Структура та термопружні властивості еластомерних нанокомпозитів

РОЗДІЛ 2
ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Характеристика досліджуваних об’єктів
2.1.1. Нанокомпозити на основі хлоропренового каучуку та частинок
монтморилоніту оброблених органічними модифікаторами.
Характеристика еластомерної матриці. В якості вихідної каучукової матриці для
дослідження був вибраний синтетичний хлоропреновий каучук меркаптанового класу
(торговельна марка Baypren 110, фірми Bayer AG). Постачальником вулканізаційних
агентів та стабілізаторів (стеаринова кислота, окис цинку ZnO, окис магнію MgO
та Ренорган ETU-80) є Bayer AG .
Наповнювач. В якості наповнювача для композитів використовувалися наночастинки
комерційної органоглини ОС2 – Nanofil® фірми Sьd-Chemie AG, попередньо
оброблені діоктадецл-диметил амонієвою сіллю, опис якого подано нижче.
Приготування нанокомпозитів. Нанокомпозити були приготовлені в два етапи. На
першому етапі каучук був змішаний в розплаві з OC2 при 353 K, використовуючи
внутрішній змішувач (Haake Rheocord 90); через 7 хв. були додані вулканізаційні
реагенти і змішування відбувалось ще 3 хв.; згодом, композити були
гомогенізовані з допомогою вальцювання. (Exakt 80S) при 333-353 К. На другому
етапі, зразки вулканізували сіркою в вакуумному пресі (Collin) під тиском 30
бар при 433 К протягом 50 хв., що детально описано в роботі [139].
Для дослідження були вибрані композиції з різною концентрацією наповнювача,
подані в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1
Досліджувані композиції
Композиція
Вміст наповнювача,
мас. %
CR/ОС2-2.5
2.5
CR/ОС2-5
CR/ОС2-7.5
7.5
CR/ОС2-10
10
CR/ОС2-12.5
12.5
CR/ОС2-15
15
CR/ОС2-20
20
CR/ОС2-30
30
CR/ОС2-40
40
2.1.2. Нанокомпозити на основі бутадієнстирольного каучуку та частинок
глинистих мінералів оброблених різними органічними модифікаторами.
Як відомо [140], гуми на основі кополімерів бутадієна зі стиролом
характеризуються високою стійкістю до стирання, тому їх широко застосовують у
виробнитстві шин у авіаційні та автомобільній промисловості. Отже, в якості
полімерної матриці для дослідження був вибраний саме цей еластомер, завдяки
чому результати малють не лише наукову а й практичну цінність.
В якості першої серії для дослідження був обраний бутадієнстирольний каучук
наповнений частинками монтморилоніту, обробленими трьома різними органічними
модифікаторами, для дослідження впливу розміру частинок наповнювача та ступеня
дисперсності на структуру та властивості нанокомпозитів.
Характеристика еластомерної матриці. В якості еластомерної матриці
використовувався бутадієнстирольний каучук Buna-SL18, молекулярною масою
Mw » 400000 г/моль, який є статистичним кополімером бутадієну та стиролу, з
вмістом 18 % стиролу в ланцюзі, виробнитства фірми Bayer AG. Вулканізація
проводилась за допомогою стеаринової кислоти, окису цинку, сірки та
вулканізаційного агенту CZ (CBS: N-циклогексил-1,3- азимідобензол -2-
сульфенамід) також фірми Bayer AG.
Наповнювач. Частинки наповнювача композитів з ОC2 та ОC3 диспергуються в
полімерній матриці у вигляді пластинок розмірами близько 500x150 нм2, але
різною товщиною 75 нм та 60 нм, відповідно, тоді як для композитів з частинками
ОС1 спостерігалися великі агрегати (поздовжні розміри близько 2000 нм, товщина
близько 500 нм) [141].
Таблиця 2.2
Характеристики органічних наповнювачів
Скорочена
назва
Базовий мінеральний наповнювач
Виробнича
марка
Модифікатор
ОC1
Гекторіт
DEA, Somasif ME,
Coop Chemical®
2-диетил­амінометил-4-ноніл­фенол
ОC2
Монтморилоніт
Nanomer I.42E, Nanocor©
діоктадецил-диметил амоній
ОC3
Монтморилоніт
Nanofil® Sьd-Chemie AG
діоктадецил-диметил амоній
Приготування нанокомпозитів. Композити також були виготовлені в розплаві в два
етапи, як було описано вище, однак на другому етапі, зразки вулканізувалися
сіркою в вакуумному пресі під тиском 20 бар та температурі 433 К, метоикою, яка
також описана в роботі [139].
Для дослідження були вибрані композиції, подані в таблиці 2.3.
Таблиця 2.3
Досліджувані композиції
Композиція
Вміст наповнювача,
мас. %
Buna-SL18/ОC2-10
10
Buna-SL18/ОC2-30
30
Buna-SL18/ОC3-30
30
Buna-SL18/ОC1-30
30
2.1.3. Нанокомпозити на основі бутадієнстирольного каучуку та частинок
глинистих мінералів хімічно зшитого з полімерною матрицею.
Для дослідження впливу природи зв’язків на ефект розм’якшення була вибрана
композиція Buna-SL18/ОC2-30, в якій частинки наповнювача були хімічно зв’язані
з полімерною матрицею за допомогою силанового модифікатора,
біс(триетокси-силілпропіл)тетрасульфан (10 % від вмісту наповнювача) фірми
Degussa AG.
2.1.4. Нанокомпозити на основі бутадієнстирольного каучуку та частинок аеросилу
оброблених органічними модифікаторами.
Для дослідження впливу форми частинок на стуктуру та властивості композиту, в
якості наповнювача використовувався органічно модифікований аеросил з різним
ступенем наповнення полімерної матриці.
В таблиці 2.4. подано характеристики наповнювача.
Таблиця 2.4
Характеристики органічних наповнювачів
Скорочена
назва
Базовий мінеральний наповнювач
Виробнича
марка
Характеристики
VN
Висаджена кремнієва кислота
Ultrasil VN3 GR,
Degussa
Питома поверхня: 175 м2/г
Для дослідження були вибрані композиції, подані в таблиці 2.5.
Таблиця 2.5
Досліджувані композиції
Композиція
Вміст наповнювача,
мас. %
Buna-SL18/VN-10
10
Buna-SL18/VN-20
20
Buna-SL18/VN-30
30
Buna-SL18/VN-40
40
Buna-SL18/VN-50
50
2.2. Методи дослідження
2.2.1. Метод деформаційної калориметрії
Для повного термодинамічного опису процесу деформації досліджуваних матеріалів,
був вибраний метод деформаційної калориметрії [141, 142, 143], який полягає в
одночасному вимірюванні роботи (), що йде на деформацію (одновісний розтяг)
зразка, і погл