سازوکار اثرهای فیزیکی پرکننده‌های تقویت‌کننده بر سینتیک ولکانش لاستیک استیرن-بوتادی‌ان

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

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

چکیده

فرضیه‌‌: مطالعات پیشین حاکی از آن است که سیلیکا و دوده به ترتیب فقط اثر کندکنندگی و شتاب‌دهی بر سینتیک ولکانش گوگردی لاستیک‌‌ها دارند. این طور فرض شد که از بعضی پدیده‌‌های سینتیکی در مشاهدات گذشته به علت نبود مطالعات نظام‌مند در این زمینه غفلت شده است. در این راستا به علت ماهیت خودکاتالیزی ولکانش و اثر انرژی سینتیکی زنجیر‌‌ها بر آن به‌نظر می‌‌رسد، پدیده کم‌‌تحرکی زنجیر‌‌های لاستیکی با وجود پرکننده‌‌های تقویت‌کننده نیز بتواند اثر مهمی بر تغییر سینتیک ولکانش گوگردی داشته باشد. این مفهوم تاکنون در مراجع به‌دقت بررسی نشده است.
روش‌‌ها: در این پژوهش، مطالعات سینتیکی با روش رئومتر صفحه نوسانی انجام شد. مقدار برهم‌‌کنش‌‌های پرکننده-‌‌‌‌پرکننده با روش‌‌های دینامیکی-‌مکانیکی و رسانایی‌‌سنجی الکتریکی به ترتیب برای آمیزه‌‌های پرشده با پرکننده‌‌های سیلیکا و دوده بررسی شد.
یافته‌‌ها: نتایج نشان داد، ماهیت خودکاتالیزگری ولکانش با وجود پرکننده‌‌ها صرف‌‌نظر از نوع و غلظت آن ثابت ماند. نشان داده شد، سرعت ولکانش در اثر افزایش غلظت پرکننده صرف‌نظر از نوع و شیمی سطح پرکننده از نقطه بیشینه‌ای عبور می‌‌کند. بدین ترتیب، سیلیکا در بارگذاری‌‌های کم قابلیت شتاب‌دهی دارد و پس از نقطه بحرانی باعث کندشدن سرعت ولکانش می‌‌شود. نقطه بحرانی سینتیکی برای هر دو نوع پرکننده سیلیکا و دوده وجود دارد و تأیید شد، این نقطه منطبق بر آستانه نفوذ ذرات پرکننده است. این طور بحث شد که نه فقط شیمی سطح پرکننده، بلکه پدیده‌‌های فیزیکی ناشی از برهم‌‌کنش‌‌های پرکننده-‌‌‌‌پرکننده قابلیت تغییر سینتیک ولکانش را دارند. این اثر فیزیکی به بی‌‌تحرکی و نبود انرژی سینتیکی در زنجیر‌‌های پلیمری محبوس در شبکه پرکننده‌‌ها ارتباط داده شد که احتمال واکنش میان درشت‌رادیکال‌‌ها را کاهش می‌دهد. بنابراین، پژوهش مزبور توانست سازوکار واحدی را برای توصیف اثر پرکننده‌‌های تقویت‌کننده بر سینتیک ولکانش ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

On the Mechanism of Physical Effects of Reinforcing Fillers in the Vulcanization Kinetics of Styrene-Butadiene-Rubber

نویسندگان [English]

  • Seyed Mostafa Hosseini
  • Mehdi Razzaghi-Kashani
Department of Polymer Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: It is demonstrated that silica and carbon black have inhibiting effect by the former and accelerating effect by the latter in the kinetics of sulfur vulcanization of rubber. It seems that in sulfur vulcanization reaction of rubber some kinetic phenomena are not systematically investigated. In this regard, due to the autocatalytic mechanism of vulcanization and the diffusional effect of its chains, it seems that immobilization of rubber chains as a result of the presence of reinforcing fillers has an essential role in changing the kinetics of sulfur vulcanization of rubber. This concept has not been explored in other researches.
Methods: Kinetics measurements were performed by means of an oscillating disc rheometer. The extent of filler/filler interactions was monitored by means of dynamic-mechanical and electrical conductivity tests for silica and carbon black filled compounds, respectively.
Findings: It was shown that the autocatalytic nature of the vulcanization remains unchanged regardless of the type and concentration of fillers. It was demonstrated that the vulcanization rate goes through a maximum as the loading of fillers rises, regardless of the type and surface chemistry of the fillers. Consequently, silica can also accelerate the vulcanization rate at low loading and decelerate it above a critical loading. Such critical loading exists for both silica and carbon-black, and it is related to the percolation threshold for filler network formation. Therefore, it is discussed  that  not  only  the  filler surface chemistry,  but  also  the  physical  phenomena originating  from  the filler/filler  interactions can  alter  the  vulcanization kinetics of rubbers. Such physical effect is attributed to the immobilization and lack of kinetic energy in the entrapped rubber chains which reduce the probability of reaction between the macro-radicals. Therefore, a single mechanism is introduced here to explain the effect of reinforcing fillers on the vulcanization kinetics of the filled rubber.

کلیدواژه‌ها [English]

  • styrene-butadiene rubber
  • vulcanization kinetics
  • reinforcing filler
  • system dynamics
  • filler/filler interaction
  1. Semsarzadeh M.A., Ghasemzadeh-Barvarz M., and Bakhshandeh G.R., Effect of Carbon Black on Rate Constant and Activation Energy of Vulcanization in EPDM/BR and EPDM/NR Blends, Iran. Polym. J., 14, 573-578, 2005.
  2. Li Z.H., Zhang J., and Chen S.J., Effects of Carbon Blacks with Various Structures on Vulcanization and Reinforcement of Filled Ethylene-Propylene-Diene Rubber, eXPRESS Polym. Lett., 2, 695-704, 2008.
  3. Sotta P., Albouy P.-A., Abou Taha M., Long D.R., and Grau P., Fayolle C., and Papon A., Nonentropic Reinforcement in Elastomer Nanocomposites, Macromolecules, 50, 6314-6322, 2017.
  4. 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.
  5. López-Manchado M., Arroyo M., Herrero B., and Biagiotti J., Vulcanization Kinetics of Natural Rubber-Organoclay Nanocomposites, J. Appl. Polym. Sci., 89, 1-15, 2003
  6. Allahbakhsh A., Mazinani S., Kalaee M.R., and Sharif F., Cure Kinetics and Chemorheology of EPDM/Graphene Oxide Nanocomposites, Thermochim Acta, 563, 22-32, 2013.
  7. Ramier J., Chazeau L., Gauthier C., Guy L., and Bouchereau M.N., Influence of Silica and Its Different Surface Treatments on the Vulcanization Process of Silica Filled SBR, Rubber Chem. Technol., 80, 183-193, 2007.
  8. Sepehri A., Razzaghi-Kashani M., and Ghoreishy M., Vulcanization Kinetics of Butyl Rubber-Clay Nanocomposites and Its Dependence on Clay Microstructure, J. Appl. Polym. Sci., 125, 204-213, 2012.
  9. Wu J., Xing W., Huang G., Li H., Tang M., Wu S., and Liu Y., Vulcanization Kinetics of Graphene/Natural Rubber Nanocomposites, Polymer, 54, 3314-3323, 2013
  10. Hosseini S.M. and Razzaghi-Kashani M., Vulcanization Kinetics of Nano-Silica Filled Styrene Butadiene Rubber, Polymer, 55, 6426-6434, 2014. 
  11. 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.
  12. Song L., Li Z., Chen L., Zhou H., Lu A., and Li L., The Effect of Bound Rubber on Vulcanization Kinetics in Silica Filled Silicone Rubber, RSC Adv, 6, 101470-101476, 2016.
  13. Zhong B., Jia Z., Hu D., Luo Y., Guo B., and Jia D., Surface Modification of Halloysite Nanotubes by Vulcanization Accelerator and Properties of Styrene-Butadiene Rubber Nanocomposites with Modified Halloysite Nanotubes, Appl. Surf. Sci., 366, 193-201, 2016.
  14. Zhong B., Jia Z., Luo Y., and Jia D., AMethod to Improve the Mechanical Performance of Styrene-Butadiene Rubber via Vulcanization Accelerator Modified Silica, Compos. Sci. Technol., 117, 46-53, 2015.
  15. Haghighi A.H., Sheydaei M., Allahbakhsh A., Ghatarband M., and Hosseini F.S., Thermal Performance of Poly(ethylene disulfide)/Expanded Graphite Nanocomposites, J. Therm. Anal. Calorim., 117, 525-535, 2014.
  16. Hosseini S.M., Torbati-Fard N., Kiyani H., Razzaghi-Kashani M., Comparative Role of Interface in Reinforcing Mechanisms of Nano Silica Modified by Silanes and Liquid Rubber in Sbr Composites, J. Polym. Res., 23, 203, 2016.
  17. Choi S.S. and Ko E., Novel Test Method to Estimate Bound Rubber Formation of Silica-Filled Solution Styrene-Butadiene Rubber Compounds, Polym. Test., 40, 170-177, 2014.
  18. Ansarifar A., Wang L., Ellis R., Kirtley S., and Riyazuddin N., Enhancing the Mechanical Properties of Styrene–Butadiene Rubber by Optimizing the Chemical Bonding between Silanized Silica Nanofiller and the Rubber, J Appl Polym Sci, 105, 322-332, 2007.
  19. Ramier J., Gauthier C., Chazeau L., Stelandre L., and Guy L., Payne Effect in Silica-Filled Styrene-Butadiene Rubber: Influence of Surface Treatment, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 45, 286-298, 2007.
  20. Fröhlich J., Niedermeier W., and Luginsland H.D., The Effect of Filler-Filler and Filler-Elastomer Interaction on Rubber Reinforcement, Compos., Part A: Appl. Sci. Manuf., 36, 449-460, 2005.
  21. Stockelhuber K., Svistkov A., Pelevin A., and Heinrich G., Impact of Filler Surface Modification on Large Scale Mechanics of Styrene Butadiene/Silica Rubber Composites, Macromolecules, 44, 4366-4381, 2011.
  22. 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.
  23. Stoessel F. Autocatalytic Reactions, Thermal Safety of Chemical Processes: Risk Assessment and Process Design, wiley-VCH, 311-334, 2008.
  24. Upadhyay S.K., Chemical Kinetics and Reaction Dynamics, Springer Science and Business Media, 2007.
  25. Coker A.K., Modeling of Chemical Kinetics and Reactor Design, Gulf Professional, 2001.
  26. Kamal M. and Sourour S., Kinetics and Thermal Characterization of Thermoset Cure, Polym. Eng. Sci., 13, 59-64, 1973.
  27. Ding R. and Leonov A., An Approach to Chemorheology of a Filled SBR Compound, Rubber Chem. Technol., 72, 361-383, 1999.
  28. Saatchi M.M. and Shojaei A., Effect of Carbon-Based Nanoparticles on the Cure Characteristics and Network Structure of Styrene-Butadiene Rubber Vulcanizate, Polym. Int., 61, 664-672, 2012.
  29. 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.
  30. Bohm G., Tomaszewski W., Cole W., and Hogan T., Furthering the Understanding of the Non Linear Response of Filler Reinforced Elastomers, Polymer, 51, 2057-2068, 2010.
  31. Böhm G.G. and Nguyen M.N., Flocculation of Carbon Black in Filled Rubber Compounds. I. Flocculation Occurring in Unvulcanized Compounds During Annealing at Elevated Temperatures, J. Appl. Polym. Sci., 55, 1041-1050, 1995.
  32. Ghoreishy M.H.R., A State-of-the-Art Review on the Mathematical Modeling and Computer Simulation of Rubber Vulcanization Process, Iran. Polym. J., 25, 89-109, 2016.
  33. Rafei M., Ghoreishy M., and Naderi G., Development of an Advanced Computer Simulation Technique for the Modeling of Rubber Curing Process, Comput. Mater. Sci., 47, 539-547, 2009.
  34. Fritzsche J., Klüppel M., Structural Dynamics and Interfacial Properties of Filler-Reinforced Elastomers, J. Phys: Condens Matter., 23, 035104, 2010.
  35. Pourhossaini M.R., Razzaghi-Kashani M., Effect of Silica Particle Size on Chain Dynamics and Frictional Properties of Styrene Butadiene Rubber Nano and Micro Composites, Polymer, 55, 2279-2284, 2014.
  36. Meier J.G. and Klüppel M., Carbon Black Networking in Elastomers Monitoredby Dynamic Mechanical and Dielectric Spectroscopy, Macromol. Mater. Eng., 293, 12-38, 2008.
  37. Yue Y., Zhang H., Zhang Z., and Chen Y., Polymer-Filler Interaction of Fumed Silica Filled Polydimethylsiloxane Investigated by Bound Rubber, Compos. Sci. Technol., 86, 1-8, 2013.