Solution-styrene-butadiene rubber (SSBR) composites were manufactured using four kinds of fillers: silica-silane coated carbon black (SC-CB) hybrid, starch-SC-CB hybrid, pure silica, and pure starch. The influence of filler type on the mechanical properties of the rubber matrix was studied in this w...
Solution-styrene-butadiene rubber (SSBR) composites were manufactured using four kinds of fillers: silica-silane coated carbon black (SC-CB) hybrid, starch-SC-CB hybrid, pure silica, and pure starch. The influence of filler type on the mechanical properties of the rubber matrix was studied in this work. SC-CB was prepared by silane-graft-coating using vinyl triethoxy silane and carbon black, which enhanced the dispersion effect between the rubber matrix and the filler, and improved the mechanical properties of the compounds. The morphology of the composites was observed by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The thermal decomposition behavior of the composites was determined by thermogravimetric analysis (TGA), and the crosslinking behavior of the composites was tested using a rubber process analyzer (RPA). The hardness, tensile strength, swelling ratio, and gas transmittance rate of the composites were evaluated according to ASTM. The test results revealed that with the addition of SC-CB, the hybrid fillers, especially those blended with silica, showed a better reinforcement effect, the highest hardness and tensile strength, and stable thermal decomposition behavior. This implies that the silica-SC-CB hybrid filler has a notable mechanical reinforcement effect on the SSBR matrix. Because of self-crosslinking during its synthesis, the starch-SC-CB hybrid filler produced the most dense matrix, which improved the anti-gas transmittance property. The composites with the hybrid fillers had better anti-swelling properties as compared to the neat SSBR composite, which was due to the hydrophilicity of silica and starch.
Solution-styrene-butadiene rubber (SSBR) composites were manufactured using four kinds of fillers: silica-silane coated carbon black (SC-CB) hybrid, starch-SC-CB hybrid, pure silica, and pure starch. The influence of filler type on the mechanical properties of the rubber matrix was studied in this work. SC-CB was prepared by silane-graft-coating using vinyl triethoxy silane and carbon black, which enhanced the dispersion effect between the rubber matrix and the filler, and improved the mechanical properties of the compounds. The morphology of the composites was observed by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The thermal decomposition behavior of the composites was determined by thermogravimetric analysis (TGA), and the crosslinking behavior of the composites was tested using a rubber process analyzer (RPA). The hardness, tensile strength, swelling ratio, and gas transmittance rate of the composites were evaluated according to ASTM. The test results revealed that with the addition of SC-CB, the hybrid fillers, especially those blended with silica, showed a better reinforcement effect, the highest hardness and tensile strength, and stable thermal decomposition behavior. This implies that the silica-SC-CB hybrid filler has a notable mechanical reinforcement effect on the SSBR matrix. Because of self-crosslinking during its synthesis, the starch-SC-CB hybrid filler produced the most dense matrix, which improved the anti-gas transmittance property. The composites with the hybrid fillers had better anti-swelling properties as compared to the neat SSBR composite, which was due to the hydrophilicity of silica and starch.
기체투과도 측정은 산소투과도측정기(OTR 8000, Ultra TecKorea)를 이용하여 측정하였다. 고무복합체에서 필러는 기체의 투과를 방해하는데, 이는 필러의 크기가 작을수록, 분포가 균일할수록 더 커진다.
본 연구에서는 SSBR의 실리카 분산성 향상과 물성 향상을 위한 방법으로 카본블랙을 실란 코팅 처리하여 첨가하였다. Vinyl triethoxy silane으로 표면 처리한 카본블랙의 첨가는 실리카와의 배합과정에서 분산성을 증대시키고 원료 고무와 실리카 간에 수소결합을 형성하게 되어 강한 상호작용을 가지게 된다.
오픈 롤밀(open rollmill)에서 원료 고무에 가교제 및 가교 촉진제를 제외한 약품을 배합한 후 CBS와 DD를 넣고 혼련하였다. 마지막으로 황을 넣고 배합고무를 제조하였다.
인장강도는 만능재료시험기(H5KT-0401, Tinius Olsen)를이용하여 측정하였다. 총 5 개의 아령형 시편을 제작하여 500mm/min의 crosshead speed로 측정하였고, 최대 값 및 최소 값을 제외한 나머지 값의 평균을 구하였다.
팽윤도 측정은 25 mm × 5 mm × 2 mm의 가황 고무 시편을 톨루엔에 침윤시킨 후 30℃에서 1, 3, 6, 12, 24 시간이 되었을 때, 각 시료의 팽윤된 무게(W)와 팽윤 전 무게(W0), d1 (density of toluene), d2 (density of SSBR)을 측정하여, 식 (2) 을 이용해 팽윤도를 계산하였다.
대상 데이터
), 카본블랙(N-550, Continental Carbon)은 vinyl triethoxy silane으로 코팅하여 사용하였다. 가교제로는 sulfur (Daejung Reagents Chemicals), 1, 2차 가교촉진제로는 N-cyclohexyl-2-benzothiazole sulfonamide (CBS,Tokyo Chemical Industry)와 2,2-dibenzothiazolyl disulfide(DD, Tokyo Chemical Industry)를 사용하였고, 이외에 zinc oxide (ZnO, Samchun Pure Chemical Co.), stearic acid (SA,Daejung Reagents Chemicals)를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 원료 고무는 solution styrene-butadiene rubber (SSBR, Kumho Petrochemical, SOL-5270H, styrenecontent; 21 wt%, vinyl content; 65 wt%, Mooney viscosity(100℃); 63, Tg; −26℃)를 사용하였고, 보강제로 실리카(Ultrasil 7000GR, Evonik Korea; BET 175 m2/g)와 전분(Duksan Pure Chemical Co.), 카본블랙(N-550, Continental Carbon)은 vinyl triethoxy silane으로 코팅하여 사용하였다.
이론/모형
인장강도는 만능재료시험기(H5KT-0401, Tinius Olsen)를이용하여 측정하였다. 총 5 개의 아령형 시편을 제작하여 500mm/min의 crosshead speed로 측정하였고, 최대 값 및 최소 값을 제외한 나머지 값의 평균을 구하였다.
성능/효과
이는 커플링 에이전트의 첨가로 더 조밀한 매트릭스를 형성한 것으로 판단되었다. 또한 조밀한 매트릭스의 형성은 고무복합체의 열분해 온도를 미세하게 증가시키는 것으로 확인되었다. 인장강도는 일반적으로 고무-필러 간 결합이 깨지며 일어나는데 실란 코팅된 카본블랙을 첨가한 조성에서 고무-필러 간 상호작용의 증대로 물성 향상을 보였고, 경도의 경우에도 실란 코팅된 카본블랙을 첨가한 조성에서 더 높은 값을 보였고,인장강도와 경도 모두에서 실리카에 커플링 에이전트를 첨가했을 때 보강효과가 더 뛰어남을 보였다.
고무 매트릭스와 필러의 상호작용에서 분산성 향상과 물성 향상을 위한 방법으로 카본블랙에 실란 코팅을 하여 실험을 실시하였다. 실란 코팅된 카본블랙을 첨가한 조성에서 가교 속도가 빨라지고 가교도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 커플링 에이전트의 첨가로 더 조밀한 매트릭스를 형성한 것으로 판단되었다.
Figure 2에서 Neat의 경우 비교적 매끄러운 표면을 가지고 있다. 실리카와 전분을 단독으로 사용한 시편에서 필러끼리 뭉침 현상으로 인한 큰 크기의 필러 입자들이 관찰되었다, SC-CB를 혼합하여 첨가해준 시편에서는 필러들의 크기가 작고 고르게 분산이 되어있는 것을 확인하였다.
또한 조밀한 매트릭스의 형성은 고무복합체의 열분해 온도를 미세하게 증가시키는 것으로 확인되었다. 인장강도는 일반적으로 고무-필러 간 결합이 깨지며 일어나는데 실란 코팅된 카본블랙을 첨가한 조성에서 고무-필러 간 상호작용의 증대로 물성 향상을 보였고, 경도의 경우에도 실란 코팅된 카본블랙을 첨가한 조성에서 더 높은 값을 보였고,인장강도와 경도 모두에서 실리카에 커플링 에이전트를 첨가했을 때 보강효과가 더 뛰어남을 보였다. 또한 고무-필러 간 상호작용 증대는 SEM 측정결과에서도 확인할 수 있었다.
실리카를 첨가한 시편이 전분을 첨가한 시편보다 필러 간 수소결합이 더 강하기 때문에 높은 경도 값을 나타내는 것으로 보인다. 커플링 에이전트를 첨가한 시편에서는 미첨가한 시편보다 더 조밀한 매트릭스를 형성하여 더 높은 경도 값을 나타냄을 확인하였다.
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