Recyclingkleber für Gummiverbindungen: Kombination Rheo-NMR zeigt Schwankungen in Schwefeldiffusion und Vernetzungsdichte

Forschungshintergrund und Zweck

Grundkautschuk (GR) als nachhaltiger Füllstoff in Kautschukverbindungen, dessen Füllmenge den Einfluss auf die technischen Eigenschaften der Materialien hat immer im Fokus der Aufmerksamkeit im Bereich des Kautschukrecyclings gewesen. Eine im Journal of Applied Polymer Science veröffentlichte Studie untersuchte systematisch die Auswirkungen der GR-Füllung auf die Eigenschaften von Gummiverbindungen mit einem einzigartigen kombinierten Rheo-NMR-Gerät. Die Studie konzentriert sich nicht nur auf die Regulierung der technischen Leistung von GR als nachhaltiger Komponente, sondern untersucht auch die Mechanismen der Schwefeldiffusion und Veränderungen der Vernetzungsdichte dahinter.

Experimentales Design und Methoden

In der Studie wurden sowohl die Kautschukmatrize als auch die selbstgefertigte GR mit Butylenkatschuk (SBR) und Naturkautschuk (NR) hergestellt. Die Kombination von Rheo-NMR-Geräten wurde verwendet, um zwei Schlüsseleffekte zu quantifizieren: erstens das Fluorenverhalten von emulsionsartigen Co-Mischsystemen, die GR-Partikel im Gummimatrix bilden, und zweitens die weitere Schwefelung von GR-Partikeln durch Schwefeldiffusion. Mit diesem Gerät können die Forscher Fluorensinformationen und Daten zur Kreuzverbindungsdichte (CLD) zugreifen. Schlüsselfunden und Daten Die Studie hat einen wichtigen Mechanismus aufgedeckt: Der freie Schwefel im Kautschuk-Matrix verbreitet sich in das Innere der GR-Partikel, was die Kreuzungsdichte des Matrix und der GR-Partikel direkt verändert. Die NMR-Ergebnisse zeigten, dass die Vernetzungsdichte der GR-Partikel um 100% für das NR-System erhöht wurde. Bei SBR sinkt die Vernetzungsdichte der GR-Partikel um etwa 13 Prozent. Dieser Unterschied deutet darauf hin, dass die Matrixkautschuksorten einen signifikanten Einfluss auf die Schwefeldiffusionsrichtung und die Entwicklung der Vernetzungsdichte haben.

In Bezug auf das Fluorenverhalten bilden GR-Partikel in einem Gummimatrix eine emulsionsähnliche Co-Mischstruktur, deren Fluorenzeigenschaften durch ein geeignetes Konstruktionsemulsionsmodell beschrieben werden können. Dabei waren die Prognosen des Palierne-Modells abweichend von den experimentellen Daten um weniger als 15%, was darauf hindeutet, dass das Modell das fluktuierende Verhalten von GR-gefüllten Gummiverbindungen besser beschreiben kann.

Bedeutung für die Polymerhilfsmittelindustrie

Diese Studie liefert viele Hinweise auf die Optimierung von Rezepturen und Recyclingprozessen in der Gummihilfsmittelindustrie, insbesondere im Bereich Reifen und Gummi. Zunächst bedeutet das Phänomen der Diffusion des freien Schwefels vom Matrix auf GR-Partikel bei der Konstruktion des Schwefelsystems, dass die Menge an Schwefel und Promotoren in Rezepturen mit recyceltem Klebstoff wieder ausgewogen werden muss. Wenn nach herkömmlichen Rezepturen konzipiert, kann der effektive Schwefelgehalt im Matrix durch die Migration zu GR-Partikeln reduziert werden, was zu einer unzureichenden Vernetzungsdichte des Matrix führt; Gleichzeitig kann eine übermäßig hohe innere Vernetzungsdichte von GR-Partikeln sie härter und brüchiger machen und die dynamischen mechanischen Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen. Für NR-Substrate ist die Erhöhung der GR-Partikel-Vernetzungsdichte um 100% besonders besorgniserregend, was darauf hindeutet, dass die Neuverteilung der Schwefeldiffusion auf die zweiphasige Vernetzungsdichteverteilung im NR/GR-Co-Mischsystem vollständig berücksichtigt werden sollte. Zweitens, wenn GR als nachhaltiger Füllstoff zum Teil Kohlenschwarz oder weißes Kohlenschwarz ersetzt, kann seine Grenzflächenbindung zum Substrat und das Schwefeldiffusionsverhalten den Misch- und Schwefelprozess direkt beeinflussen. Das Palierne-Modell kann das Fluxusverhalten mit Abweichungen von bis zu 15% vorhersagen und bietet Rezepturingenieuren ein quantifizierbares Werkzeug, um die Bearbeitungsleistung bei verschiedenen GR-Füllmengen vorherzusagen, wodurch die Probe- und Fehlkosten reduziert werden können. Drittens beeinflusst die Veränderung der Vernetzungsdichte die thermische und sauerstoffbeständige Alterungsleistung und die dynamische Müdigkeitslebensdauer von Gummiverbindungen in Bezug auf die Alterungs- und Witterungseigenschaften von Gummi direkt. Eine signifikante Veränderung der Vernetzungsdichte von GR-Partikeln kann eine Quelle für Alterungsfluktuationen sein, so dass bei der Auswahl und Dosisoptimierung von Antialterungsmitteln und Antioxidantien die Ungleichmäßigkeit der Vernetzungsdichte berücksichtigt werden muss, die durch die Einführung von GR verursacht wird. Schließlich ist die Studie von unmittelbarem Nutzen für die Bereiche Reifenerneuerung und Recycling. GR als nachhaltige Komponente ist die Optimierung des Füllvolumens und die Regulierung der Schwefeldiffusion der Schlüssel zur Erreichung hochwertiger Recyclingklebstoffe. Die Studie berichtete zum ersten Mal über den entgegengesetzten Trend der Vernetzungsdichte von GR-Partikeln in NR und SBR, eine Entdeckung, die bisher nicht in der Literatur berichtet wurde, und bietet eine neue wissenschaftliche Grundlage für das ausgefeilte Design eines Gummi-Recyclingprozesses.

Schlussfolgerungen und Perspektiven

Insgesamt hat die Studie durch die Kombination der Rheo-NMR-Technik die evolutionären Gesetze der Vernetzungsdichte durch Schwefeldiffusion in GR-gefüllten Gummiverbindungen quantitativ aufgedeckt und die Anwendbarkeit des Palierne-Modells bei der Beschreibung ihres Fluorenverhaltens bestätigt. Für die Polymerhilfsmittelindustrie bedeutet dies, dass die Konstruktion von Schwefelsystemen, Verstärkungsfüllstoffen und Antialterungsmitteln in Reifen- und Kautschukrezepturen mit recyceltem Klebstoff von einem „einphasigen“ Denken zur „mehrphasigen Schwefelverteilung“ wechselt, um ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Nachhaltigkeit zu erreichen.

Quelle der Informationen: Effects of Ground Rubber Loading on Rubber Compounds Studied by the Hyphenated Rheo‐NMR and the Palierne Model， Durch befeuchtete Chemiker aufgeräumt.