ارزیابی سازوکار طول فاصله‌انداز سیلان بر رفتار دینامیکی و تریبولوژی کامپوزیت لاستیکی استیرن بوتادی‌ان ـ سیلیکای اصلاح‌شده

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

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

2 تهران، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، گروه مواد مرکب پلیمر، صندوق پستی 1774-15875

چکیده

استفاده از سیلیکای اصلاح‌شده و جایگزینی آن با دوده در آمیزه‌ رویه‌ تایر با وجود مزایایی مانند مقاومت غلتشی کمتر، با کاهش ضریب اصطکاک و متقابلاً کاهش ضریب امنیت خودرو همراه است. در کامپوزیت‌ لاستیک استیرن-بوتادی‌‌ان محلول (SSBR) دارای نانوسیلیکای اصلاح‌شده با سیلان، طول زنجیر سیلان می‌تواند با تغییر در برهم‌کنش پلیمر-پرکننده، رفتار گرانروکشسان و خواص تریبولوژی آمیزه را تحت کنترل قرار دهد. سازوکار اثر طول فاصله‌انداز سیلان در تغییر برهم‌کنش‌های پلیمر-پرکننده و تقویت‌کنندگی همیشه مورد تردید بوده و برهم‌کنش‌های آنتالپیایی یا از نوع درگیری مکانیکی به‌عنوان محتمل‌ترین گزینه‌ها مطرح شده است. این پژوهش، با به‌کارگیری نظریه‌های برپایه انرژی سطحی، سهم تقویت‌کنندگی از برهم‌کنش‌های آنتالپیایی و مکانیکی را تفکیک کرده و شدت اثر هریک از این دو سازوکار را ارزیابی می‌کند. به‌طور ویژه، دو سیلان تک‌عاملی آلیفاتیک با طول فاصله‌انداز‌ 3 و 16 کربنی بر سطح سیلیکا پیوندزنی شد و مشخصه‌های سطحی سیلیکا و نیز شکل‌شناسی، خواص دینامیکی و تریبولوژی آمیزه حاصل از آن با کامپوزیت دارای یک نوع سیلان دوعاملی مقایسه شد که به‌طور معمول در آمیزه‌ رویه استفاده می‌شود. نتایج نشان می‌دهد، آمیزه‌های دارای سیلیکای اصلاح‌شده با طول زنجیر‌ کوتاه و بلند که در آن‌ها انرژی سطحی و برهم‌کنش‌های آنتالپیایی یکسان فرض شده است، رفتار دینامیکی و تریبولوژی مشابهی دارند که این مهم حاکی از نبود درگیری مکانیکی متأثر از طول زنجیر سیلانی در فصل مشترک پلیمر و پرکننده است. در نقطه مقابل طول فاصله‌انداز سیلان، اثر بسیار زیادی بر برهم‌کنش‌های آنتالپیایی، رفتار گرانروکشسان و رفتار اصطکاکی کامپوزیت‌ها دارد. داده‌های ضریب اصطکاک نشان می‌دهد، مدول اتلاف در پیش‌بینی رفتار اصطکاکی متغیری کنترل‌کننده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mechanistic Evaluation of Silane-spacer Length on Dynamic and Tribological Behavior of SBR-Modified Silica Rubber Composite

نویسندگان [English]

  • Reza Karimi 1
  • Mohammad Alimardani 1
  • Mehdi Razzaghi-Kashani 1
  • Mohammad-reza Pourhossaini 2
1 Polymer Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, I.R. Iran
2 Department of Material Science and Manufacturing Technology, MalekAshtar University of Technology,P.O. Box: 15875-1774 , Tehran, I.R. Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Substitution of carbon black by surface-modified silica in tire tread compound formulation often brings a lower friction coefficient and inadequate vehicle safety. Through modifying polymer-filler interactions, silane chain length is capable of altering viscoelastic properties. The connection between tribological properties and viscoelastic dissipation can be regarded as an important factor to control the frictional behavior of tire tread compounds. It has always been speculated that silane chain length dictates the properties of silane-treated silica filled rubbers through two possible reinforcing mechanisms namely: entropic interaction and/or mechanical engagement. In this contribution, the existence and severity of each mechanism is realized by excluding mechanical contributions of reinforcement from that of entropic interactions by surface-energy theories.
Methods: Two aliphatic silanes of short (trimethoxy(propyl)silane) and long chain (hexadecyl trimethoxysilane) with spacer length of 3 and 16 carbons are grafted onto the silica surface. The surface energy of the resulting powders is controlled by controlling the density of silane grafting. The rubber matrix constitutes a solution styrene butadiene rubber (S-SBR) and the compounds have been prepared by means of an internal mixer and a two-roll mill. The surface characteristics of silica as well as the morphological, mechanical and tribological properties of the resulting rubber composites are characterized and compared with a conventional bi-functional silane commonly used for this tread compound.
Findings: For systems in which the surface energy and thus energetic contributions of polymer-filler interaction are controlled to be equivalent for both short- and long-chain silane treated silica, no variations either in dynamic or tribological properties are detected, indicating that no mechanical engagement associated with interlocking of long chain silanes is available. At the same time, entropic interactions played a significant role in final dynamic and tribological properties of the composites. It is also observed that friction coefficient is correlated with loss modulus of the compound better than the loss factor

کلیدواژه‌ها [English]

  • styrene butadiene rubber
  • silica
  • silane spacer length
  • tribology
  • polymer-filler interaction

Phillips S., http://www.tirereview.com/silica-siping, Available in October 26, 2014.
Grosch K.A., The Relation Between the Friction and Visco-Elastic Properties of Rubber, Proceedings at Royal Society London A, 274, 21-39, 1963.
Busse L., Le Gal A., and Klüppel M., Modelling of Dry and Wet Friction of Silica Filled Elastomers on Self-Affine Road Surfaces, Elastomer Friction, 51, 1-26, 2010.
Omata N., Suga T., Furusawa H., Urabe S., Kondo T., and Ni Q.Q., Viscoelastisity Evaluation of Rubber by Surface Reflection of Supersonic Wave, Ultrasonics, 44, 211-215, 2006.
Grosch K.A., The Relation Between the Friction and Visco-elastic Properties of Rubber, Proceedings at Royal Society London A, 274, 21-39, 1963.-
Fu Y.F., Xu K., Sun Z.Y., Zhang F.Q., Chen D.M., and Li J., The Effect of Silane Surface Treatment of Carbon Fiber on the Tribological Properties of Bismaleimide (BMI) Composite, Polym. Plast. Technol. Eng., 51, 1068-1072, 2012.
Zhenhua L., The Influence of Silane Surface Treatment of SiO2 on the Tribological Property of PMMA Composite Filled with Graphite, J. Thermoplast. Compos. Mater., 27, 297-305, 2012.
Ge X., Li M., Li X., and Cho U., Effects of Silane Coupling Agents on the of Bentonite/Nitrile Butadiene Rubber Nanocomposites Synthesized by a Novel Green Method, Appl. Clay Sci., 118, 265-275, 2015.
Ansarifar A., Nijhawan R., Nanapoolsin T., and Song M., Reinforcing Effect of Silica and Silane Fillers on the Properties of Some Natural Rubber Vulcanizates, Rubber Chem. Technol., 76, 1290-310, 2003.
Ladouce-Stelandre L., Bomal Y., Flandin L., and Labarre D., Dynamic Mechanical Properties of Precipitated Silica Filled Rubber: Influence of Morphology and Coupling Agent, Rubber Chem. Technol.,76, 145-159, 2003.
Jenkins M., Dauskardt R., and Bravman J., Important Factors for Silane Adhesion Promoter Efficacy: Surface Coverage, Functionality and Chain Length, Adhes. J. Sci. Technol. 18, 1497-1516, 2004.
Alimardani M., Razzaghi-Kashani M., and Ghoreishy M.H.R., Comparing the Capillary Rise Technique and Sessile Drop Method of Non-Porous Surfaces in Determining Surface Energy of Reinforcing Powders Utilized in Polymer Composites, Surface Sci. Eng., 12, 81-92, 2016.
Razzaghi-Kashani M., Behazin E., and Fakhar A., Constructionand Evaluation of a New Tribometer for Polymers, Polym. Test., 30, 271-276, 2011.
Owens D.K. and Wendt R.C., Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. J. Appl. Polym. Sci., 13, 1741-1747, 1969.
Klüppel M., Evaluation of Viscoelastic Master Curves of Filled Elastomers and Applications to Fracture Mechanic, J. Phys., 21, 035104, 2009.
Lorenz B., Persson B., Fortunato V., Giustiniano M., and Baldoni F., Rubber Friction for Tire Tread Compound on Road Surfaces, J. Phys. Condens. Matter,  25, 095007, 2013.
Bindu P. and Thomas S., Viscoelastic Behavior and Reinforcement Mechanism in Rubber Nanocomposites in the Vicinity of Spherical Nanoparticles, J. Phys. Chem. B., 117, 12632-12648, 2013.
Leblanc J.L., Rubber-filler Interactions and Rheological Properties in Filled Compounds, Prog. Polym. Sci., 27, 627-687, 2002.
Zhang S.W., Tribology of Elastomers, Elsevier B.V.,  Amsterdam; 1st ed., 2004.