Novi hibridni punilac protiv starenja biomase za kompozite stiren-butadien gume, 2. dio

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

3. Rezultati i diskusija

3.1. Karakterizacija Silica-s-TP

Slika 2a je ilustrovala FTIR spektre netaknutog silicijum dioksida, TP i silicijum-s-TP respektivno. Spektar za silicijum dioksid u prisustvu karakterističnih pikova na 3440 cm- i 1630 cm-I pripada hidroksilnoj grupi koja se proteže za silanol hidroksil i savijanju hidroksilne grupe apsorbovane vode na površini silicijum dioksida[27]. Kao što je prikazano u infracrvenom spektru TP, tipični pikovi na 3340 cm{9}} i 1348 cm-l se pripisuju slobodnom ili intramolekularnom vodoničnom vezom istezanja i savijanja, respektivno. Osim toga, vrhovi na 1698 cm-l, 1621 cm-I i 1448 cm-I se pripisuju C=O istezanju, C=C vibraciji na prstenu i CH savijanju, respektivno . U međuvremenu, pikovi na 1144 cm-I i 1034 cm-' svi se pripisuju CO-Cstretchingu [32]. Upoređujući silicijum-s-TP sa čistim TP, infracrveni spektar silicijum-s-TP pokazuje tipičan sličan spektar kao i silicijum dioksid.cistanchKarakteristični pikovi TP su nevidljivi u spektru silicijum-s-TP zbog male količine TP cijepljenog na površinu silicijum dioksida. Osetljivija detekcija na površinama silicijum-s-TP može ilustrovati površinsku strukturu silicijum-s-TP.

Slika 2. (a) FTIR spektri, (b) UV-VIS apsorpcioni spektri, (c) TGA krive i (d) XPS O 1s spektri netaknutog silicijum dioksida, TP i silicijum-s-TP (pik fitingi silicijum dioksida -s-TP u tankim krivuljama).

Konverzija TP u silicijum-s-TP se manifestuje UV-VIS spektroskopijom na slici 2b. Uzorci silicijum dioksida, TP i silic-s-TP su dispergovani u dejonizovanoj vodi. Spektar silicijum dioksida ne pokazuje očiglednu apsorpciju u tipičnom opsegu ultraljubičaste apsorpcije. Pik apsorpcije TP na 220 i 270 nm pripisan je T-πt i n-πt' tranziciji konjugirane strukture u benzenu iz TP[19]. Silicijum-s-TP je takođe imao sličnu apsorpciju kao i TP na 220 i 270 nm. Ovo jasno ilustruje da se TP uspješno cijepio na površinu silicijum dioksida sa hidroksilnim grupama.

Molimo kliknite ovdje da saznate više

Termogravimetrijska analiza je primijenjena za procjenu sadržaja TP položenog na površini čestica silicijum dioksida, a krive silicijum dioksida, TP i silic-s-TP prikazane su na slici 2c. Termogravimetrijska kriva silicijum-s-TP može se podeliti u dva stepena tokom temperaturnog opsega od 30 do 800 stepeni. Prva faza ispod 150 stepeni pripisana je dehidraciji adsorbovane vode i uklanjanju silanolnih grupa na površini silicijum dioksida. Zatim je stepen iznad 200 stepeni pripisan termičkoj dekompoziciji kalemljenih TP molekula. Efikasnost opterećenja izračunava se pomoću jednačine (3) [33]:

LE: Efikasnost učitavanja; Wc: težina silicijum dioksida na 800 stepeni C;

WA-c: težina molekula TP nanesenog na silicijum dioksid (silic-s-TP) na 800 stepeni C; WA: težina TP molekula na 800 stepeni.

A izračunata vrijednost imobiliziranog TP na površini nano-silicijum dioksida iznosila je približno 3,4 težinskih postotaka. XPS mjerenje na površinskoj karakterizaciji uzoraka je osjetljivije [34]. O1s spektri silicijum dioksida, TP, i silicijum-s-TP, i spojevi vrha silicijum-s-TP (tanke krive) prikazani su na slici 2d u tankim krivuljama. Kao što prikazuje Slika 2d, glavni pik O1s u silicijum dioksidu na 532.6eVis pripisan je Si-OH. U poređenju sa silicijumom, energija vezivanja O 1s za silicijum-s-TP je smanjena zbog hemijske reakcije između Si-OH i TP. Dok se vrh može podijeliti na četiri tipa kisika COH, Si-OC, COC i-C=O pri energijama vezivanja od 531,8, 532,3, 532,9 i 533,5 eV, respektivno. Ovo je u skladu s kemijskom reakcijom između Si-OH grupe i TP za stvaranje atoma kisika s različitim energijama vezivanja [35]. Stoga, XPS rezultati dalje pokazuju uspješno vezivanje TP-a na površini silicijum dioksida.

3.2. Morfologija SBR kompozita

Slika 3 prikazuje SEM fotografije čistih SBR i SBR/silic-s-TP kompozita sa postupno povećanom količinom silicijum-s-TP. Od krtog poprečnog presjeka SBR-a, kao što je prikazano na slici 3a, poprečni presjek matrice je kontinuiran i gotovo gladak, osim nekoliko aglomerata ZnO i drugih gumenih aditiva. Kao nova vrsta funkcionalnog gumenog punila, svojstva disperzije silicijum-s-TP u SBR matrici su poboljšana sa povećanjem sadržaja punila kao što je prikazano na slici 3b-f. U poređenju sa urednom SBR matricom, krhki poprečni presjek SBR/silic-s-TP kompozita postaje hrapav, a ova morfologija podsjeća na druge srodne izvještaje u vezi s kompozitima guma/silicijum [36-38]. Očigledno, u kompozitima SBR/silic-s-TP nema vidljivih agregata. Čak i sa povećanjem dodane količine silicijum-s-TP, disperzija punila protiv starenja biomase u gumenoj matrici je prilično ujednačena i bez očiglednog stvaranja agregata. Nadalje, kalemljeni TP molekuli ne mogu samo smanjiti sadržaj hidroksilnih grupa na površini silicijum dioksida, već djeluju i kao razmaknici kako bi spriječili agregaciju čestica silicijevog dioksida u gumenom matriksu[3941].

3.3. Interfacijalna interakcija između biomasnog punila protiv starenja i gume

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, što sugerira da je gumeni lanac ograničen između međuprostora punila sa povećanjem sadržaja silicijum-s-TP, što daje značajan utjecaj na stakleni prijelaz. Varijacijski Xim punjenih SBR kompozita prikazan je na slici 4b[44] također ilustruje da se sposobnost kretanja polimernog lanca smanjuje sa povećanjem količine silicijum-s-TP protiv starenja. U međuvremenu, shematski prikaz imobiliziranog polimernog sloja na površini silicijum-s-TP ili nemodificiranih nanočestica SBR prikazan je na slici 4c,d. Deblji imobilizirani polimerni sloj na površini silicijum-s-TP čini kombinaciju punila biomase i gumene matrice čvršćom. Štoviše, zbog površine čestica punila modificirane TP-om, poboljšana međufazna interakcija između punila protiv starenja i gumene matrice dovodi masu gumenih molekularnih lanaca upletenih na površinu silicijum-s-TP, što čini segment gumenog lanca teškim za opuštanje. tokom staklene regije i dovesti do nižeg toplotnog kapaciteta. Obilan imobilizirani polimerni sloj je vrsta površinskog modifikatora za stvaranje intenzivne interakcije punilo-guma i za poboljšanje fizičkih svojstava SBR/silicijum-s-TP kompozita [34].

3.4. Otpornost na starenje SBR kompozita punjenih filerom protiv starenja

Usporavanje starenja je ključno za praktičnu primjenu svih polimera, posebno gumenih materijala sa nezasićenim dvostrukim vezama ugljik-ugljik. DMA testovi su korišteni za otkrivanje utjecaja termooksidativnog starenja SBR kompozita na kretanje lanca [45]. DMA krive SBRST-30 sa različitim termo-oksidativnim vremenima starenja prikazane su na slici 5a, a vršna vrijednost tangenta gubitka (tan δ) vs. različita vremena starenja za SBR/silic-s-TP kompozite prikazana su na slici 5b. Vršne vrijednosti SBR/silic-s-TP kompozita imale su umjeren pad s povećanjem vremena starenja (slika 5a), a dodavanjem 30 phr silicijum-s-TP moglo bi se postići minimalni pad (slika 5b) zbog obilnog fenolnog hidroksila grupe koje potiču od polifenola čaja na površini silicijevog dioksida koji mogu uhvatiti slobodne radikale nastale prekidom molekularnog lanca gume tokom termo-oksidativnog starenja i dalje ograničiti prekomjerno umrežavanje. Međutim, s povećanjem sadržaja silicijum-s-TP na 40 ili 50 phr, vršne vrijednosti uzoraka naglo opadaju, što je vjerovatno zbog povećane količine krutog sadržaja punila koji može uvelike ograničiti pomicanje gumenih lanaca. Dakle, odgovarajuća količina silicijum-s-TP može pružiti dugoročnu zaštitu inhibiranjem slobodnih radikala nastalih tokom termooksidativnog starenja [45].

Da bi se procijenio učinak biomase protiv starenja nanopunila silic-s-TP dispergiranja u gumenoj matrici na dugotrajno sprječavanje starenja, korišteni su XPS testovi za promatranje procesa difuzije kisika SBR/silic-s-TP kompozita sa različit sadržaj punila nakon kumulativnog vremena starenja. XPS spektar SBR/ST-30 tokom starenja na 100 stepeni za nula, pet, sedam i devet dana, respektivno, prikazan je na slici 5c. Odgovarajući molarni odnos O/C za SBR/silicijum-s-TP kompozite sa različitim vremenima starenja prikazan je na slici 5d. U skladu sa gore navedenim rezultatima dinamičke mehaničke analize, povećanje O/C omjera za SBR/ST-30 pokazuje najniže, otkrivajući da se dugoročna antioksidativna zaštita za SBR matricu postiže dodavanjem 30 phr biomase filera protiv starenja .

Cistanche može protiv starenja

Kao novi tip punila protiv starenja, svojstva protiv starenja i ojačavajuća svojstva direktne inkorporacije silicijum-s-TP u gumeni matriks su izuzetno važni faktori za procjenu njegovog učinka. Stoga su svojstva protiv starenja SBR/silic-s-TP kompozita procijenjena poređenjem varijacija mehaničkih svojstava tokom termičko-oksidativnog starenja na 100 stepeni tokom dana koje se postepeno povećavaju kao što je prikazano na slici 6. Prije termičko-oksidativnog starenja, Vlačna čvrstoća gumenih kompozita postupno se povećavala s povećanjem količine punila biomase protiv starenja (Slika 6a). U poređenju sa nepunjenim SBR-om, vlačna čvrstoća SBR/ST-50 ima skoro četiri puta povećanje i vrlo je vjerovatno da se pripisuje poboljšanoj interakciji između gume i punila i odličnim karakteristikama ojačanja silicijum-s-TP kao punilo biomase u gumenoj matrici. Nakon termičko-oksidativnog starenja, rekombinacija slomljenog kratkog gumenog lanca čini postupno povećanje gustoće umreženosti svih SBR kompozita (slika 6b)[46].cistanche holesterolZa najsporije povećanje gustine umreženosti SBR/ST-30 može se zaključiti da je 30 phr silicijum-s-TP efekta protiv starenja odlično u gumenoj matrici. Nadalje, zadržavanje mehaničkih svojstava SBR/silic-s-TP kompozita pokazalo je direktnu procjenu procesa starenja: otpornost na oksidaciju svih SBR uzoraka opada tijekom produžavanja termalno-oksidativnog vremena starenja i dovodi do značajnog smanjenja vlačna čvrstoća i istezanje pri prekidu kao što je prikazano na slici 6c,d. Konkretno, stopa smanjenja SBR/ST-30 kompozita je najsporija, a stopa zadržavanja vlačne čvrstoće može ostati iznad 80 posto, a relativno izduženje pri prekidu može se zadržati iznad 75 posto nakon devet dana starenja. Ovo ukazuje da ugradnja 30 phr silicijum-s-TP u gumeni matriks nudi dugotrajnu aktivnost protiv starenja koja usporava proces starenja. Pored toga, mehanizam silicijum-s-TP u gumenoj matrici za sprečavanje termičko-oksidativnog starenja i UV zračenja prikazan je na slici 6e. Struktura filera protiv starenja biomase je vjerovatno slična otežanom fenolnom antioksidansu. Kada je uzorak SBR/silic-s-TP bio izložen termalnoj oksidaciji ili UV zračenju, otežana fenolna hidroksilna grupa na površini silicijum-s-TP je izuzetno nestabilna i lako gubi elektrone, a per-oksiradikal formiran od lomljenje molekularnog lanca gume može se brzo uhvatiti što dovodi do eliminacije slobodnih radikala.nuspojave cistanche deserticola,Stoga, antioksidans biomase silicijum-s-TP ne može samo efikasno poboljšati svojstva gume protiv starenja, već i ojačati fizičko-mehanička svojstva gumene matrice kao vrste nanopunila biomase.

Slika 6. (a) Mehanička svojstva SBR/silic-s-TP kompozita; (b) gustina umreženosti, (c,d) zadržavanje mehaničkih svojstava SBR/silic-s-TP kompozita tokom termo-oksidativnog starenja na 100 stepeni, (e) šematski prikaz mehanizma silicijum-s-TP u gumenoj matrici kako bi se spriječilo termalno-oksidativno starenje i UV zračenje.

Na slikama 7a i b prikazano je zadržavanje vlačne čvrstoće i istezanja pri prekidu za SBR/silic-s-TP ploče nakon UV starenja u trajanju od jednog, dva i tri dana. Očigledno, ultraljubičasto je imalo kritičan uticaj na mehaničke performanse svih SBR/silic-s-TP uzoraka. Zadržavanje vlačne čvrstoće ielongacija pri lomljenju SBR/silic-s-TP kompozita se brzo smanjivala s povećanjem vremena UV starenja, zbog fragmentacije makromolekularnih lanaca gume. Međutim, sa povećanjem sadržaja punila biomase protiv starenja, SBR kompoziti koji sadrže silicijum-s-TP pokazali su poželjnu efikasnost otpornosti na starenje tokom dugotrajnog izlaganja ultraljubičastom zračenju. Nije iznenađujuće da zatezna čvrstoća i istezanje pri lomljenju SBR/ST-30 kompozita ostaju na 55 posto i 77 posto, što dokazuje odličnu efikasnost silicijum-s-TP protiv starenja. Optičke fotografije površine SBR kompozita nakon tri dana UV izlaganja prikazane su na slici 7c-g. Za SBR inkorporiran sa sadržajem silicijum-s-TP preko 20 phr kompozita, pukotine su plitke i diskontinuirane. Naprotiv, na površini kompozita koji je ugrađen sa nižim sadržajem silicijum-s-TP detektuju se duboke i kontinuirane pukotine. Vjerovatno zbog većeg sadržaja silicijum-s-TP donosi obilje TP u ovim kompozitima kako bi se spriječio rast pukotina zajedno s polimerima.cistanche benefitsKao što pokazuje Slika 7h, gustina pukotina svakog uzorka pokazuje tendenciju oštrog pada nakon dodavanja sadržaja punila koji prelazi 20 phr na 100 phr gume. Rastuće pukotine u reakcijskom procesu će se prekinuti zbog susreta s inertnim česticama, a pukotine je moguće dalje proširiti samo lomljenjem ili preskakanjem inertnih čestica [46]. Dakle, silicijum imobiliziran TP u umjerenim količinama osigurao je stabilniju i homogeniju distribuciju punila protiv starenja biomase u SBR matrici, što je dovelo do izvanrednog svojstva protiv starenja od nedovoljnih uzoraka punjenja.

Slika 7. (a,b) Zadržavanje mehaničkih svojstava SBR/silic-s-TP kompozita prije i nakon UV-održavanja na 50 stepeni; (cg) optičke fotomikrografije (50- puta) UV-eksponiranih (3 d) SBR kompoziti koji sadrže različit sadržaj silicijum-s-TP: (c) 10 phr, (d) 20 phr, (e) 30 phr, (f) 40 phr i (g) 50 phr; (h) grafikon tendencije gustine pukotina u odnosu na silicijum dioksid -s-TP sadržaj.

4. Zaključak

Ukratko, prijavljen je novi hibridni nanopunjač od biomase protiv starenja za poboljšanje termičke-oksidativne stabilnosti i otpornosti na UV-zračenje SBR-a bez dodavanja drugih tradicionalnih antioksidansa malih molekula, zbog polifenola zelenog čaja imobiliziranih na površini silicijum dioksida. Funkcionalizacija površine silicijum dioksida sa TP pokazala je poželjno svojstvo ispoljavanja poboljšane termičke oksidativne stabilnosti, posebno dodavanjem 30 phr silicijum-s-TP u SBR matricu. Nadalje, s povećanjem sadržaja silicijum-s-TP, svojstvo otpornosti na UV zračenje postepeno se povećava.cistanche AustraliaZa razliku od tradicionalnog niskomolekularnog antioksidansa, silicijum-s-TP ne samo da je pokazao izvanrednu disperziju punila i međufaznu interakciju između gume i punila, već je pokazao i poboljšanu stabilnost i volatilnost. Rezultati također nude inspiraciju za primjenu materijala protiv starenja biomase u zelenim gumama, ekološki prihvatljivim gumenim aditivima i funkcionalnim područjima nanopunila.

Ovaj članak je preuzet iz Materials 2020, 13, 4045; doi:10.3390/ma13184045 www.mdpi.com/journal/materials