijem mogu smanjiti otpor kotrljanja za oko 30% u usporedbi s tradicionalnim alternativama na bazi ugljičnog crnog praha.

Površinska kemija i interakcija polimera: Zašto se silicij veže drugačije

Površina silice sadrži hidroksilne grupe koje zapravo stvaraju veze s molekulama gume putem vodikove veze, nešto što ugljični crnilo jednostavno ne čini jer ima one nepolarne grafitične slojeve. Zbog ove razlike u polaritetu, postoji jača veza na sučelju između silice i gume. No pričekajte, postoji jedan problem. Potrebni su silanski spojni agensi poput TESPT-a, koji stoji za bis-(trietoksisililpropil) tetrasulfid, kako bi se spriječilo zbijanje čestica silice. Studije objavljene u časopisu Rubber Chemistry and Technology još 2022. godine pokazale su da kada se koristi silika s TESPT-om, dobije se oko 40% više unakrsnih veza u odnosu na uobičajene smjese s ugljičnim crnilom. To znači bolju otpornost na kidanje i poboljšane elastične karakteristike ukupno. Ipak, vrijedi napomenuti da ugljično crnilo ostaje popularno jer je lakše u uporabi tijekom proizvodnje i prirodno provodi električnu struju, što ga čini odličnim za primjene u kojima je nagomilavanje statičkog elektriciteta zabrinjavajuće, poput u nekim industrijskim postavkama ili specijaliziranim dijelovima vozila.

Kompromisi u otpornosti na abraziju i obradivosti

Korištenje silice podrazumijeva nekoliko praktičnih kompromisa:

• Otpor oštrivanju : Kamionski gume s silicom pokazuju 15% veću stopu trošenja gaznog sloja u odnosu na one s ugljičnim crnim (Fleet Equipment, 2023), iako su razlike zanemarive kod guma za putnička vozila
• Izazovi obrade : Smeše sa silicom zahtijevaju 30% duže vrijeme miješanja i strogu kontrolu vlažnosti (<0,5% vlažnosti) kako bi se osigurala učinkovita silanizacija, što povećava troškove energije za 18 USD/ton (Polymer Engineering & Science, 2022)
• Složenost disperzije : Loša disperzija može smanjiti čvrstoću na istezanje do 25% u odnosu na dobro izmiješane serije

Nedavni napredci u formulaciji ukazuju da sustavi modificirani silanom mogu ublažiti do 80% ovih nedostataka u komercijalnim kamionskim gumama, što sugerira buduću konvergenciju svojstava punila.

Mehanizam spajanja silice i silana te napredak u tehnologiji silanizacije

Prevazilaženje loše kompatibilnosti između silice i gume

Polarni hidroksilni grupi silice prirodno odbijaju nepolarne gume, što rezultira slabom međufaznom adhezijom. Guma s neobrađenom silicom ima 38% nižu vlačnu čvrstoću u odnosu na ekvivalente s ugljičnim crnim (ScienceDirect, 2020). Silanski spajalni agensi djeluju kao molekularni mostovi, pretvarajući nekompatibilne interfejse u izdržljive, kovalentno povezane mreže.

Kemija reakcije silanizacije tijekom miješanja

Proces silanizacije odvija se u tri faze tijekom obrade smjese:

1. Hidroliza etoksi skupina (Si-OC₂H₅ → Si-OH)
2. Vodikove veze između silanola i površine silice
3. Sumporom posredovana umreženja s lancima gume
   Bis-(trietoksisililpropil) tetrasulfid (TESPT) ostaje dominantni spajalni agens, a njegove sumporne skupine razgrađuju se pri 145°C stvarajući polisulfidne veze. Ova reakcija doprinosi 60–70%ukupnog broja umreženja u modernim sastavima za gazne površine

Utjecaj bis-(trietoksisililpropil) tetrasulfida (TESPT) na gustoću umreženja

Razvoj ekološki prihvatljivih i brže djelujućih silanskih spojnih sredstava

Najnovija generacija merkaptosilana poput TESPD i NXT-a zapravo može sniziti temperature obrade za oko 15, pa čak i do 20 stupnjeva Celzijevih u odnosu na one potrebne za TESPT. Neki noviji materijali danas imaju dvostruku funkciju. Oni istovremeno djeluju kao spojna sredstva i antioksidansi, što znači da tvornice proizvode otprilike 40 posto manje hlapljivih organskih spojeva prilikom proizvodnje materijala (to potvrđuje nedavna studija iz Polym. J. iz 2023. godine). Postoji još jedna važna prednost – prethidrolizirani tekući oblici omogućuju proizvođačima da sve pomiješaju u manje od 90 sekundi unutar velikih kontinuiranih miješalica koje se koriste na tvorničkom podu. Takvo povećanje brzine znatno olakšava proširivanje operacija tvrtkama koje žele povećati proizvodnju bez prekoračenja budžeta.

Problemi u obradi i industrijski aspekti kod gume s punilom silice

Visoka viskoznost i osjetljivost na vlagu tijekom miješanja

Spojevi s punilom silice pokazuju 30–50% višu viskoznost u odnosu na formulacije s ugljičnim crnim (Frontiers in Materials, 2025), što otežava obradu. Higroskopska priroda silice zahtijeva strogu kontrolu vlažnosti u proizvodnim uvjetima. Odgovarajuće vođenje temperature minimizira prerane reakcije silana, istovremeno osiguravajući potpunu disperziju — prakse koje su u industrijskim ispitivanjima smanjile otpad do 18%.

Interakcija punila i gume te problemi s disperzijom

Dobivanje dobre armature uvelike ovisi o ravnomjernom raspodjeljivanju silicija po materijalu, no to je teško ostvariti jer silicij ne surađuje dobro s nepolarnim gumenim materijalima na njihovoj granici. Postoje međutim načini za zaobilaženje ovog problema. Neki proizvođači koriste prethodno tretirane masterbetcheve silicija ili mijenjaju način miješanja, što pomaže punilu da se bolje veže uz gumu umjesto da se grudva. Kada se takve agregacije formiraju, stvaraju slabu točku u gotovom proizvodu. Istraživanja pokazuju da silicijske čestice modificirane na površini znatno bolje dispergiraju u odnosu na obični silicij. Jedna studija utvrdila je oko 25–30% poboljšanja u ravnomjernosti raspodjele silicija u bokovinama kamionskih guma korištenjem ovih modificiranih čestica u usporedbi s tradicionalnim pristupima.

Ravnoteža između poboljšanih performansi i više potrošnje energije tijekom obrade

Unatoč poboljšanju kotrljanja i vlažnog hvata za 22–35%, formulacije sa silicijem zahtijevaju 15–20% više energije za miješanje (Frontiers in Materials, 2025). Kako bi se suočili s ovim, proizvođači primjenjuju:

• Višestupanjsko miješanje s ciljanim zonama smicanja
• Reaktivnu ekstruziju za silanizaciju pri nižim temperaturama
• Sustave za nadzor viskoelastičnosti u stvarnom vremenu

Ove inovacije pomažu u usklađivanju dugoročnih performansi s kratkoročnim troškovima proizvodnje, čineći silicijum dioksid izvedbivim izborom u segmentima guma za putnička i komercijalna vozila.

Česta pitanja

Koji je glavni razlog prelaska s ugljičnog crnila na silicijum dioksid u sastavima gume?

Prelazak je potaknut sposobnošću silicijuma da poboljša performanse guma te nudi ekološke prednosti kao što su smanjen otpor kotrljanja i poboljšana učinkovitost goriva.

Kako silicijum dioksid poboljšava gumene kompozite?

Silicijum dioksid djeluje fizički i kemijski s gumenim matricama, stvarajući jače veze puniva i polimera, te osigurava bolju distribuciju naprezanja i disipaciju energije.

Koje su kompromise pri korištenju silicijuma umjesto ugljičnog crnila?

Silika može dovesti do povećane složenosti obrade i većih troškova, kao i nešto niže otpornosti na habanje u usporedbi s ugljičnim crnim, ali nudi dugoročne prednosti u radu.

Koja su napredovanja u tehnologijama guma na bazi silike?

Napredovanja uključuju ekološki prihvatljive spojne agense silana, poboljšane tehnike disperzije i optimizirano punjenje punilima kako bi se dodatno poboljšala performansa guma.

Zašto se silika preferira u visokoperformantnim i zelenim gumama?

Silika nudi poboljšanu učinkovitost korištenja goriva, bolji vlažni hvat i dulji vijek trajanja gaznog sloja, zbog čega je popularna u dizajnima visokoperformantnih i ekološki prihvatljivih guma.