ارزیابی مقاومت به رشد ترک خستگی کامپوزیت‌های لاستیکی دارای سیلیکا و تحلیل نقش برهم‌کنش پرکننده-پرکننده و اتصال در فصل مشترک

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

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

10.22063/jipst.2020.1692

چکیده

فرضیه: رشد ترک خستگی در کامپوزیت‌های لاستیکی به‌دلیل اثرپذیری آن از اتلاف گرانروکشسان به پدیده‌های فیزیکی حاضر در فصل مشترک پلیمر-پرکننده وابستگی زیادی دارد. نوع اتصال پلیمر-پرکننده در فصل مشترک و شدت کم‌تحرکی زنجیر‌های پلیمری در نتیجه برهم‌کنش با پرکننده از مهم‌ترین این عوامل هستند. شدت کم‌تحرکی پلیمر در آمیزه‌ لاستیکی با درصدهای زیاد پرکننده به‌طور عمده تحت تأثیر برهم‌کنش پرکننده-پرکننده است. تنظیم انرژی سطحی پرکننده می‌تواند روش مؤثری برای کنترل برهم‌کنش پرکننده-پرکننده باشد و از آن می‌توان در تفکیک و ارزیابی مستقل سهم هر یک از پدیده‌ها‌ی فصل مشترک بهره برد.
روش‌ها: از سیلیکای Ultrasil VN3 و استیرن-بوتادی‌ان-لاستیک محلولی (SSBR) به‌عنوان مواد پایه کامپوزیت استفاده شد. با دو عامل سیلانی کوتاه و بلندزنجیر آلیفاتیک در درصدهای معینی از پیوندزنی، سطح Ultrasil اصلاح شد تا بتواند انرژی سطحی مدنظر برای کنترل برهم‌کنش پرکننده-پرکننده را ارائه کند. با کنترل انرژی سطحی و برهم‌کنش پرکننده-پرکننده در نمونه‌­ها و مقایسه نظام­‌مند آن‌ها، اثر اتصال کووالانسی و معمولی در فصل مشترک، شدت برهم‌کش پرکننده-پرکننده و در نهایت اثر طول زنجیر سیلان بر رفتار رشد ترک خستگی ارزیابی شد.
یافته‌ها: آزمایش رشد ترک خستگی نشان داد، شدت کم‌تحرکی و برهم‌کنش پرکننده-پرکننده کامپوزیت بیشترین  اثر را بر اتلاف گرانروکشسان و سرعت رشد ترک دارد. پیوند کووالانسی در فصل مشترک می‌تواند ترک را از رشد در جهت اصلی منحرف کند و بنابراین ممکن است به‌عنوان سدی فیزیکی برای بهبود مقاومت در برابر رشد عمل کند. در آمیزه‌های بسیار پرشده که اثر برهم‌کنش پرکننده-پرکننده غالب بود اثر زنجیر سیلان در فصل مشترک محدود بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Fatigue Crack Growh Resistance of Rubber-Silica Composites and Analysis of the Role of Filler-Filler Interaction and Interface Bonding

نویسندگان [English]

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

Hypothesis: Fatigue crack growth (FCG) of rubber composites as controlled by the viscoelastic losses, is strongly dependent on the polymer-filler interfacial phenomena. The type of filler-polymer bonding at the interface and the extent of mobility restriction of rubber chains resulting from the interaction by the filler are of the critical ones. In highly filled rubber compound, the amount of mobility restriction is almost dictated by the filler-filler interaction. Regulating the surface energy of the filler can be an effective method to control the filler-filler interaction, to distinguish the two interfacial phenomena, and to pave the way of studying their significance.
Methods: Ultrasil VN3 and solution styrene-butadiene rubber (SSBR) were of the base composite materials. Using two silanes with a short and a long aliphatic chain length, the surface of Ultrasil was modified in our lab to a certain level of grafting density which could bring the required surface energy and the filler-filler interaction. By controlling the surface energy of silica treated in the lab, and by making a systematic comparison of the resulting composites, it was possible to study the role of covalent bonding at the interface, the role of filler-filler interaction and severity of mobility restriction and finally the role of silane chain length.
Findings: Fatigue crack growth experiment revealed that the severity of mobility restriction and the filler-filler interaction of the composite have the highest impact on the amount of viscoelastic dissipation and the rate of crack growth.  The covalent bonding at the interface can deviate the crack from growing in the original direction and thus it may act as a physical barrier to improve crack growth resistance. For highly filled compounds where the properties are almost dictated by the filler-filler interaction, the role played by the chain length of silane is minor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • fatigue crack growth
  • interface bonding
  • filler-filler interaction
  • rubber
  • silica

1.Persson B. and Brener E., Crack Propagation in Viscoelastic Solids, Phys. Rev., 71, 036123, 2005. 2.Persson B., Albohr O., Heinrich G., and Ueba H., Crack Propagation in Rubber-Like Materials, J. Phys-Condens. Mat., 17, R1071, 2005. 3.Previati G. and Kaliske M., Crack Propagation in Pneumatic Tires: Continuum Mechanics and Fracture Mechanics Approaches, Int. J. Fatigue, 37, 69-78, 2012. 4.Mars W. and Fatemi A., Factors that Affect the Fatigue Life of Rubber: A Literature Survey, Rubber. Chem. Technol.,77, 391-412, 2004. 5. Mars W. and Fatemi A., A Literature Survey on Fatigue Analysis Approaches for Rubber, Int. J. Fatigue, 24, 949-961, 2002. 6.Debnath S., Khastgir D.K., and Dutta D., Fatigue Life of Styrene-Butadiene Rubber-Mica Composites, Polym. Test., 7, 371-380, 1987. 7.Smith M., Handbook of Rubber Technology: Identification,Testing, Recycling and Pollution Control in Rubber Industry, III, CBS, 2007. 8.Gent A.N. Engineering with Rubber: How to Design Rubber Components. Carl Hanser Verlag GmbH Co. KG, Germany, 2012. 9.Mars W. and Fatemi A.,Fatigue Crack Nucleation and Growth in Filled Natural Rubber, Fatigue Fract Eng. M, 26, 9, 779-789, 2003. 10.Wolff S.,Chemical Aspects of Rubber Reinforcement by Fillers, Rubber. Chem. Technol., 69, 3, 325-346, 1996. 11.Liang H., Fukahori Y., Thomas A. and Busfield J., Rubber Abrasion at Steady State, Wear, 266, 288-296, 2009. 12.Muhr A. and Roberts A., Rubber Abrasion and Wear, Wear, 158, 213-228, 1992. 13.Champ D.H., Southern E., and Thomas A.G., Fracture Mechanics Applied to Rubber Abrasion, Lee L.H. (Eds), Advances in Polymer Friction and Wear. Polymer Science and Technology, 5, Springer, Boston, 1974. 14.Kim K.J. and White J.L., TESPT and Different Aliphatic Silane Treated Silica Compounds Effects on Silica Agglomerate Dispersion and on Processability During Mixing in EPDM, J. Ind. Eng. Chem., 7, 50-57, 2001.
15.Menon A., Pillai C., Jin W., and Nah C., Fatigue Resistance of Silica‐Filled Natural Rubber Vulcanizates: Comparative Study of the Effect of Phosphorylated Cardanol Prepolymer and a Silane coupling Agent, Polym. Int., 54, 629-635, 2005. 16.Suzuki N., Ito M., and Yatsuyanagi F., Effects of Rubber/Filler Interactions on Deformation Behavior of Silica Filled SBR Systems, Polymer, 46, 193-201, 2005. 17.Hamed G.R., Energy Dissipation and the Fracture of Rubber Vulcanizates, Rubber Chem. Technol., 64, 493-500, 1991. 18.Mahtabani A., Alimardani M., and Razzaghi-Kashani M., Further Evidence of Filler–Filler Mechanical Engagement in Rubber Compounds Filled with Silica Treated by Long-Chain Silane, Rubber. Chem. Technol., 90, 508-520, 2017. 19.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.
20.Jenkins M., Dauskardt R., and Bravman J., Important Factors for Silane Adhesion Promoter Efficacy: Surface Coverage, Functionality and Chain Length, J. Adhes. Sci. Technol., 18, 1497-1516, 2004. 21.Jiang Z., Meng L., Huang Y., Liu L., and Lu C., Influence of Coupling Agent Chain Lengths on Interfacial Performances of Polyarylacetylene Resin and Silica Glass Composites, Appl. Surf. Sci, 253, 4338-4343, 2007. 22.Karimi R., Alimardani M., Razzaghi-Kashani M., and Pourhossaini M.R., Mechanistic Evaluation of Silane-Spacer Length on Dynamic and Tribological Behavior of SBR-Modified Silica Rubber Composite, Iran. J. Polym. Sci. Technol.(Persian), 30, 489-500, 2018. 23.Pourhossaini M. and Razzaghi‐Kashani M., Grafting Hydroxy‐Terminated Polybutadiene onto Nanosilica Surface for Styrene Butadiene Rubber Compounds, J. Appl. Polym. Sci., 124, 4721-4728, 2012. 24.Stadlbauer F., Koch T., Archodoulaki V.-M., Planitzer F., Fidi W., and Holzner A., Influence of Experimental Parameters on Fatigue Crack Growth and Heat Build-Up in Rubber, Materials, 6, 5502-5516, 2013. 25.
Rubber, Vulcanized-Measurement of Fatigue Crack Growth Rate, ISO Standard, 2008.
26.Stadlbauer F., Koch T., Planitzer F., Fidi W., and Archodoulaki V.M., Setup for Evaluation of Fatigue Crack Growth in Rubber: Pure Shear Sample Geometries Tested in Tension-Compression Mode, Polym. Test., 12, 80-89, 2014. 27.Rooj S., Das A., Morozov I.A., Stöckelhuber K.W., Stocek R., and Heinrich G., Influence of “Expanded Clay” on the Microstructure and Fatigue Crack Growth Behavior of Carbon Black Filled NR Composites, Compos. Sci. Technol., 76, 61-68, 2013.