دانلود مقاله تقویت لاستیک طبیعی با پر کننده هیبرید کربن سیاه/سیلیسم

چکیده
کربن سیاه(CB) و سیلیس به عنوان پر کننده های تقویت کننده اصلی مورد استفاده برای افزایش کارایی لاستیک مورد استفاده قرار گرفته اند. چون هر پر کننده دارای مزیت های خاصی است، استفاده از ترکیبات سیلیس/CB موجب بهبود خواص دینامیکی و مکانیکی ولکانیزات لاستیک طبیعی می شود. با این حال، نسبت بهینه سیلیس به CB برای ارایه خواص بهینه شده باید اصلاح شود. در این زمینه، تقویت NR با هیبرید سیلیس/CB در نسبت های مختلف برای تعیین نسبت بهینه مطالعه شد. پر کننده کل هیبرید 50 phr بود. خواص مکانیکی نشان دعنده تقویت ولکانیزات های NR نظیر مقاومت کششی، مقاومت پارگی، مقاومت سایش، مقاومت به رشد ترک، افزایش مقاومت حرارتی و مقاومت تاشوندگی تعیین شدند. نتایج نشان داد که ولکانیزات دارای 20 و 30 phr سیلیس در پر کننده هیبرید، خواص مکانیکی بهتری را نشان دادند.
1-مقدمه
اگرچه لاستیک طبیعی خواص برجسته ای را از خود نشان می دهد، پر کننده های تقویتی لزوما به لاستیک در بیشتر موارد برای رسیدن به خواص مناسب در کاربری های خاص افزوده می شوند. طیف وسیعی از مواد پر کننده ریز در صنتعت لاستیک سازی برای اهداف مختلف استفاده می شوند که موجب کاهش هزینه های مواد و بهبود فرایند فراوری می شود. اضافه نمودن پرکننده¬های تقویتی همچون دوده و سیلیکا به مقدارزیاد درلاستیک ها، باعث حصول خواص مکانیکی و دینامیکی ویژه‌ای در بسیاری از محصولات لاستیکی می‌شود.پیش بینی میزان تقویت کنندگی لاستیک محدود به مدل¬های تعیین رفتار الاستیک یا گرانرو کامپوزیت¬های پلیمری یا لاستیکی است. این در حالی است که مشخصه¬های بسیاری علاوه بر کسر حجمی پرکننده، بر خواص مکانیکی و دینامیکی این کامپوزیت¬ها موثر است. توجه اصلی این مقاله مرور تاثیر مشخصات مختلف پرکننده ، ازجمله شیمی سطح، ساختار و شکل، اندازه ذرات و بخصوص توزیع اندازه ذرات پرکننده بر تقویت کنندگی سامانه‌ها‌ی مختلف اعم از سامانه‌ها‌ی کلوئیدی، پلیمری و لاستیکی می‌باشد. از میان عوامل نام برده، تاثیر توزیع اندازه ذرات پرکننده در سامانه¬های لاستیکی بیشتر مورد توجه قرار گرفته شده است.
مدل‌های تقویت کنندگی
افزایش پرکننده سخت به یک ماتریس نرم، اعم از سیالات یا جامدات، باعث افزایش گرانروی یا مدول الاستیک این مواد می¬شود. برای تخمین خواص این کامپوزیت¬ها مدل¬های متعددی با پیش فرض¬های مشخص ارائه شده¬اند که به شرح زیر هستند:
اولين مدل در این ارتباط توسط انيشتين ارائه شد که در این رابطه تغييرات گرانروی يک سيال نيوتنی با افزودن گوی‌های کروی سخت فاقد از هر نوع برهمکنشی با يکديگر محاسبه شد و رابطه زير بدستآمد.]1[
η_C=η_m (1+K_E V_p)
که η_c گرانروی محيط عادی و η_m گرانروی محيط بعد از اضافه شدن گوی‌ها، KEضریب انیشتین است که برای ذرات کروی برابر با 2.5 و ϕ کسر حجمی گوی¬هاست. با استفاده از رابطه‌ی=G_c/G_m η_C/η_m معادله ی (1) برای مدول برشیجامدات لاستیکیتوسط انیشتن-اسمالوود، به شکل زیر بیان شد:
(2)G_C=G_m (1+2.5V_p)
در در این دو مدلاثراندازه ذرات در تقویت کنندگی در نظر گرفته نشده است، و همچنین این مدل¬ها برای درصد حجمی پایین پرکننده به کارمی‌رود چرا که با افزایش درصد حجمی پرکننده تداخل خطوط کرنش اطراف ذرات پرکننده را شاهد خواهیم بود.گوت [11] در ادامه تاثیر مقادیر زیاد پرکننده و تداخل اثر هیدرودینامیک را برای ذرات کروی نیز درنظر گرفت و به رابطه‌ی زیر رسید.
(3) G_c=G_M (1+K_E V_p+14.1V_P^2)

در رابطه بالا عبارت 〖V_P〗^2 اثر برهمکنش بين ذرات را در يک آمیزه‌ی بسیار پرشده بيان می کند. گوث در ادامه اثر هندسه و شکل پرکننده را هم در نظر گرفت که منجر به رابطه زير شد.[2] (4) P>>1 G_C=G_M (1+0.67PV_P+1.62P^2 V_P^2)

برای ذرات غیر کروی ، ضریب شکلی pرا می‌توان نسبت طول ذرات به عرض آنها در نظر گرفت.
G_c و G_m به ترتيب مدول برشی سامانه لاستیکی پرشده و سامانه ی بدون پرکننده است.یکی از معادلاتی که دارای پارامترهای متنوع برای بیان رفتار الاستیک کامپوزیت‌های دارای ذرات کروی درون ماتریس است ، معادله‌ی کرنر است]1.[ برای〖G_P>G〗_mداریم:
(5)G_C=G_m( 1+V_P/V_m (15(1-ν_m))/((8-10ν_m)))

که در آن ν_m نسبت پواسان ماتریس است . معادله ی فوق توسط نیلسن به شکل زیر اصلاح شد]1[ .
(6)(1+ABV_P)/(1-BδV_P ) M=M_m
که در آن تابع Bδ به میزان درصد چینش ذراتبستگی داردو M مدول استکه می‌تواند از نوع برشی ، الاستیک و یا بالک باشد. ضریب A تابع فاکتورهایی همچون هندسه ی پرکننده و نسبت پواسان ماتریس است ، ضریب B هم تابع مدول پرکننده و مدول ماتریس است.مونی، برای افزایش صحت مدل هیدرودینامیکی در توضیح رفتار آمیزه‌ها‌ی پرشده لاستیکی،اصلاحاتی را بر مدل(1) ارائه داد، تشابه این مدل با مدل کرنر وجود اثراتی مانند غلظت بالای پرکننده و تداخل اثر هیدرودینامیکی ذرات و شکل و نسبت منظر ذرات بود که در معادلات اینشتین و اسمالوود در نظر گرفته نشده بود]3[ .
تاثیر مشخصات پرکننده بر تقویت کنندگی آمیزه‌های لاستیکی
تاثیر سطح ویژه‌ی پرکننده
سطح ویژه پرکننده تاثیر زیادی بر روی خواص آمیزه نهایی می‌گذارد. باور عمومی بر این است که افزایش سطح ویژه یک پرکننده باعث افزایش تقویت کنندگی آمیزه نهایی می‌شود. تاثیر سطح ویژه را بر تغییر شکل شبکه‌ی پرکنندهمی‌توان این گونه توضیح داد که با افزایش سطح ویژه ذرات، قطر آن‌ها کاهش می‌یابد. در یک ساختار معین و مقدار پرکننده‌ی مشخص ،با کاهش قطر ذرات اندازه خوشه‌های پرکننده کوچک ترو فواصل درونی آن ها کم می‌شود. همین امر احتمال تشکیل شبکه ی پرکننده‌ها را زیاد می‌کند، در نتیجهمدول دینامیک در کرنش¬های کم(G’0)هم زیاد می‌شود. بررسی‌های نیدرمیر و گوتزر بر روی آمیزه ی SSBR پر شده با گرید های مختلف دوده از جمله N115، N220 و N339 که دارای ساختار یکسان هستند اما سطح ویژه ی متفاوت دارند در شکل زیر بررسی شده است [4].همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است، در مورد آمیزه ی حاوی دوده ی N115،G’0 با افزایش مساحت سطح یا کاهش اندازه ذرات پرکننده افزایش یافته و پدیده پین یا افت مدول در اثر شکست ساختار پرکننده بیشتر شده است.