ارزیابی کارایی اصلاح ماتریس لاستیکی و پرکننده تقویتی بر مقاومت پارگی آمیزه‌های‌ لاستیک طبیعی-سیلیکا با پخت پراکسیدی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 114-14115

چکیده

فرضیه‌: افزایش اتلاف گران‌روکشسان یکی از رویکردها در افزایش مقاومت به رشد ترک آمیزه‌های لاستیکی است. این شاخص با افزایش برهم‌کنش‌های پرکننده‌ـ‌پرکننده یا پلیمرـ‌پرکننده و اثری که این دو بر افزایش حجم لاستیک مقید دارند، بهبود می‌یابد. افزایش برهم‌کنش پلیمرـ‌پرکننده با اصلاح سطح سیلیکا با سیلان، با کاهش شدید برهم‌کنش‌ پرکننده-پرکننده همراه است و بنابراین به‌دلیل اثری که بر کاهش حجم لاستیک مقید دارد، رویکرد ارجح در بهبود مقاومت به رشد ترک آمیزه‌های لاستیکی نیست. اصلاح پیکره لاستیک می‌تواند بدون کاهش حجم لاستیک مقید زمینه‌ساز بهبود مقاومت به رشد ترک در سامانه باشد. تفاوت در عملکرد این دو سامانه در روش ولکانش پراکسیدی به‌خوبی قابل مشاهده است.
روش‌ها: در پژوهش حاضر، کارایی اصلاح لاستیک و سیلیکای تقویتی بر مقاومت به رشد ترک ‌لاستیک طبیعی پرشده با سیلیکا و ولکانش‌یافته با روش پراکسیدی مطالعه شده است. ذرات سیلیکا با اصلاح‌کننده سیلان دوعاملی بیس(تری‌اتوکسی‌سیلیل‌پروپیل) تتراسولفید (TESPT) و ماتریس‌ لاستیکی از راه پیوندزنی گروه‌های مالئیک‌ انیدرید روی زنجیرهای آن اصلاح شدند. در این راستا، همچنین شرایط مطلوب مالئیک‌دار‌کردن لاستیک با مقایسه روش‌های بر پایه آغاز گرمایی و شیمیایی مقایسه شده است. 
یافته‌ها: نتایج نشان داد، اصلاح لاستیک با مالئیک ‌انیدرید به‌دلیل افزایش برهم‌کنش‌های پلیمرـ‌پرکننده سبب افزایش لاستیک مقید در سامانه دارای لاستیک مالئیک‌دار و شکل‌گیری توازن مطلوبی از استحکام مکانیکی و مقاومت به رشد ترک در این کامپوزیت می‌شود. در این راستا، مقاومت پارگی سامانه دارای لاستیک مالئیک‌دار در محدوده بارگذاری بسیارپرشده از سیلیکا رشد چشمگیری حدود %150 نسبت به سامانه لاستیک خالص پرشده با سیلیکای اصلاح‌نشده نشان داد. بر مبنای نتایج پیشنهاد شد، چگالی اتصال‌های عرضی شیمیایی و اتلاف گران‌روکشسان از سازوکار‌های کنترل‌کننده در مقاومت به رشد ترک لاستیک طبیعی در محدوده بارگذاری‌های کم و بسیار پرشده از سیلیکاست.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparative Performance and Modification of Rubber and Reinforcing-Filler on the Tearing Resistance of Peroxide-Cured Natural-Rubber/Silica Compounds

نویسندگان [English]

  • Mahaan Ghorashi
  • Mohammad Alimardani
  • Seyed Mostaffa Hosseini
Department of Polymer Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: To enhance the crack growth resistance of rubber composites one strategy is to embed mechanisms for viscoelastic dissipation. This can be fulfilled by enlarging the bound rubber content through either increasing the filler-filler or filler-polymer interactions. Improving the filler-polymer interaction through surface modification of silica by silanes is not a favorable route because of the adverse impact of surface modification on lowering the share of filler-filler interaction on the bound rubber content. Modification of the rubber backbone appears to be a proper alternative. The difference in the .performance of these two methods can be observed well in peroxide-cured rubbers
Methods: Present contribution performs a comparative study on the impact of modification in rubber or reinforcing silica on the crack growth resistance of peroxide-cured natural rubber (NR). For NR/silica composites, the modifications in rubber and silica are respectively conducted by grafting maleic anhydride or the bi-functional silane of bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide (TESPT). For the case of maleic anhydride grafting, the influence of initiation by thermal and chemical routes is also compared
Findings: Results revealed that the modification of the rubber with maleic anhydride leads to an increase in the polymer-filler interactions and the bound rubber content. This imparts a favorable balance in mechanical strength and resistance to crack growth of the resulting composite. Tearing resistance of the system containing maleated rubber in the high loading range of silica showed a significant increase of about 150% compared to a neat rubber system filled with unmodified silica. It was suggested that the chemical crosslink density and viscoelastic dissipation are, respectively, the controlling mechanisms of tear resistance in low and high loading range of silica.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • natural rubber
  • silica
  • mechanical strength
  • crack growth resistance
  • bound rubber

مراجع

  1. Mujtaba A., Keller M., Ilisch S., Radusch H.-J., Thurn-Albrecht T., Saalwachter K., and Beiner M., Mechanical Properties and Cross-Link Density of Styrene–Butadiene Model Composites Containing Fillers with Bimodal Particle Size Distribution, Macromolecules, 45, 6504-6515, 2012.
  2. Torbati-Fard N., Hosseini S.M., and Razzaghi-Kashani M., Effect of the Silica-Rubber Interface on the Mechanical, Viscoelastic, and Tribological Behaviors of Filled Styrene-Butadiene Rubber Vulcanizates, J., 52, 1223-1234, 2020.
  3. Alimardani M., Razzaghi-Kashani M., Karimi R., and Mahtabani A., Contribution of Mechanical Engagement and Energetic Interaction in Reinforcement of SBR-Silane–Treated Silica Composites, Rubber Chem. Technol., 89, 292-305, 2016.
  4. Alimardani M., Razzaghi-Kashani M., The Correlation of Tear Deviation and Resistance with the Bound Rubber Content in Rubber-Silica Composites, Test., 90, 106762, 2020.
  5. Mujtaba A., Keller M., Ilisch S., Radusch H.-J., Beiner M., Thurn-Albrecht T., Saalwachter K., Detection of Surface-Immobilized Components and Their Role in Viscoelastic Reinforcement of Rubber-Silica Nanocomposites, ACS Macro Lett., 3, 481-485, 2014.
  6. Fröhlich J., Niedermeier W., and Luginsland H.-D., The Effect of Filler–Filler and Filler–Elastomer Interaction on Rubber Reinforcement, Part A: Appl. Sci. Manuf., 36, 449-460, 2005.
  7. Kinloch A.J., Fracture Behaviour of Polymers, Springer Science and Business Media, Massachusetts, USA, 2013.
  8. Zhu K., Liu Y., Wang H., Guo X., Liao S., Wang Z., and Fang L., Xanthate-Modified Silica as a Novel Multifunctional Additive for Properties Improvement of Natural Rubber, Sci. Technol., 203, 108567, 2021.
  9. Xu T., Jia Z., Wang S., Chen Y., Luo Y., Jia D., and Peng Z., Self-Crosslinkable Epoxidized Natural Rubber–Silica Hybrids, Appl. Polym. Sci., 134, 2017.
  10. Han Q.-Y., Li X., Li Y.-C., and Wu Y.-P., Influences of the Compatibility of NR/SBR and Phase-Selective Distribution of Silica on Its Static and Dynamic Properties, Rubber Chem. Technol., 93, 588-604, 2020.
  11. Pattanawanidchai S., Sae-Oui P., Sirisinha C., and Siriwong C., Cure Retardation of Peroxide-Cured Silica Filled Natural Rubber Influenced by Organosilane, Eng. Sci, 59, 42-48, 2019.
  12. Mohapatra S., Alex R., and Nando G.B., Cardanol Grafted Natural Rubber: A Green Substitute to Natural Rubber for Enhancing Silica Filler Dispersion, Appl. Polym. Sci., 133, 2016.
  13. He F., Yuan T., Li C., Sun L., and Liao S., Interfacial Interactions and Properties of Natural Rubber–Silica Composites with Liquid Natural Rubber as a Compatibilizer and Prepared by a Wet-Compounding Method, Appl. Polym. Sci., 135, 46457, 2018.
  14. Liu J., Wang S., Tang Z., Huang J., Guo B., and Huang G., Bioinspired Engineering of Two Different Types of Sacrificial Bonds into Chemically Cross-Linked Cis-1,4-Polyisoprene toward a High-Performance Elastomer, Macromolecules, 49, 8593-8604, 2016.
  15. Nakason C., Kaesaman A., and Supasanthitikul P., The Grafting of Maleic Anhydride onto Natural Rubber, Test., 23, 35-41, 2004.
  16. Hosseini S.M. and Razzaghi-Kashani M., Catalytic and Networking Effects of Carbon Black on the Kinetics and Conversion of Sulfur Vulcanization in Styrene Butadiene Rubber, Soft Matter., 14, 9194-9208, 2018.
  17. Leblanc J.L., Rubber-Filler Interactions and Rheological Properties in Filled Compounds, Polym. Sci., 27, 627-687, 2002.
  18. Jafari F., Razzaghi-Kashani M., Hosseini S.M., and Pourhossaini M.R., Effects of Modified Poly(tetrafluoroethylene) on the Physico-Mechanical and Tribological Properties of Carbon-Black Filled Nitrile-Butadiene Rubber, Appl. Polym. Sci., 138, 50061, 2021.
  19. Jafari F., Hosseini S.M., Razzaghi-Kashani M., and Pourhossaini M.R., Effect of Irradiated Poly(tetrafluoroethylene) Additive on Mechanical and Tribological Properties in Nitrile Rubber Composites, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 32, 339-348, 2019.
  20. Peng C.C., Novel Rubber Nanocomposites with Adaptable Mechanical Properties, PhD Thesis University of Bayreuth, 2005.
  21. Hayeemasae N., Sensem Z., Sahakaro K., and Ismail H., Maleated Natural Rubber/Halloysite Nanotubes Composites, Processes, 8, 286, 2020.
  22. Hosseini S.M., Torbati-Fard N., Kiyani H., and Razzaghi-Kashani M., Comparative Role of Interface in Reinforcing Mechanisms of Nano Silica Modified by Silanes and Liquid Rubber in SBR Composites, Polym. Res., 23, 203, 2016.
  23. Ramier J., Gauthier C., Chazeau L., Stelandre L., and Guy L., Payne Effect in Silica-Filled Styrene-Butadiene Rubber: Influence of Surface Treatment, Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 45, 286-298, 2007.
  24. Ramier J., Chazeau L., Gauthier C., Guy L., and Bouchereau M.-N., Grafting of Silica During the Processing of Silica-Filled SBR: Comparison Between Length and Content of the Silane, Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 44, 143-152, 2006.
  25. Yue Y., Zhang H., Zhang Z., and Chen Y., Polymer-Filler Interaction of Fumed Silica Filled Polydimethylsiloxane Investigated by Bound Rubber, Sci. Technol., 86, 1-8, 2013.
  26. Amrollahi A., Razzaghi-Kashani M., Hosseini S.M., and Habibi N., Carbon Black/Silica Hybrid Filler Networking and Its Synergistic Effects on the Performance of Styrene-Butadiene Rubber Composites, J., 54, 931-942, 2022.
  27. Hosseini S.M. and Razzaghi-Kashani M., Vulcanization Kinetics of Nano-Silica Filled Styrene Butadiene Rubber, Polymer, 55, 6426-6434, 2014.
  28. Hosseini S.M. and Razzaghi-Kashani M., On the Role of Nano-Silica in the Kinetics of Peroxide Vulcanization of Ethylene Propylene Diene Rubber, Polymer, 133, 8-19, 2017.
  29. Hosseini S.M. and Razzaghi-Kashani M., On the Mechanism of Physical Effects of Reinforcing Fillers in the Vulcanization Kinetics of Styrene-Butadiene-Rubber, J. Polym. Sci. Technol., 31, 447-460, 2018.
  30. Fukahori Y., New Progress in the Theory and Model of Carbon Black Reinforcement of Elastomers, Appl. Polym. Sci., 95, 60-67, 2005.
  31. Wu S., Qiu M., Tang Z., Liu J., and Guo B., Carbon Nanodots as High-Functionality Cross-Linkers for Bioinspired Engineering of Multiple Sacrificial Units toward Strong yet Tough Elastomers, Macromolecules, 50, 3244-3253, 2017.
  32. Greensmith H.W. and Thomas A., Rupture of Rubber. III. Determination of Tear Properties, Polym. Sci., 18, 189-200, 1955.
  33. Mark J.E., Erman B., and Roland M., The Science and Technology of Rubber, Academic, 2013.

 

فایل ها

ارجاعات به این مقاله

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار