Uusi hybridibiomassan ikääntymistä estävä täyteaine styreeni-butadieenikumikomposiiteille, osa 2

Ota yhteyttäoscar.xiao@wecistanche.comLisätietoja

3. Tulokset ja keskustelu

3.1. Silica-s-TP:n karakterisointi

Kuva 2a havainnollistaa koskemattoman piidioksidin, TP:n ja vastaavasti piidioksidi-s-TP:n FTIR-spektrit. Piidioksidin spektri tyypillisten piikkien läsnä ollessa 3440 cm-I:ssä ja 1630 cm-I:ssä, vastaavasti, kuuluu silanolihydroksyylien hydroksyyliryhmän venytykseen ja absorboituneen veden hydroksyyliryhmän taipumiseen piidioksidin pinnalla[27]. Kuten TP:n infrapunaspektristä näkyy, tyypilliset huiput kohdilla 3340 cm-1 ja 1348 cm-l johtuvat vastaavasti vapaasta tai molekyylinsisäisestä vetysidoksesta venymisestä ja taivutuksesta. Lisäksi piikit kohdissa 1698 cm-l, 1621 cm-I ja 1448 cm-I johtuvat vastaavasti C=O-venymisestä, C=C-värähtelystä renkaassa ja CH-taivutuksesta. . Samaan aikaan huiput 1144 cm-I ja 1034 cm-' johtuvat kaikki CO-C-venytyksestä [32]. Vertaamalla piidioksidi-s-TP:tä puhtaaseen TP:hen, piidioksidi-s-TP:n infrapunaspektri osoittaa tyypillisen samanlaisen spektrin piidioksidin kanssa.vesisäiliöTP:n tunnusomaiset piikit ovat näkymättömiä piidioksidi-s-TP:n spektrissä johtuen pienestä määrästä TP:tä, joka on oksastettu piidioksidin pinnalle. Herkempi havaitseminen piidioksidi-s-TP-pinnoilla voi havainnollistaa piidioksidi-s-TP:n pintarakennetta.

Kuva 2. (a)FTIR-spektrit, (b)UV-VIS-absorptiospektrit, (c) TGA-käyrät ja (d) XPS O 1s -spektrit koskemattomasta piidioksidista, TP:stä ja piidioksidi-s-TP:stä (piidioksidin huippusovitukset) -s-TP ohuissa käyrissä).

TP:n muuttuminen piidioksidi-s-TP:ksi ilmenee UV-VIS-spektroskopialla kuvassa 2b. Piidioksidi-, TP- ja piidioksidi-s-TP-näytteet dispergoidaan deionisoituun veteen. Piidioksidin spektri ei osoita selvää absorptiota tyypillisellä ultraviolettiabsorptioalueella. TP:n absorptiohuippu aallonpituudella 220 ja 270 nm määritettiin konjugoidun rakenteen T-πt:lle ja n-πt'-siirtymiselle bentseenissä TP:stä[19]. Piidioksidi-s-TP vaikutti samanlaiselta absorptiolta kuin TP myös aallonpituudella 220 ja 270 nm. Tämä osoittaa selvästi, että TP on onnistuneesti oksastunut piidioksidin pinnalle hydroksyyliryhmillä.

Napsauta tätä saadaksesi lisätietoja

Piidioksidihiukkasten pinnalle tuetun TP:n pitoisuuden arvioimiseksi käytettiin termogravimetrista analyysiä ja piidioksidin, TP:n ja piidioksidi-s-TP:n käyrät esitettiin kuvassa 2c. Silica-s-TP:n termogravimetrinen käyrä voidaan jakaa kahteen vaiheeseen lämpötila-alueella 30 - 800 astetta. Ensimmäinen vaihe alle 150 astetta johtui adsorboituneen veden dehydraatiosta ja silanoliryhmien poistamisesta piidioksidin pinnalta. Sitten yli 200 asteen vaiheen katsottiin johtuvan oksastettujen TP-molekyylien lämpöhajoamisesta. Lataustehokkuus lasketaan yhtälöllä (3) [33]:

LE: Lataustehokkuus; Wc: piidioksidin paino 800 °C:ssa;

WA-c: piidioksidille ladatun TP-molekyylin paino (silika-s-TP) 800 °C:ssa; WA: TP-molekyylin paino 800 asteessa.

Ja laskettu immobilisoidun TP:n arvo nanopiidioksidin pinnalla oli noin 3,4 painoprosenttia. XPS-mittaus näytteiden pinnan karakterisoinnissa on herkempää [34]. Piidioksidin, TP:n ja piidioksidi-s-TP:n O1s-spektrit ja piidioksidi-s-TP:n huippusovitukset (ohuet käyrät) on esitetty kuvassa 2d ohuina käyrinä. Kuten kuvio 2d osoittaa, O1:n pääpiikki piidioksidissa 532,6 eVis:ssä on osoitettu Si-OH:lle. Piidioksidiin verrattuna O 1s:n sitoutumisenergia piidioksidi-s-TP:lle on pienentynyt Si-OH:n ja TP:n välisen kemiallisen reaktion vuoksi. Vaikka huippu voitaisiin jakaa neljään hapen tyyppiin: COH, Si-OC, COC ja -C=O sitoutumisenergioilla 531,8, 532,3, 532,9 ja 533,5 eV, vastaavasti. Tämä on sopusoinnussa Si-OH-ryhmän ja TP:n välisen kemiallisen reaktion kanssa happiatomien muodostamiseksi, joilla on erilaiset sitoutumisenergiat [35]. Siksi XPS-tulokset osoittavat edelleen TP:n onnistuneen sitoutumisen piidioksidin pinnalle.

3.2. SBR-komposiittien morfologia

Kuvassa 3 esitetään SEM-kuvat puhtaista SBR- ja SBR/silika-s-TP-komposiiteista, joissa on asteittain kasvanut piidioksidi-s-TP:n määrä. SBR:n hauraasta poikkileikkauksesta, kuten kuvassa 3a on esitetty, matriisin poikkileikkaus ilmaisee jatkuvaa ja lähes tasaista lukuun ottamatta muutamia ZnO:n ja muiden kumin lisäaineiden agglomeraatteja. Uudenlaisena funktionaalisena kumitäyteaineena piidioksidi-s-TP:n dispersio-ominaisuudet SBR-matriisissa paranevat täyteainepitoisuuden kasvaessa, kuten kuvassa 3b-f esitetään. Verrattuna siistiin SBR-matriisiin, SBR/piidioksidi-s-TP-komposiittien hauras poikkileikkaus muuttuu karkeaksi, ja tämä morfologia muistuttaa muita kumi/piidioksidikomposiitteja koskevia raportteja[36-38]. On selvää, että SBR/piidioksidi-s-TP-komposiiteissa ei ole ilmeisiä aggregaatteja. Jopa lisätyn piidioksidi-s-TP:n määrän kasvaessa biomassan ikääntymistä estävän täyteaineen dispersio kumimatriisissa on melko tasaista ja ilman ilmeistä aggregaattien muodostumista. Lisäksi oksastetut TP-molekyylit eivät ainoastaan ​​vähennä hydroksyyliryhmien pitoisuutta piidioksidin pinnalla, vaan toimivat myös välikkeinä, jotka estävät piidioksidihiukkasten aggregoitumisen kumimatriisiin [3941].

3.3. Rajapintojen vuorovaikutus biomassan ikääntymistä estävän täyteaineen ja kumin välillä

Rubber molecular chains have a unique long-chain sharpness which is sensitive to the local condition[42]. Hence, the variation morphology of the rubber chain during the glass transition process can be illustrated by the heat capacity of the SBR composite[43]. The DSC curves of neat SBR and SBR/silica-s-TP composites in the glass transition region are shown in Figure 4a. The values of ACP shown in Figure 4b are in a regular sequence of neat SBR>SBR/ST-10>SBR/ST-20>SBR/ST-30>SBR/ST-40>SBR/ST-50, mikä viittaa siihen, että kumiketju on rajoitettu täyteainevälin väliin, kun piidioksidi-s-TP:n pitoisuus kasvaa, mikä vaikuttaa merkittävästi lasisiirtymään. Täytettyjen SBR-komposiittien vaihteluXim on esitetty kuvassa 4b[44], ja se havainnollistaa myös, että polymeeriketjun liikekyky heikkenee ikääntymistä estävän piidioksidi-s-TP:n lisääntyessä. Sillä välin immobilisoidun polymeerikerroksen kaavamainen esitys piidioksidi-s-TP:n tai modifioimattomien nanohiukkasten pinnalla SBR on esitetty kuvassa 4c, d. Paksumpi immobilisoitu polymeerikerros piidioksidi-s-TP pinnalla tekee biomassatäyteaineen ja kumimatriisin yhdistelmästä tiiviimmän. Lisäksi TP:llä modifioidun täyteainehiukkasten pinnan ansiosta parannettu ikääntymistä estävän täyteaineen ja kumimatriisin välinen rajapintojen välinen vuorovaikutus tuo massa-s-TP-pintaan sotkeutuneita kumimolekyyliketjuja, mikä tekee kumiketjusegmentistä vaikean rentoutua. lasittumisalueen aikana ja alentaa lämpökapasiteettia. Runsas immobilisoitu polymeerikerros on eräänlainen pinnan modifiointiaine, joka luo intensiivisen täyteaineen ja kumin rajapinnan vuorovaikutuksen ja parantaa SBR/piidioksidi-s-TP-komposiittien fysikaalisia ominaisuuksia [34].

3.4. Ikääntymistä estävällä täyteaineella täytettyjen SBR-komposiittien ikääntymisen kesto

Vanhenemisen hidastaminen on ratkaisevan tärkeää kaikkien polymeerien käytännön sovelluksissa, erityisesti kumimateriaalien, joissa on tyydyttymättömiä hiili-hiili-kaksoissidoksia. DMA-testejä käytettiin paljastamaan SBR-komposiittien lämpöoksidatiivisen vanhenemisen vaikutus ketjun liikkeisiin [45]. SBRST-30:n DMA-käyrät eri lämpöhapetusaikojen kanssa on esitetty kuvassa 5a, ja häviötangentin huippuarvo (tan δ) vs. SBR/piidioksidi-s-TP-komposiiteille on esitetty erilaisia ​​vanhentamisaikoja kuvassa 5b. SBR/piidioksidi-s-TP-komposiittien huippuarvot laskivat kohtalaisesti vanhenemisajan pidentyessä (kuva 5a), ja lisäämällä 30 phr piidioksidi-s-TP:tä saattoi saavuttaa minimaalinen lasku (kuva 5b) runsaan fenolisen hydroksyylin vuoksi. ryhmät, jotka ovat peräisin piidioksidin pinnalle tuetuista teen polyfenoleista, jotka voivat vangita vapaita radikaaleja, jotka syntyvät kumin molekyyliketjun katkeamisesta lämpöhapettavan vanhenemisen aikana ja rajoittaa edelleen liiallista silloitumista. Kuitenkin piidioksidi-s-TP-pitoisuuden noustessa arvoon 40 tai 50 phr, näytteiden huippuarvot laskevat jyrkästi, mikä johtuu todennäköisesti lisääntyneestä jäykän täyteainepitoisuuden määrästä, joka voi suuresti rajoittaa kumiketjujen siirtymistä. Näin ollen sopiva määrä piidioksidi-s-TP:tä voi tarjota pitkäaikaisen suojan estämällä lämpöhapettavan ikääntymisen aikana syntyviä vapaita radikaaleja [45].

Kumimatriisiin dispergoivan biomassan ikääntymistä estävän nanotäyteaineen piidioksidi-s-TP:n vaikutusta pitkäaikaiseen ikääntymisen estoon käytettiin XPS-testeillä tarkkailtiin SBR/silika-s-TP-komposiittien happidiffuusioprosessia. erilainen täyteainepitoisuus kumulatiivisen vanhenemisajan jälkeen. SBR/ST-30 XPS-spektri vanhentamisen aikana 100 asteessa nollassa, viidessä, seitsemässä ja yhdeksässä päivässä, vastaavasti, on esitetty kuvassa 5c. Vastaava O/C-moolisuhde SBR/piidioksidi-s-TP-komposiiteille eri vanhentamisajoilla on esitetty kuvassa 5d. Yllä olevien dynaamisen mekaanisen analyysin tulosten mukaisesti O/C-suhteen kasvu SBR/ST-30 on alhaisin, mikä paljastaa, että SBR-matriisin pitkäaikainen antioksidanttinen suoja saavutetaan lisäämällä 30 phr biomassaa ikääntymistä estävää täyteainetta. .

Cistanche voi estää ikääntymistä

Uudentyyppisenä ikääntymistä estävänä täyteaineena piidioksidi-s-TP:n suoran sisällyttämisen kumimatriisiin ikääntymistä estävät ja vahvistavat ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä tekijöitä sen suorituskyvyn arvioinnissa. Näin ollen SBR/silika-s-TP-komposiittien ikääntymistä estävät ominaisuudet arvioitiin vertaamalla mekaanisten ominaisuuksien vaihtelua lämpöhapettavan vanhenemisen aikana 100 asteessa asteittain kasvavien päivien ajan, kuten kuvassa 6 on esitetty. Ennen lämpöhapettavaa vanhenemista Kumikomposiittien vetolujuus parani vähitellen ikääntymistä estävän biomassatäyteaineen määrän kasvaessa (kuva 6a). Verrattuna täyttämättömään SBR:ään SBR/ST-50 vetolujuus on lähes nelinkertaistunut, ja se johtuu äärimmäisen todennäköisesti kumin ja täyteaineen välisen vuorovaikutuksen parantumisesta ja piidioksidi-s-TP:n erinomaisesta vahvistuksesta. biomassatäyteaine kumimatriisissa. Lämpöhapettavan vanhenemisen jälkeen murtuneen lyhyen kumiketjun rekombinaatio lisää asteittain kaikkien SBR-komposiittien silloitustiheyttä (kuva 6b)[46].cistanche-kolesteroliSBR/ST-30-ristisidostiheyden hitain kasvun osalta voidaan päätellä, että 30 phr piidioksidi-s-TP:n ikääntymistä estävä vaikutus on erinomainen kumimatriisissa. Lisäksi SBR/piidioksidi-s-TP-komposiittien mekaanisten ominaisuuksien säilyminen on osoittanut suoran arvioinnin ikääntymisprosessista: kaikkien SBR-näytteiden hapettumisenkestävyys heikkenee termisesti hapettavan vanhenemisajan pidentyessä ja johtaa merkittävään vähenemiseen. vetolujuus ja murtovenymä kuvan 6c,d mukaisesti. Erityisesti SBR/ST-30-komposiitin laskunopeus on hitain, ja vetolujuuden säilymisnopeus voi pysyä yli 80 prosentissa ja suhteellinen murtovenymä voidaan pitää yli 75 prosentissa yhdeksän päivän vanhentamisen jälkeen. Tämä osoittaa, että 30 phr silica-s-TP:n sisällyttäminen kumimatriisiin tarjoaa pitkäaikaisen ikääntymistä estävän vaikutuksen, joka hidastaa ikääntymisprosessia. Lisäksi kuvassa 6e on esitetty piidioksidi-s-TP:n mekanismi kumimatriisissa lämpöhapettavan ikääntymisen ja UV-säteilyn estämiseksi. Biomassan ikääntymistä estävän täyteaineen rakenne on todennäköisesti samanlainen kuin estyneen fenolisen antioksidantin. Kun SBR/piidioksidi-s-TP-näyte altistettiin lämpöhapetukselle tai UV-säteilylle, piihappo-s-TP:n pinnalla oleva estynyt fenolinen hydroksyyliryhmä on erittäin epästabiili ja helposti menetettävä elektroneja, ja peroksiradikaali muodostuu kumin molekyyliketjun katkeaminen voidaan siepata nopeasti, mikä johtaa vapaiden radikaalien eliminoitumiseen.cistanche deserticola sivuvaikutukset,Siksi piidioksidi-s-TP:n biomassan antioksidantti ei voi ainoastaan ​​parantaa tehokkaasti kumin ikääntymistä estäviä ominaisuuksia, vaan myös vahvistaa kumimatriisin fysikaalis-mekaanisia ominaisuuksia eräänlaisena biomassan nanotäyteaineena.

Kuva 6. (a) SBR/piidioksidi-s-TP-komposiittien mekaaniset ominaisuudet; (b) silloitustiheys, (c, d) SBR/silika-s-TP-komposiittien mekaanisten ominaisuuksien säilyminen lämpöhapettavan vanhenemisen aikana 100 asteessa, (e) kaavamainen esitys piidioksidi-s-TP:n mekanismista kumimatriisissa estämään lämpöhapettavaa ikääntymistä ja UV-säteilyä.

Kuvat 7a ja b esittävät vetolujuuden ja murtovenymän säilymistä SBR/silika-s-TP-levyille UV-vanhentamisen jälkeen yhden, kahden ja kolmen päivän ajan. Ilmeisesti ultravioletilla oli kriittinen vaikutus kaikkien SBR/silika-s-TP-näytteiden mekaaniseen suorituskykyyn. Vetolujuuden säilyminen jaSBR/silika-s-TP-komposiittien murtovenymä väheni nopeasti UV-vanhenemisajan pidentyessä kumin makromolekyyliketjujen pirstoutumisesta johtuen. Kuitenkin ikääntymistä estävän biomassatäyteaineen pitoisuuden kasvaessa piidioksidi-s-TP:tä sisältävät SBR-komposiitit osoittivat edullisen ikääntymisen vastustuskyvyn pitkäaikaisen ultraviolettialtistuksen aikana. Ei ole yllättävää, että SBR/ST{6}}-komposiitin vetolujuus ja murtovenymä pysyvät molemmat 55 prosentissa ja 77 prosentissa, mikä todistaa piidioksidi-s-TP:n erinomaisen UV-ikääntymisen estotehokkuuden. SBR-komposiitin pinnan optiset valokuvat kolmen päivän UV-altistuksen jälkeen esitetään kuvassa 7c-g. SBR-yhdisteissä, joissa piidioksidi-s-TP-pitoisuus on yli 20 phr, halkeamat ovat matalia ja epäjatkuvia. Päinvastoin, syviä ja jatkuvia halkeamia havaitaan komposiitin pinnalla, joka on sisällytetty pienemmällä piidioksidi-s-TP-pitoisuudella. Todennäköisesti korkeammasta piidioksidipitoisuudesta johtuen TP tuo mukanaan runsaasti TP:tä näissä komposiiteissa estämään halkeamien kasvua polymeerien mukana.cistanchen edutKuten kuva 7h osoittaa, kunkin näytteen halkeamistiheys osoittaa jyrkkää laskusuuntausta sen jälkeen, kun täyteainepitoisuus on lisätty yli 20 phr per 100 phr kumia. Kasvavat halkeamat reaktioprosessissa päättyvät johtuen inerttien hiukkasten kohtaamisesta, ja halkeamia on mahdollista laajentaa vain rikkomalla tai ohittamalla inerttejä hiukkasia [46]. Siten piidioksidilla immobilisoitu TP maltillisesti varmisti biomassan ikääntymistä estävän täyteaineen vakaamman ja tasaisemman jakautumisen SBR-matriisissa, mikä johti erinomaiseen ikääntymistä estävään ominaisuuteen kuin riittämättömät täytenäytteet.

Kuva 7.(a,b)SBR/piidioksidi-s-TP-komposiittien mekaanisten ominaisuuksien säilyminen ennen ja jälkeen UV-käsittelyn 50 asteessa ;(cg) optiset mikrovalokuvat (50-kertaiset) UV-säteilystä (3 d) SBR-komposiitit, jotka sisältävät erilaisia ​​piidioksidi-s-TP-pitoisuuksia: (c) 10 phr, (d) 20 phr, (e) 30 phr, (f) 40 phr ja (g) 50 phr; (h) taipumuskaavio halkeamien tiheydestä vs. piidioksidi -s-TP sisältöä.

4. Johtopäätökset

Yhteenvetona voidaan todeta, että on raportoitu uusi hybridibiomassan ikääntymistä estävä nanotäyteaine, joka parantaa SBR:n lämpöhapetusstabiilisuutta ja UV-ikääntymiskestävyyttä lisäämättä muita perinteisiä pienimolekyylisiä antioksidantteja, koska vihreän teen polyfenolit ovat immobilisoituneet piidioksidin pinnalle. Piidioksidin pinnan funktionalisointi TP:llä osoitti toivottavan ominaisuuden, joka osoittaa parempaa lämpöhapettavaa stabiilisuutta, erityisesti lisäämällä 30 phr piidioksidi-s-TP:tä SBR-matriisiin. Lisäksi piidioksidi-s-TP-pitoisuuden kasvaessa UV-ikääntymiskestävyys on kasvanut vähitellen.cistanche AustraliaToisin kuin perinteinen pienimolekyylinen antioksidantti, piidioksidi-s-TP ei ole osoittanut ainoastaan ​​erinomaista täyteaineen dispersiota ja kumin ja täyteaineen rajapintojen välistä vuorovaikutusta, vaan se on myös osoittanut parantavaa stabiilisuutta ja haihtuvuutta. Tulokset tarjoavat myös inspiraatiota biomassan ikääntymistä estävän materiaalin levittämiseen vihreissä renkaissa, ympäristöystävällisille kumin lisäaineille ja toiminnallisille nanotäytealueille.

Tämä artikkeli on poimittu materiaalista 2020, 13, 4045; doi:10.3390/ma13184045 www.mdpi.com/journal/materials