کامپوزیت های لاستیکی دارای کربنات کلسیم

پرکننده ها به طور گسترده ای در صنایع مختلف برای کاربردهای زیادی مانند کاشی کف، لاستیک خودرو و غیره استفاده می شوند. کربنات کلسیم (CaCO3) یکی از پودرهای مهم معدنی است. و به طور گسترده ای به عنوان پرکننده به منظور کاهش هزینه در صنعت لاستیک استفاده می شود. هدف از این مطالعه بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت های لاستیکی با CaCO3 است.

ما افزودن پودر CaCO3 را در لاستیک طبیعی (NR) با 25، 50، 75 و 100 درصد لاستیک (phr) مطالعه کردیم. اثر CaCO3 بر خواص کامپوزیت لاستیک مانند ویسکوزیته مونی، لاستیک محدود، اثر مولینز و اثر پین مورد بررسی قرار گرفت. نتیجه اثر مولینز کامپوزیت لاستیک پر شده با CaCO3 با نتیجه لاستیک محکم مطابقت خوبی دارد: لاستیک با محدودیت بیشتر باعث کشش بیشتر کامپوزیت های لاستیک می شود. اثر پین نشان می دهد که ارزش مدول های مختلف ذخیره سازی (ΔG ’) ترکیب لاستیک پر شده با 25 درصد phr CaCO3 به دلیل ضعیف بودن شبکه پرکننده، کمترین مقدار است. در حالی که، NR  با  درصد100 phr CaCO3  نشان دهنده ΔG ‘قابل توجهی با افزایش فشار است. این نوع مواد را می توان برای تنظیم ویژگی های محصولات لاستیکی استفاده کرد.

لاستیک بدست آمده از مواد طبیعی (NR) یک محصول عمده است که به طور گسترده در صنعت استفاده می شود، به عنوان مثال، کاشی کف، تایر، دستکش، بالش و تشک، محصولات پزشکی و غیره. NR به دست آمده شامل cis و اجزای پلی ایزوپرن و غیر لاستیکی (پروتئین ها، فسفولیپیدها، قند، نمک و غیره) است.

تاکنون، هیچ ماده مصنوعی وجود ندارد که بتواند جایگزین لاستیک طبیعی بدست آمده از گیاهان شود.NR  اغلب با استفاده از پرکننده برای بهبود خواص مکانیکی آن تقویت می شود: مدول، سختی، مقاومت کششی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر پارگی با اضافه شدن مواد پرکننده بهبود می یابد. به تازگی، پرکننده ها به طور گسترده ای در صنایع لاستیک برای اهداف زیادی مانند بهبود خواص مکانیکی، تولید کارآمد و کاهش هزینه محصولات لاستیکی استفاده می شوند. به طور کلی، سه گروه پرکننده شامل پرکننده های تقویت کننده، پرکننده های نیمه تقویت کننده و پرکننده های غیر تقویت کننده وجود دارد. کارایی پرکننده تقویت کننده به عوامل مختلفی مانند اندازه ذرات، سطح و شکل پرکننده بستگی دارد. در بین پرکننده های تجاری، کربن سیاه و سیلیس (SiO2) مهمترین پرکننده های تقویت کننده هستند. آنها برای بهبود خواص مکانیکی ترکیبات لاستیکی اضافه می شوند. با این حال، برخی از پرکننده ها وجود دارند که می توانند به عنوان پرکننده های نیمه تقویت کننده (مانند خاک رس، تالک و کربنات کلسیم و غیره) برای کاهش هزینه یا بهبود خواص مکانیکی استفاده شوند. کربنات کلسیم (CaCO3) یکی از پودرهای مهم معدنی است و به طور گسترده ای به عنوان پرکننده در آن استفاده می شود.

صنایع رنگ، پلاستیک و لاستیک به منظور کاهش هزینه مواد در این زمینه پیشرو هستند. هدف اصلی این کار مطالعه اثر CaCO3 در کامپوزیت های لاستیکی بر خواص، به ویژه خواص فیزیکی و مکانیکی است.

آزمایشات عملی

برای تهیه نمونه، لاستیک طبیعی (NR) درجه STR 5L ابتدا با آسیاب دو رول در دمای 70 درجه سانتی گراد به مدت 5 دقیقه خرد شد. نمونه های کامپوزیتی با مخلوط کردن NR با کربنات کلسیم در 25، 50، 75 و 100 phr به مدت 10-15 دقیقه (در مجموع چهار نمونه) آماده شد. سپس همه نمونه ها به شکل ورق های آزمایش بریده شدند. برای تجزیه و تحلیل میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM: FEI ، Quanta 450 FEI)، نمونه های لاستیکی به قطعات کوچک بریده شده و برای تجزیه و تحلیل مورفولوژی با طلا پوشانده شده است. ویسکوزیته مونی با استفاده از ویسکومتر مونی از ترکیبات لاستیکی تعیین شد. جهت اندازه گیری کمی از فعالیت سطح پرکننده و برهمکنش لاستیک پرکننده در نظر گرفته شد. با غوطه ور کردن 1 گرم کامپوزیت لاستیک در 100 میلی لیتر حلال تولوئن در دمای اتاق به مدت 7 روز آزمایشات ادامه یافت. پس از انحلال، یک تکه لاستیک که در تولوئن نامحلول است فیلتر شده و وزن می شود. اثر مولینز کامپوزیت لاستیک با استفاده از دستگاه تست جهانی با محدوده کرنش اندازه گیری شد:

اثرات پین کامپوزیت لاستیکی با پرکننده کربنات کلسیم با استفاده از آنالیز فرایند لاستیکی در دمای 60 درجه سانتی گراد، فرکانس 1 هرتز، محدوده کرنش: 1-100 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. ارزش مدول های مختلف ذخیره سازی (ΔG ’) به معنی G’max – G’min است.

نتیجه گیری

قبل از استفاده به عنوان پرکننده لاستیکی، مواد کربنات کلسیم با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. این توزیع اندازه باریک در حدود 1 میکرون ذرات را ثابت می کند. با تجزیه و تحلیل ویسکوزیته Mooney NR با افزودنیهای کربنات کلسیم، نتایج نشان می دهد که ویسکوزیته کامپوزیت های لاستیکی برای ترکیب 25-100 phr پرکننده پودر کربنات کلسیم بین 58-62 است. پرکننده ها ذرات جامد هستند، همانطور که انتظار می رفت، وقتی با NR مخلوط می شوند، ویسکوزیته محصول افزایش می یابد. این به اثر هیدرودینامیکی مربوط می شود، که باعث افزایش ویسکوزیته لاستیک در صورت افزودن مواد افزودنی جامد بدون واکنش می شود. این همچنین ترکیب خوبی از ترکیبات مورد استفاده را نشان می دهد.

لاستیک محدود به کسری از پلیمرها گفته می شود که نمی توانند با حلال خوب از مخلوط لاستیک پرکننده ترکیب شوند. برای ارزیابی برهمکنش بین ذرات پرکننده و NR، لاستیک محدود کامپوزیتهای بدون اتصال با ترکیب با تولوئن در دمای اتاق اندازه گیری شدند. درصد لاستیک ساخته شده در همه نمونه ها (25-100 phr CaCO3) اندازه گیری شده است. بالاترین محدوده لاستیک برای نمونه های لاستیک طبیعی با کربنات کلسیم 100 phr اضافه شده است. این نتایج با تجزیه و تحلیل گرانروی مونی تطابق خوبی دارد.

اثر مولینز پدیده ای است که در مواد لاستیکی مشاهده می شود که در آن تعادل تنش-کرنش با نرم شدن تغییر می کند. این به عنوان یک نرم کننده ناشی از کرنش در نظر گرفته می شود و در پلیمرهای الاستومری هنگامی که نیروها به طور مکرر به ماده ای اعمال می شوند که منجر به ضعیف شدن مواد لاستیکی می شود، مشاهده می شود. اثر مولینز با استفاده از منحنی کرنش تنش (3 حلقه منحنی برگشت-برگشت) برای لاستیک طبیعی با افزودن کربنات کلسیم به ترتیب در 25 ، 50 ، 75 و 100 phr مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. هنگام افزایش  مقدار کربنات کلسیم در NR ، تنش کامپوزیت های NR تمایل به افزایش دارد، به ویژه در بارگذاری زیاد کربنات کلسیم (75  و 100 phr).

اثر پین از ویژگیهای رفتار تنش-کرنش است که با تغییر شکل با ایجاد فشار در لاستیک با پرکننده ها مرتبط است. این پدیده در شرایط تغییر شکل برشی به مدول ذخیره سازی (G ’) و مدول اتلاف (G”) توجه می شود. دلیل این پدیده تشکیل شبکه ای است که از اثر متقابل پرکننده و پرکننده در کامپوزیت ها در فشار کم ایجاد می شود. در زندگی واقعی، این به معنی از دست دادن انرژی است و تلاشها برای به حداکثر رساندن این اثر در لاستیک پر شده است. به عنوان مثال، نتیجه مدول برشی کامپوزیت های NR مربوط به مقدار پرکننده کربنات کلسیم تفاوت ها را نشان می دهد. این پدیده ناشی از شبکه های پرکننده – پرکننده و جذب – دفع زنجیره های پلیمری در سطح پرکننده کامپوزیت های لاستیکی است. با نگاهی به نتایج اثر پین، ارزش مدول های مختلف ذخیره سازی (ΔG ’) ترکیب لاستیک پر شده با کربنات کلسیم 25 phr به دلیل ضعیف بودن شبکه پرکننده، کمترین مقدار است. در حالی که، NR  با کربنات کلسیم 100 phr با افزایش فشار نشان دهنده ΔG ’قابل توجه تر است. مقدار ضریب میرایی مربوط به اتلاف انرژی است که نشان داد که ذره کربنات کلسیم در 100 phr مقادیر بارزتری دارد. از دست دادن انرژی ناشی از فشار نیز باعث افزایش دما و افزایش دلتا  بیشتر از ΔG ’می شود.

در این تحقیق، ما متوجه شدیم که اثر مولینز کامپوزیت لاستیکی کربنات کلسیم، لاستیکی محکم و لاستیک محدودتر از کامپوزیت دارای تنش بیشتر برای کشیدن کامپوزیت های لاستیکی است. از دیدگاه اثر پین، ارزش مدول های مختلف ذخیره سازی (‘ ΔG) ترکیب لاستیک پر شده با کربنات کلسیم 25 phr  به دلیل ضعیف تر شدن شبکه پرکننده، کمترین میزان است، در حالی که NR که با کربنات کلسیم 100 phr  تکمیل شده نشان دهنده ‘ ΔG بیشتر است.