JP2019144125A - Method for evaluating durability of nanocomposite - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ナノコンポジットの耐久性能を評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating the durability performance of a nanocomposite.
ゴム製品等におけるナノコンポジットには様々な性能が要求され、近年では、ゴム製品等の使用期間が長期化しているため、耐破壊性能や耐摩耗性能等の耐久性能も優れていることが要求されている。このような耐久性能を評価する方法の提供が望まれている。 Various performances are required for nanocomposites in rubber products, etc., and in recent years, the usage period of rubber products has been prolonged, so that durability performance such as fracture resistance and wear resistance is also required. ing. It is desired to provide a method for evaluating such durability performance.
ところで、フィラーがポリマーに分散したナノコンポジット中において、フィラーとポリマーの界面領域における両者の接着性はナノコンポジットの力学物性に大きな影響を及ぼすと考えられている。そして、両者の接着性は、フィラー表面に吸着したポリマー(フィラー界面吸着ポリマー)の厚みと関係すると考えられている。 By the way, in the nanocomposite in which the filler is dispersed in the polymer, it is considered that the adhesiveness between the filler and the polymer in the interface region has a great influence on the mechanical properties of the nanocomposite. The adhesiveness between the two is considered to be related to the thickness of the polymer adsorbed on the filler surface (filler interface adsorbing polymer).
本発明は、前記課題を解決し、ナノコンポジットの耐久性能を評価できる方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide a method capable of evaluating the durability performance of a nanocomposite.
本発明は、異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、前記膨潤度と前記厚みとの関係により、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring the thickness of a filler interfacially adsorbed polymer in nanocomposites swelled at different degrees of swelling, and evaluating the durability performance of the nanocomposite in a non-swelled state based on the relationship between the degree of swelling and the thickness. .
前記膨潤度Qと前記厚みδQとの関係を下記式で近似して算出した比例定数Kに基づいて、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価することが好ましい。
δQ=K/Q
The relationship between the degree of swelling Q and the thickness [delta] Q based on a proportional constant K calculated by approximation by the following equation, it is preferable to evaluate the durability of the nanocomposite in the non-swollen state.
δ Q = K / Q
コントラスト変調小角中性子散乱法により前記測定を行うことが好ましい。 The measurement is preferably performed by contrast-modulated small angle neutron scattering.
本発明によれば、異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、前記膨潤度と前記厚みとの関係により、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価する方法であるので、ナノコンポジットの耐久性能を評価できる。 According to the present invention, the thickness of the filler interfacially adsorbed polymer in the nanocomposites swollen at different degrees of swelling is measured, and the durability performance of the nanocomposite in a non-swelled state is evaluated based on the relationship between the degree of swelling and the thickness. Since this is a method, the durability performance of the nanocomposite can be evaluated.
本発明の方法は、異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、前記膨潤度と前記厚みとの関係により、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価する。 The method of the present invention measures the thickness of the filler interfacially adsorbed polymer in nanocomposites swollen to different swelling degrees, and evaluates the durability performance of the nanocomposite in a non-swelled state based on the relationship between the swelling degree and the thickness. .
ナノコンポジットをポリマーの良溶媒で膨潤させると、フィラー界面に吸着したポリマーは溶媒に膨潤しにくい一方でフィラーに吸着していないポリマーは溶媒に膨潤しやすいために、両者の間で膨潤度の差が生じる。この膨潤度の差を利用して、膨潤したナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを定量化することが可能である。 When the nanocomposite is swollen with a good solvent for the polymer, the polymer adsorbed on the filler interface is less likely to swell in the solvent, while the polymer not adsorbed on the filler tends to swell in the solvent. Occurs. By using this difference in swelling degree, it is possible to quantify the thickness of the filler interface adsorption polymer in the swollen nanocomposite.
本発明者が、鋭意検討した結果、ナノコンポジットの膨潤度とフィラー界面吸着ポリマーの厚みとの関係から、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies by the inventors, it was found that the durability performance of the nanocomposite in a non-swelled state can be evaluated from the relationship between the degree of swelling of the nanocomposite and the thickness of the filler interface adsorption polymer, and the present invention has been completed. .
特に、本発明者は、ナノコンポジットの膨潤度とフィラー界面吸着ポリマーの厚みとが概ね反比例の関係にあり、その比例定数が大きいほど耐久性能に優れることを発見し、膨潤度Qと前記厚みδQとの関係を下記式で近似して算出した比例定数Kに基づいて、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価できることを見出した。
δQ=K/Q
In particular, the present inventors have found that the degree of swelling of the nanocomposite and the thickness of the filler interfacially adsorbed polymer are generally inversely proportional, and that the larger the proportional constant is, the better the durability performance is. It was found that the durability performance of the nanocomposite in a non-swelled state can be evaluated based on the proportionality constant K calculated by approximating the relationship with Q by the following equation.
δ Q = K / Q
本発明において、フィラー界面吸着ポリマーとは、溶媒膨潤したナノコンポジットの体積からフィラーの体積を差し引いて得られるポリマーの膨潤度よりも高い膨潤度をもつポリマーを意味する。 In the present invention, the filler interface adsorption polymer means a polymer having a degree of swelling higher than the degree of swelling of the polymer obtained by subtracting the volume of the filler from the volume of the solvent-swelled nanocomposite.
本発明では、まず、異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定する。 In the present invention, first, the thickness of the filler interfacially adsorbed polymer in the nanocomposite swollen with different degrees of swelling is measured.
ナノコンポジットとは、フィラーを1〜100nm程度のオーダーで粒子化したものを、ポリマーに分散させた複合材料のことを意味する。このようなナノコンポジットとしては、例えば、加硫前のゴム、架橋ゴム、熱可塑性エラストマー系ナノコンポジット、熱可塑性ポリマー系ナノコンポジット、熱硬化性ポリマー系ナノコンポジット等が挙げられる。なかでも、架橋ゴムに対して本発明の方法を好適に適用できる。 A nanocomposite means a composite material in which a filler is made into particles in the order of 1 to 100 nm and dispersed in a polymer. Examples of such nanocomposites include pre-vulcanized rubber, crosslinked rubber, thermoplastic elastomer nanocomposites, thermoplastic polymer nanocomposites, thermosetting polymer nanocomposites, and the like. Among these, the method of the present invention can be suitably applied to the crosslinked rubber.
架橋ゴムとしては、ゴム成分にフィラーを配合し、硫黄等の加硫剤により架橋した架橋ゴムであれば、特に限定されず、ゴム工業分野で汎用されている他の配合剤(シランカップリング剤、酸化亜鉛、ステアリン酸、各種老化防止剤、オイル、ワックス、架橋剤、加硫促進剤等)が含まれていてもよい。このような架橋ゴムは、公知の混練方法などを用いて製造できる。 The crosslinked rubber is not particularly limited as long as it is a crosslinked rubber obtained by blending a rubber component with a filler and crosslinked with a vulcanizing agent such as sulfur, and other compounding agents (silane coupling agents widely used in the rubber industry). , Zinc oxide, stearic acid, various anti-aging agents, oils, waxes, cross-linking agents, vulcanization accelerators, and the like). Such a crosslinked rubber can be produced using a known kneading method.
ゴム成分としては、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム(X−IIR)、スチレンイソプレンブタジエンゴム(SIBR)等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 As rubber components, natural rubber (NR), isoprene rubber (IR), butadiene rubber (BR), styrene butadiene rubber (SBR), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR), halogenated Examples include butyl rubber (X-IIR) and styrene isoprene butadiene rubber (SIBR). These may be used alone or in combination of two or more.
フィラーとしては、シリカ、カーボンブラック;mM2・xSiOy・zH2O(式中、M2はアルミニウム、カルシウム、マグネシウム、チタン及びジルコニウムよりなる群より選択された少なくとも1種の金属、又は該金属の酸化物、水酸化物、水和物若しくは炭酸塩を示し、mは1〜5、xは0〜10、yは2〜5、zは0〜10の範囲の数値を示す。);などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なかでも、シリカ、カーボンブラックに対して本発明の方法を好適に適用できる。 As the filler, silica, carbon black; mM 2 · xSiO y · zH 2 O (wherein M 2 is at least one metal selected from the group consisting of aluminum, calcium, magnesium, titanium and zirconium, or the metal And m represents 1 to 5, x represents 0 to 10, y represents 2 to 5, and z represents a numerical value in the range of 0 to 10.); Is mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, the method of the present invention can be suitably applied to silica and carbon black.
上記mM2・xSiOy・zH2Oで表される充填剤(フィラー)の具体例としては、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、アルミナ(Al2O3、Al2O3・3H2O(水和物))、クレー(Al2O3・2SiO2)、カオリン(Al2O3・2SiO2・2H2O)、パイロフィライト(Al2O3・4SiO2・H2O)、ベントナイト(Al2O3・4SiO2・2H2O)、ケイ酸アルミニウム(Al2SiO5、Al4(SiO2)3・5H2Oなど)、ケイ酸アルミニウムカルシウム(Al2O3・CaO・2SiO2)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、酸化カルシウム(CaO)、ケイ酸カルシウム(Ca2SiO4)、ケイ酸マグネシウムカルシウム(CaMgSiO4)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、酸化マグネシウム(MgO)、タルク(MgO・4SiO2・H2O)、アタパルジャイト(5MgO・8SiO2・9H2O)、酸化アルミニウムマグネシウム(MgO・Al2O3)、チタン白(TiO2)、チタン黒(TinO2n−1)等が挙げられる。
Specific examples of the filler (filler) represented by the above mM 2 · xSiO y · zH 2 O include aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ), alumina (Al 2 O 3 , Al 2 O 3 · 3H 2). O (hydrate)), clay (Al 2 O 3 · 2SiO 2 ), kaolin (Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O), pyrophyllite (Al 2 O 3 · 4SiO 2 · H 2 O) , Bentonite (Al 2 O 3 .4SiO 2 .2H 2 O), aluminum silicate (Al 2 SiO 5 , Al 4 (SiO 2 ) 3 .5H 2 O, etc.), aluminum calcium silicate (Al 2 O 3 .CaO) · 2SiO 2), calcium hydroxide (Ca (OH) 2), calcium oxide (CaO),
本発明では、異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジットを作製し、測定材料として用いる。すなわち、耐久性能を評価したい1のナノコンポジットについて、2種類以上(好ましくは3以上)の膨潤度に膨潤させたナノコンポジットを作製し、測定材料として用いる。異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジットを測定材料として用いることで、ナノコンポジットの耐久性能を評価することが可能となる。 In the present invention, nanocomposites swollen with different swelling degrees are prepared and used as measurement materials. That is, for one nanocomposite whose durability is to be evaluated, a nanocomposite swollen with two or more (preferably three or more) swelling degrees is prepared and used as a measurement material. It is possible to evaluate the durability performance of the nanocomposite by using a nanocomposite swollen with different degrees of swelling as a measurement material.
膨潤度とは、((膨潤溶媒の体積+ナノコンポジットの体積)/ナノコンポジットの体積)−1で定義され、膨潤溶媒の体積とは、ナノコンポジットが蓄えた溶媒の体積のことをいう。
異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジットとしては、例えば、体積が100mm3のナノコンポジットを用いる場合、該ナノコンポジットに過剰量のトルエンを添加し、完全に膨潤させたナノコンポジットを作製し、完全膨潤度が3であるとすると、100mm3及び200mm3のトルエンを添加した膨潤度が1及び2の膨潤させたナノコンポジットを用いたり、100mm3及び300mm3のトルエンを添加した膨潤度が1及び3の膨潤させたナノコンポジットを用いたりすることができる。
The degree of swelling is defined by ((volume of swelling solvent + volume of nanocomposite) / volume of nanocomposite) −1, and the volume of swelling solvent refers to the volume of solvent stored in the nanocomposite.
For example, when a nanocomposite having a volume of 100 mm 3 is used as a nanocomposite that has been swollen to a different degree of swelling, an excessive amount of toluene is added to the nanocomposite to produce a completely swollen nanocomposite, and the complete swelling If the degree is 3, the swelled nanocomposites having a swelling degree of 1 and 2 with addition of 100 mm 3 and 200 mm 3 toluene, or the swelling degree with addition of 100 mm 3 and 300 mm 3 of toluene are 1 and 3 Swelled nanocomposites can be used.
異なる膨潤度に膨潤させたナノコンポジットのうち、最も小さい膨潤度に膨潤させたナノコンポジットの膨潤度aと、最も大きい膨潤度に膨潤させたナノコンポジットの膨潤度bとの差(b−a)は、好ましくは0.1以上、より好ましく0.3以上、更に好ましくは1以上、特に好ましくは2以上である。また、差(b−a)の上限は特に限定されないが、5以下、4以下であってもよい。上記範囲内であると、耐久性能をより精度良く評価できる。 Difference between the degree of swelling a of the nanocomposite swollen to the smallest degree of swelling and the degree of swelling b of the nanocomposite swollen to the highest degree of swelling among the nanocomposites swollen to different swelling degrees (ba) Is preferably 0.1 or more, more preferably 0.3 or more, still more preferably 1 or more, and particularly preferably 2 or more. The upper limit of the difference (b−a) is not particularly limited, but may be 5 or less and 4 or less. Within the above range, the durability performance can be evaluated with higher accuracy.
ナノコンポジットを膨潤させる方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることができ、トルエン、シクロヘキサン、キシレン、テトラヒドロフラン等の溶媒を用いる方法が好適に使用できる。膨潤させる条件としては、ナノコンポジットが均一に膨潤できる条件であれば特に限定されないが、密閉容器内にナノコンポジットと任意量の溶媒を共存させ、ナノコンポジット全体を均一に膨潤させることが好ましい。ナノコンポジットを均一に膨潤するとは、膨潤に用いる溶媒等がナノコンポジット中に万遍なく行き渡っており、偏って溶媒がナノコンポジット中に存在し、反った状態のナノコンポジット等にならない状態のことをいう。 The method for swelling the nanocomposite is not particularly limited, and a known method can be used, and a method using a solvent such as toluene, cyclohexane, xylene, tetrahydrofuran or the like can be suitably used. The conditions for swelling are not particularly limited as long as the nanocomposite can uniformly swell, but it is preferable that the nanocomposite and an arbitrary amount of solvent coexist in the sealed container to uniformly swell the entire nanocomposite. To swell a nanocomposite uniformly means that the solvent used for swelling is spread throughout the nanocomposite, and the solvent is biased in the nanocomposite and does not become a warped nanocomposite. Say.
一般的に、溶媒等を用いてナノコンポジットを膨潤させる際、ナノコンポジットに反りが生じる。このような反りが生じている状態では、ナノコンポジット中に溶媒等が万遍なく行き渡っておらず、ナノコンポジットと溶媒を好ましくは6時間以上、より好ましくは12時間以上、更に好ましくは24時間以上共存させることにより、ナノコンポジット中に溶媒等が万遍なく行き渡り、前記反りも解消し、ナノコンポジット全体を均一に膨潤させたナノコンポジットが調製できる。 Generally, when a nanocomposite is swollen using a solvent or the like, warpage occurs in the nanocomposite. In such a warp state, the solvent or the like does not spread uniformly in the nanocomposite, and the nanocomposite and the solvent are preferably 6 hours or more, more preferably 12 hours or more, and still more preferably 24 hours or more. By coexisting, a solvent or the like can be uniformly distributed in the nanocomposite, the warp can be eliminated, and a nanocomposite in which the entire nanocomposite is uniformly swollen can be prepared.
なお、異なる膨潤度に膨潤させる方法として、ナノコンポジットをSP値の異なる溶媒で膨潤させると完全膨潤度が異なることを利用し、SP値の異なる数種類の溶媒を過剰量添加して完全に膨潤させる方法を用いてもよい。一種類の溶媒を使用する方法だと、狙いの膨潤度となるように溶媒を一定量添加し、密閉状態で静置する必要があるが、数種類の溶媒を過剰量添加して完全に膨潤させる方法だと、その必要がなく、試料セルの密閉性が悪くても膨潤度を変えることができる。 In addition, as a method of swelling to different swelling degrees, utilizing the fact that the nano-composite is swollen with a solvent having a different SP value, the degree of complete swelling is different. A method may be used. In the method using one kind of solvent, it is necessary to add a certain amount of solvent so as to achieve the desired degree of swelling and leave it in a sealed state, but add several kinds of solvent in excess and completely swell This method is not necessary, and the degree of swelling can be changed even if the sealing performance of the sample cell is poor.
膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みの測定は、例えば、コントラスト変調小角中性子散乱法(CV−SANS法)により行うことできる。その一例を具体的に説明する。 The thickness of the filler interface adsorption polymer in the swollen nanocomposite can be measured, for example, by a contrast modulation small angle neutron scattering method (CV-SANS method). One example will be specifically described.
先ず、CV−SANS法により、膨潤させたナノコンポジットに含まれる各成分の部分散乱関数を得る。次いで、得られた部分散乱関数に対して、フィラーとポリマーの界面領域モデルを示す式を用いてカーブフィッティングを行い、フィラー界面吸着ポリマーの厚みを求める。 First, the partial scattering function of each component contained in the swollen nanocomposite is obtained by the CV-SANS method. Next, curve fitting is performed on the obtained partial scattering function using an equation indicating an interface region model between the filler and the polymer, and the thickness of the filler interface adsorbing polymer is obtained.
CV−SANS法により、ナノコンポジットに含まれる各成分の部分散乱関数を得る方法は、特開2013−30286号公報に記載された方法と同様である。その詳細について説明する。 The method for obtaining the partial scattering function of each component contained in the nanocomposite by the CV-SANS method is the same as the method described in JP2013-30286A. Details will be described.
CV−SANS法とは、コントラスト変調(CV)を行った複数の試料の小角中性子散乱(SANS)から、試料に含まれる複数物質の構造解析等を行う技術である。ここで、コントラスト変調とは、溶媒の重水素化濃度や材料の重水素化濃度を変化させることによって散乱長密度を変化させ、含まれる複数の物質(ポリマー、フィラー等)の各散乱長密度との差である散乱長密度差(コントラスト)を変化させることをいう。 The CV-SANS method is a technique for performing structural analysis of a plurality of substances contained in a sample from small angle neutron scattering (SANS) of a plurality of samples subjected to contrast modulation (CV). Here, contrast modulation means changing the scattering length density by changing the deuteration concentration of the solvent or the deuteration concentration of the material, and each scattering length density of a plurality of contained substances (polymer, filler, etc.) It means that the scattering length density difference (contrast), which is the difference between the two, is changed.
例えば、溶媒として、重水素化トルエンとトルエンとを様々な重水素化トルエン/トルエン比率で混合した溶媒を使用して、複数の試料を作製してCV−SANS法を実施でき、例えば、重水素化トルエンの質量比率が0%、50%、75%、100%の4種類の溶媒を用いた各試料を測定すればよい。なお、以下において、膨潤溶媒中の重水素化トルエン比率(質量比率)が0%の試料を「d0」、50%の試料を「d50」、75%の試料を「d75」、100%の試料を「d100」とも称する。 For example, using a solvent in which deuterated toluene and toluene are mixed at various deuterated toluene / toluene ratios as a solvent, a plurality of samples can be prepared and the CV-SANS method can be performed. What is necessary is just to measure each sample using the 4 types of solvent whose mass ratio of fluorinated toluene is 0%, 50%, 75%, and 100%. In the following, a sample having a deuterated toluene ratio (mass ratio) in the swelling solvent of 0% is “d0”, a sample of 50% is “d50”, a sample of 75% is “d75”, and a sample of 100% Is also referred to as “d100”.
図2、3はそれぞれ、前記4種類の試料(d0、d50、d75、d100)のそれぞれの散乱強度曲線の一例を示している。 FIGS. 2 and 3 show examples of scattering intensity curves of the four types of samples (d0, d50, d75, d100), respectively.
なお、CV−SANS法により各試料の散乱強度曲線を得る際、中性子線の中性子束強度、測定方法、測定機器等は、特開2014−102210号公報等に記載されているものを好適に採用できる。 In addition, when obtaining the scattering intensity curve of each sample by the CV-SANS method, the neutron flux intensity of the neutron beam, the measuring method, the measuring device, etc. are suitably employed as described in JP-A-2014-102210. it can.
得られた試料の散乱強度曲線I(q)は、試料に含まれる各成分の部分散乱関数の和として表すことができる。通常、膨潤させたナノコンポジットの試料は、フィラー、ポリマー、膨潤溶媒以外の成分分率が非常に少ないため、フィラー、ポリマー、膨潤溶媒の3成分系とみなすことができ、散乱強度曲線I(q)は、下記式(1)で表すことができる。
前記4種類の試料(d0、d50、d75、d100)の各散乱強度In(q)(n=1〜4)と、各成分の散乱長密度から、下記式(3)により、部分散乱関数SPP(q)、SPF(q)、SFF(q)を算出できる。式(3)は、前記4種類の試料についての式(1)を行列で表したものであり、その特異値分解によって、各部分散乱関数を決定できる。
次いで、得られた部分散乱関数に対して、フィラーとポリマーの界面領域モデルを示す式を用いてカーブフィッティングを行い、フィラー界面吸着ポリマーの厚みを求める方法の一例を具体的に説明する。 Next, an example of a method for obtaining the thickness of the filler interface adsorbing polymer by performing curve fitting on the obtained partial scattering function using an equation indicating an interface region model between the filler and the polymer will be specifically described.
例えば、フィラーの凝集構造(領域α)にポリマーの体積分率φlの吸着層(領域β)が存在し、その周りを体積分率φmのマトリックス(領域γ)が存在するモデル(図1参照)を考える。また領域αと領域βを合わせた全体の構造として、滑らかな界面を持った慣性半径Rg,lの構造をモデルとして考え、この構造の散乱関数Sα+β(q)を考える。得られた部分散乱関数SPP(q)、SPF(q)、SFF(q)に対して、前記モデルを示す下記式(4)を用いてカーブフィッティングを行い、フィッティングパラメーターを最小2乗法で求める。
求められたフィッティングパラメーターにおいて、領域αと領域βを合わせた全体の構造の慣性半径Rg,lから領域αの凝集構造の慣性半径Rg,aを差し引いたRg,l−Rg,aがナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みに相当する。これにより、膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みが測定できる。 In the obtained fitting parameters, R g, l −R g, a obtained by subtracting the inertia radius R g, a of the aggregate structure of the region α from the inertia radius R g, l of the entire structure including the region α and the region β. Corresponds to the thickness of the filler interfacially adsorbed polymer in the nanocomposite. Thereby, the thickness of the filler interface adsorption polymer in the swollen nanocomposite can be measured.
本発明では更に、得られた、異なる膨潤度Qに膨潤させたナノコンポジット中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みδQについて、膨潤度Qと厚みδQとの関係により、好ましくは、膨潤度Qと厚みδQとの関係を下記式で近似して算出した比例定数Kに基づいて、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価する。
δQ=K/Q
In the present invention, the thickness δ Q of the filler interfacially adsorbed polymer in the nanocomposites swollen with different degrees of swelling Q is preferably determined according to the relationship between the degree of swelling Q and the thickness δ Q. based relationship between the thickness [delta] Q proportional constant K calculated by approximation by the following equation, to evaluate the durability of the nanocomposite in the non-swollen state.
δ Q = K / Q
具体的には、例えば、膨潤度Qと厚みδQとの関係を、上記式に対して最小二乗法等により近似し、比例定数Kを算出することにより、非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価できる。 Specifically, for example, the relationship between the degree of swelling Q and the thickness δ Q is approximated by the least square method or the like to the above equation, and the proportionality constant K is calculated, whereby the durability performance of the nanocomposite in the non-swelled state Can be evaluated.
本発明では、このようにして非膨潤状態におけるナノコンポジットの耐久性能を評価できる。これにより、ナノコンポジットの力学物性との関係を検証することができ、ゴム組成物等のナノコンポジットの開発に大きく寄与できる。 In the present invention, the durability performance of the nanocomposite in the non-swelled state can be evaluated in this way. Thereby, it is possible to verify the relationship between the mechanical properties of the nanocomposite and greatly contribute to the development of a nanocomposite such as a rubber composition.
実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。 The present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
以下、実施例で使用した各種薬品について、まとめて説明する。
(使用試薬)
SBR:日本ゼオン(株)製のNS116R
シリカ:エボニック社製のUltrasil VN3
シランカップリング剤1:エボニック社製のSi266(ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド)
シランカップリング剤2:エボニック社製のSi69(ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド)
シランカップリング剤3:モメンティブ社製のY19084(下記式(I)で表される化合物)
硫黄:鶴見化学工業(株)製の粉末硫黄
加硫促進剤1:N−tert−ブチル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド
加硫促進剤2:1,3−ジフェニルグアニジン
Hereinafter, various chemicals used in the examples will be described together.
(Reagent used)
SBR: NS116R manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.
Silica: Ultrasil VN3 manufactured by Evonik
Silane coupling agent 1: Si266 (bis (3-triethoxysilylpropyl) disulfide) manufactured by Evonik
Silane coupling agent 2: Si69 (bis (3-triethoxysilylpropyl) tetrasulfide) manufactured by Evonik
Silane coupling agent 3: Y19084 (a compound represented by the following formula (I)) manufactured by Momentive
1.ナノコンポジットA〜Cの作製
表1の配合内容にしたがい、密閉型バンバリーミキサーで、硫黄及び加硫促進剤を除く配合成分を温度が150℃に達するまで3〜5分間混練りし、ベース練りナノコンポジットを得た。つぎに、ベース練りナノコンポジットと硫黄及び加硫促進剤とをオープンロールで混練りし、得られた混練物を加硫してナノコンポジットA〜Cを得た。
1. Preparation of nanocomposites A to C In accordance with the contents of Table 1, the ingredients except for sulfur and vulcanization accelerator were kneaded for 3 to 5 minutes in a closed Banbury mixer until the temperature reached 150 ° C. A composite was obtained. Next, the base-kneaded nanocomposite, sulfur and a vulcanization accelerator were kneaded with an open roll, and the resulting kneaded product was vulcanized to obtain nanocomposites A to C.
2.破壊エネルギー指数の評価
JIS−K6251「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に従って、各ナノコンポジットの引張強度と破断伸びを測定した。更に、引張強度×破断伸び/2により破壊エネルギーを算出した。ナノコンポジットAの破壊エネルギーを100とした指数で示し(破壊エネルギー指数)、結果を表3に示した。指数が大きいほど、破壊エネルギーが高く、耐久性能に優れることを示す。
2. Evaluation of Fracture Energy Index The tensile strength and elongation at break of each nanocomposite were measured according to JIS-K6251 “vulcanized rubber and thermoplastic rubber—how to obtain tensile properties”. Further, the fracture energy was calculated by tensile strength × break elongation / 2. The fracture energy of the nanocomposite A is shown as an index (breaking energy index) as 100, and the results are shown in Table 3. The larger the index, the higher the fracture energy and the better the durability performance.
3.SANS測定
トルエンと重水素化トルエンの体積分率を変えた4種類のトルエン溶媒(トルエン/重水素化トルエン(vol/vol)=0/100、25/75、50/50、100/0)を準備した。
膨潤度が0.5となるように、各トルエン溶媒を、15mm四方で厚み1mmのナノコンポジットAを入れた各ガラスバイアルに滴下し、一昼夜静置して、膨潤させた試料A11〜A14を得た。同様にして、膨潤度が2となるように膨潤させた試料A21〜A24、膨潤度が4となるように膨潤させた試料A31〜A34を得た。
3. SANS measurement Four types of toluene solvents (toluene / deuterated toluene (vol / vol) = 0/100, 25/75, 50/50, 100/0) with different volume fractions of toluene and deuterated toluene. Got ready.
Each toluene solvent was dropped into each glass vial containing 15 mm square and 1 mm thick nanocomposite A so that the degree of swelling was 0.5 and left to stand overnight to obtain swollen samples A11 to A14. It was. Similarly, samples A21 to A24 swollen so that the degree of swelling was 2, and samples A31 to A34 swollen so that the degree of swelling was 4 were obtained.
15mm四方で厚み1mmのナノコンポジットBを各ガラスバイアルに入れ、完全に各トルエン溶媒に浸漬するようにした後、一昼夜静置して、完全に膨潤させた試料B11〜B14を得た。膨潤度は2.6であった。
15mm四方で厚み1mmのナノコンポジットCを各ガラスバイアルに入れ、完全に各トルエン溶媒に浸漬するようにした後、一昼夜静置して、完全に膨潤させた試料C11〜C14を得た。膨潤度は2.5であった。
Nanocomposite B of 15 mm square and 1 mm thickness was placed in each glass vial and completely immersed in each toluene solvent, and then allowed to stand overnight to obtain completely swollen samples B11 to B14. The degree of swelling was 2.6.
Nanocomposite C of 15 mm square and 1 mm thickness was placed in each glass vial and completely immersed in each toluene solvent, and then allowed to stand overnight to obtain completely swollen samples C11 to C14. The degree of swelling was 2.5.
キシレンと重水素化キシレンの体積分率を変えた4種類のキシレン溶媒(キシレン/重水素化キシレン(vol/vol)=0/100、25/75、50/50、100/0)を準備した。
15mm四方で厚み1mmのナノコンポジットBを各ガラスバイアルに入れ、完全に各キシレン溶媒に浸漬するようにした後、一昼夜静置して、完全に膨潤させた試料B21〜B24を得た。膨潤度は3であった。
15mm四方で厚み1mmのナノコンポジットCを各ガラスバイアルに入れ、完全に各キシレン溶媒に浸漬するようにした後、一昼夜静置して、完全に膨潤させた試料C21〜C24を得た。膨潤度は3.8であった。
Four types of xylene solvents (xylene / deuterated xylene (vol / vol) = 0/100, 25/75, 50/50, 100/0) with different volume fractions of xylene and deuterated xylene were prepared. .
Nanocomposite B of 15 mm square and 1 mm thickness was placed in each glass vial and completely immersed in each xylene solvent, and then allowed to stand overnight to obtain completely swollen samples B21 to B24. The degree of swelling was 3.
A nanocomposite C having a thickness of 15 mm and a thickness of 1 mm was placed in each glass vial and completely immersed in each xylene solvent, and then allowed to stand overnight to obtain completely swollen samples C21 to C24. The degree of swelling was 3.8.
次いで、膨潤させた各試料をサンプルホルダーに取り付け、室温にて試料に中性子線を照射した。低角検出器バンクのデータを用いた。使用した波長は1Åから10Åである。なお、ノイズデータ及び溶媒からのバックグラウンドを差し引き、厚み補正を行った。散乱強度はグラッシーカーボンを用いて絶対強度化をした。以上により、各散乱強度曲線I(q)を得た。 Next, each swollen sample was attached to a sample holder, and the sample was irradiated with neutron beams at room temperature. Low angle detector bank data was used. The wavelength used is 1 to 10 mm. In addition, the noise data and the background from the solvent were subtracted to perform thickness correction. The scattering intensity was made absolute using glassy carbon. Thus, each scattering intensity curve I (q) was obtained.
(SANS装置)
SANS:J−PARC付属の茨城県材料構造解析装置(iMATERIA)
(測定条件)
入射中性子波長:0.2〜10Å
MLFビーム:300kW
(検出器)
5He1次元検出器
(SANS equipment)
SANS: Ibaraki Prefectural Material Structure Analyzer (iMATERIA) attached to J-PARC
(Measurement condition)
Incident neutron wavelength: 0.2 to 10 mm
MLF beam: 300kW
(Detector)
5 He one-dimensional detector
試料A11〜A14の各散乱強度曲線I(q)と、下記表2で示される各成分の散乱長密度から、式(3)により、部分散乱関数SPP(q)、SFF(q)、SPF(q)を算出した。
更に、これらの部分散乱関数に対して、式(4)を用いてカーブフィッティングを行い、膨潤度0.5に膨潤させたナノコンポジットA中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、結果を表3に示した。
From the scattering intensity curves I (q) of the samples A11 to A14 and the scattering length density of each component shown in Table 2 below, the partial scattering functions S PP (q), S FF (q), S PF (q) was calculated.
Further, curve fitting was performed on these partial scattering functions using the formula (4), and the thickness of the filler interface adsorbing polymer in the nanocomposite A swollen to a degree of swelling of 0.5 was measured. It was shown in 3.
同様にして、試料A21〜A24について、膨潤度2に膨潤させたナノコンポジットA中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、試料A31〜A34について、膨潤度4に膨潤させたナノコンポジットA中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し(試料A21〜A24の各散乱強度曲線I(q)は図2、試料A31〜A34の各散乱強度曲線I(q)は図3参照)、結果を表3に示した。 Similarly, the thickness of the filler interface adsorption polymer in the nanocomposite A swollen to the degree of swelling 2 is measured for the samples A21 to A24, and the sample in the nanocomposite A swollen to the degree of swelling 4 is measured for the samples A31 to A34. The thickness of the filler interface adsorption polymer was measured (see FIG. 2 for each of the scattering intensity curves I (q) of samples A21 to A24 and FIG. 3 for each of the scattering intensity curves I (q) of samples A31 to A34). It was shown to.
同様にして、試料B11〜B14について、膨潤度2.6に膨潤させたナノコンポジットB中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、試料B21〜B24について、膨潤度3に膨潤させたナノコンポジットB中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、結果を表3に示した。 Similarly, the thickness of the filler interface adsorption polymer in the nanocomposite B swollen to a degree of swelling of 2.6 for the samples B11 to B14 was measured, and the nanocomposite B swollen to a degree of swelling of 3 for the samples B21 to B24. The thickness of the filler interfacially adsorbed polymer was measured, and the results are shown in Table 3.
同様にして、試料C11〜C14について、膨潤度2.5に膨潤させたナノコンポジットC中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、試料C21〜C24について、膨潤度3.8に膨潤させたナノコンポジットC中のフィラー界面吸着ポリマーの厚みを測定し、結果を表3に示した。 Similarly, for the samples C11 to C14, the thickness of the filler interface adsorption polymer in the nanocomposite C swollen to a swelling degree of 2.5 was measured, and the samples C21 to C24 were swollen to a swelling degree of 3.8. The thickness of the filler interface adsorbing polymer in the composite C was measured, and the results are shown in Table 3.
各膨潤度に膨潤させたナノコンポジットAについて、膨潤度Qに対して、フィラー界面吸着ポリマーの厚みδQをプロットし、最小二乗法により下記式で近似し(図4)、比例定数kを求め、結果を表3に示した。
δQ=K/Q
For the nanocomposite A swollen at each degree of swelling, the filler interface adsorbed polymer thickness δ Q is plotted against the degree of swelling Q, and approximated by the following equation using the least square method (FIG. 4) to obtain the proportionality constant k. The results are shown in Table 3.
δ Q = K / Q
各膨潤度に膨潤させたナノコンポジットBや、各膨潤度に膨潤させたナノコンポジットCについても同様にして(図4)、比例定数kをそれぞれ求め、結果を表3に示した。 For the nanocomposite B swollen at each degree of swelling and the nanocomposite C swollen at each degree of swelling (FIG. 4), the proportionality constant k was determined in the same manner, and the results are shown in Table 3.
表3より、比例定数kが高いほど、破壊エネルギー指数が大きく、耐久性能に優れることが分かった。 From Table 3, it was found that the higher the proportionality constant k, the larger the fracture energy index and the better the durability performance.
以上から、本発明の方法により、ナノコンポジットの耐久性能を評価できることが分かった。 From the above, it was found that the durability performance of the nanocomposite can be evaluated by the method of the present invention.
Claims (3)
δQ=K/Q The relationship between the degree of swelling Q and the thickness [delta] Q based on a proportional constant K calculated by approximation by the following equation, The method of claim 1 wherein evaluating the durability of the nanocomposite in the non-swollen state.
δ Q = K / Q
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