Dispersion of fillers and its effect on properties of rubber

• Autorzy: Bieliński D. , Głąb P. , Dobrowolski O. , Ślusarski L.

Warianty tytułu

PL

Dyspersja napełniaczy i jej wpływ na właściwości gumy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Several series of rubber mixes have been prepared with internal mixers or a laboratory two - roll mill. Conditions of mixing were intentionally changed to obtain both "bad" and "good" quality mixes. Dispersion of fillers (carbon black or silica) was determined with a DisperGrader instrument. Mechanical properties in extension, as well as friction and wear of the vulcanizates were measured. Rather unexpectedly any correlation between a quality of the mixes and properties of the vulcanizates, determined in a conventional way, could not been found. Further studies with Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) have revealed internal structure of agglomerates. Characterization of agglomerates has been proposed. Based on microscopic observations the hypothesis on the presence of "fatal" agglomerates, characterizing themselves either by low internal cohesion or low adhesion to rubber matrix, has been formulated. The "weak" agglomerates are likely to loose stability under a field of external stress, initiating microcracking, eventually leading to breaking of rubber. Their presence can be detected neither with a DisperGrader, due to its low resolution, nor applying standard ISO tests, rejecting experimental data distant from the average value. Advanced testing of rubber samples (fractal analysis - FA, determination of the bound rubber content - BdR, Positron Annihilation Spectroscopy - PAS or tribological characteristics carried out with the high frequency sampling) have demonstrated that internal structure of filler agglomerates is a key factor for evaluation a quality of rubber mix, finally influencing exploitation properties of vulcanizates.

PL

Sporządzono kilka serii mieszanek gumowych za pomocą mieszarek zamkniętych o różnej konstrukcji rotorów i pojemności komory, oraz walcarki laboratoryjnej. Warunki mieszania dobierano w taki sposób aby uzyskać mieszanki zarówno "dobrej" jak i "złej" jakości. Stopień dyspersji napełniacza (sadzy lub krzemionki) oznaczano za pomocą aparatu DisperGrader 1000. Badano również właściwości mechaniczne wulkanizatów podczas rozciągania, ich tarcie oraz odporność na zużycie tribologiczne. Raczej niespodziewanie, nie udało się znaleźć żadnej korelacji pomiędzy jakością mieszanek gumowych a właściwościami sporządzonych z nich wulkanizatów, oznaczonymi w sposób konwencjonalny. Dalsze badania, przeprowadzone przy wykorzystaniu mikroskopii sił atomowych (AFM) i skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) ujawniły istnienie wewnętrznej struktury aglomeratów. Zaproponowano sposób jej charakteryzacji. W oparciu o obserwacje mikroskopowe sformułowano hipotezę dotyczącą obecności "krytycznych" aglomeratów fazy stałej w matrycy kauczuku, które charakteryzują się albo małą kohezją wewnętrzną albo małą adhezją do matrycy elastomeru. Jest wielce prawdopodobne, że "słabe" aglomeraty odpowiednio, albo pękają pod wpływem naprężeń, albo odwarstwiają się od matrycy pod wpływem naprężeń zewnętrznych, inicjując powstanie i propagację mikropęknięć, prowadzących do zniszczenia gumy. Obecności aglomeratów krytycznych nie da się stwierdzić ani za pomocą aparatu DisperGrader, z uwagi na jego małą zdolność rozdzielczą, ani stosując procedury norm ISO, które odrzucają wyniki eksperymentalne znacznie odbiegające od wartości średniej. Zaawansowane metody badań gumy (analiza fraktalna - FA, oznaczenie ilości kauczuku związanego - BdR, spektroskopia anihilacji pozytonów - PAS czy wyznaczanie przebiegu charakterystyk tribologicznych z dużą częstością próbkowania) udowadniają, że wewnętrzna struktura aglomeratów fazy stałej jest czynnikiem kluczowym z punktu widzenia oceny jakości mieszanki gumowej, wpływając na właściwości eksploatacyjne wykonanych z niej wulkanizatów.

Słowa kluczowe

EN

rubber; filler dispersion; internal structure of agglomerates; "fatal" agglomerate

PL

guma; dyspersja napełniacza; struktura wewnętrzna aglomeratów; aglomerat krytyczny

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników
• Czasopismo: Elastomery
• Rocznik: 2005
• Tom: T. 9, nr specjal
• Strony: 42--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Bieliński D.

• Institute of Polymers & Dye Technology, Technical University of Łódź, 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 12/16

autor

Głąb P.

• Institute of Polymers & Dye Technology, Technical University of Łódź, 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 12/16

autor

Dobrowolski O.

• Institute of Polymers & Dye Technology, Technical University of Łódź, 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 12/16

autor

Ślusarski L.

• Institute of Polymers & Dye Technology, Technical University of Łódź, 90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 12/16

Bibliografia

• 1. DisperGrader 1000, Instrument for determination of filler dispersion and the presence of large agglomerates in all black rubber, Optigrade A. B., Sweden
• 2. Grossman R. F.: (edit.) "The mixing of Rubber" Chapman & Hall, London, 1997
• 3. Leblanc J. L.: Some Consideration on Optimum Mixing with Respect to the Full Development of Rubber - Carbon Black Morphology, Kautschuk Gummi Kunststoffe 54 Jhg. Nr 6/2001, 327-333
• 4. Gerspacher M., Nikiel L., Yang H. H., O'Farrel C. P., Schwartz G. A.: Flocculation in Carbon Black Filled Compounds, Kautschuk Gummi Kunststoffe 55 Jhg. Nr 11/2002, 596-604
• 5. Qi L., Feke D. L., Manas-Zloczower I.: Influence of aggregate structure and matrix infiltration on the dispersion behavior of carbon black agglomerates, Rubber Chem. Technol 68 (5) 1995, 836-841
• 6. Collins V.: "Etude rheo-optique des mecanismes de dispersion du noir de carbone dans des elastomeres", Docteur these, l'Ecole des Mines de Paris, 2004
• 7. Lapra A., Clement F., Bokobza L., Monnerie L., Menez P.: Straining effect in silica -filled elastomers investigated by atomic force microscopy: from macroscopic stretching to nanoscale strain-field, Rubber Chem. Technol. 76 (1) 2003, 60-81
• 8. Uedono A., Fukul S., Muramatsu M., Ubukata T., Kimura S., Tanagawa S.: Open Space and Molecular Motions in Carbon-Black and Silica-Loaded SBR Investigated Using Positron Anihilation, Journal Polymer Science Part B, 39, 835-842 (2001)
• 9. Bieliński D., Ślusarski L., Dobrowolski O., Glab P., Dryzek E.: Studies of Filier Agglomeration by Atomic Force Microscopy and Positron Anihilation Spectroscopy, Kautschuk Gummi Kunststoffe 57 Jhg. Nr 11/04, 579-586
• 10. Hjelm R. P., Wampler W., Gerspacher M.: The Structure of Carbon Black and its Associations in Elastomer Composites: A Study using Neutron Scattering, Kautschuk Gummi Kunststoffe 55 Jhg. Nr 10/2000, 592-595
• 11. www.nanotec.es
• 12. J. Kansy, Nucl. Instrum. Methods: Part A, 374. 235 (1996)
• 13. J. Wang, C.A. Quarles, Radiat. Phys. Chem., 68, 527(2003)
• 14. S. Tao, Chem. Phys., 56, 5499 (1972).
• 15. Y.Y. Wang, H. Nakanishi, Y.C. Yean, T.C. Sandreczki, J. Polym. Sci.: Part B, 24, 1247(1986)
• 16. F.J. Baltá Calleja, F.J. Serna, M.A. Segovia, J. Appl. Phys., 58, 253 (1985)
• 17. Zhang S. W.: Advances in studies on rubber abrasion, Tribology International 22, 143-148(1989)