پرکننده جدید هیبریدی ضد پیری زیست توده برای کامپوزیت های لاستیکی استایرن-بوتادین قسمت 1

لطفا تماس بگیریدoscar.xiao@wecistanche.comبرای اطلاعات بیشتر

خلاصه:آنتی اکسیدان ها معمولاً برای افزایش طول عمر پلیمرها به دلیل کاهش پذیری قوی گروه هیدروکسیل فنولیک ساختار فنل مانع استفاده می شوند. با الهام از این ویژگی، ما پلی فنل چای سبز (TP) را معرفی کرده ایم که روی سطح سیلیکا حاوی گروه های هیدروکسیل فنلی قابل توجهی است تا یک پرکننده ضد پیری زیست توده جدید (BAF، با عنوان silica-s-TP) برای تقویت و بهبود ضد پیری به دست آوریم. خاصیت پیری کامپوزیت های لاستیکی کاربرد سیلیس-s-TP برای افزایش پایداری اکسیداتیو حرارتی و مقاومت در برابر پیری اشعه ماوراء بنفش (UV) لاستیک استایرن-بوتادین (SBR) مورد ارزیابی قرار گرفت. پرکننده ضد پیری زیست توده هیبریدی نه تنها می تواند به طور یکنواخت در ماتریس لاستیکی پراکنده شود و خواص مکانیکی عالی را به همراه داشته باشد، بلکه خواص پایداری اکسیداتیو حرارتی و مقاومت در برابر پیری UV را با افزایش محتوای سیلیکا-s-TP SBR به طور مشخص افزایش دهد. . این مطالعه یک استراتژی ملایم و سازگار با محیط زیست برای تهیه پرکننده زیست توده کاربردی ارائه می دهد که می تواند نه تنها به عنوان یک پرکننده تقویت کننده بلکه به عنوان یک افزودنی ضد پیری در "لاستیک سبز" استفاده شود.

کلید واژه ها:کامپوزیت های لاستیکی؛ پرکننده ضد پیری؛ سیلیس؛ زیست توده؛ پلی فنل چای؛ مقاوم به حرارت

لطفا برای دانستن بیشتر اینجا را کلیک کنید

1. مقدمه

پیری مواد پلیمری یک مشکل اساسی برای کاربردهای طولانی مدت آن است. پیری پلیمر در اثر گرما، به ویژه در دمای بالا برای مدت طولانی، اکسیژن بیش از حد، مواد شیمیایی و اشعه ماوراء بنفش (UV) ایجاد می شود. تغییرات همراه، خواص و پایداری مواد پلیمری را بدتر می کند و کاربرد آنها را تا حد زیادی محدود می کند. یعنی پیری مواد پلیمری باعث تسریع تخریب خواص مواد می شود که منجر به کاهش عمر مفید و افزایش مصرف منابع می شود و تحت شرایط خاص می تواند فاجعه بار باشد. یک مثال بارز کهنه شدن تایرهای لاستیکی است. الاستومرهای دی ان، مانند لاستیک طبیعی (NR)، لاستیک بوتادین (BR) و لاستیک استایرن-بوتادین، الاستومرهای مهم در صنعت مدرن هستند[23] زنجیره اصلی لاستیک حاوی زنجیره های غیراشباع و هیدروژن آلول است که مستعد حرارت هستند. پیری اکسیداتیو و شکستن زنجیره مولکولی [4،5]؛ پیری اکسیداتیو شایع ترین است [6،7].دوز cistanche redditبرای جلوگیری از پیری اکسیداتیو مواد لاستیکی و افزایش عمر مفید آن، از عوامل ضد پیری برای مهار و از بین بردن رادیکال های آزاد استفاده شده است. با این حال، برخی از عوامل ضد پیری تجاری می توانند تا حدودی نقش داشته باشند، اما برخی کاستی ها وجود دارد که کاربرد آنها را محدود می کند، مانند کارایی ضعیف آنتی اکسیدانی، فرار و مهاجرت آسان. علاوه بر این، بیشتر اکسیدان ها سمی هستند و آسیب خاصی به افراد و محیط زیست وارد می کنند [8،9]. بنابراین، جستجوی عوامل ضد پیری غیر سمی و طبیعی از اهمیت تحقیقاتی خاصی برخوردار است.

آنتی اکسیدان های آمین و فنولیک معمولاً در سیستم های ضد پیری لاستیکی استفاده می شوند [10-13]. در مقایسه با آنتی اکسیدان آمین، آنتی اکسیدان های فنلی به دلیل ویژگی های غیر آلاینده و عدم تغییر رنگ برای محصولات لاستیکی بی رنگ یا رنگ روشن مناسب هستند. همانطور که مشخص است، ترکیبات پلی فنلی و فنولیک ها در تعداد زیادی از گیاهان از جمله چای، قهوه، سبزیجات و میوه های نارس وجود دارد. پلی فنول های چای، مواد اصلی فعال بیولوژیکی در چای سبز و جزء اصلی کاتچین های TPsis هستند. کاتچین ها عمدتاً از (-)-اپی کاتچین (EC)، (-)-اپی کاتچین گالات (ECG)، (-)-اپی گالوکاتچین (EGC) و (-)-اپی گالوکاتچین گالات (EGCG) تشکیل شده اند. علاوه بر این، به عنوان نوعی زیست توده، TP به طور گسترده به عنوان یک آنتی اکسیدان [13،14]، عامل محافظ UV، داروی ضد سرطان [15]، داروی ضد باکتری [16-18] و کاهش دهنده اکسید گرافن به دلیل داشتن آن استفاده می شود. واکنش‌پذیری بالای جایگزینی هیدروکسیل و رادیکال‌های آزاد و توانایی مهار [19]. یان و همکاران پلی فنول های چای را به زنجیره های مولکولی پلی آنیلین به عنوان نوع جدیدی از ناخالصی کارآمد و تثبیت کننده حرارتی دوپ کرد. در مقایسه با پلی آنیلین خالص، دوپینگ TP به زنجیره مولکولی پلی آنیلین، تعامل بخش های زنجیره را افزایش می دهد و باعث جابجایی الکترون می شود [20]. گوو و همکارانش از ترکیبات پلی فنل چای برای کاهش اکسید گرافن برای بدست آوردن گرافن احیا شده با پلی فنل چای (TPG) استفاده کردند. با استفاده از روش ترکیب مستقیم دوغاب، دوغاب TPG به طور یکنواخت در پلی اتیلن کلروسولفونه شده (CSM) پراکنده می شود تا یک کامپوزیت CSM/TPG تهیه شود. این مطالعه نشان داد که یک تعامل رابط قوی بین CSM و TPG وجود دارد که به طور قابل توجهی خواص مکانیکی مواد کامپوزیت را بهبود می بخشد [19،21]. علاوه بر این، گوو و همکاران. از ترکیبات پلی فنل چای به عنوان عوامل کاهنده و تثبیت کننده برای عامل دار کردن گرافن (JPTG) که توسط واکنش مانیچ با اکسید گرافن تهیه می شود، استفاده کرده اند. کامپوزیت لاستیک نیتریل/JTPG با روش محلول استون تهیه می شود و خواص مکانیکی و رسانایی الکتریکی ماده تا حد زیادی بهبود می یابد [22].

سیستانچ می تواند ضد پیری باشد

پرکننده معدنی یک عنصر ضروری برای محصولات لاستیکی برای تقویت ماتریس لاستیکی و کاهش هزینه است. در سال‌های گذشته، تعداد زیادی از مطالعات نشان داده‌اند که پرکننده معدنی اصلاح‌شده با عامل جفت‌کننده سیلان می‌تواند به طور گسترده‌ای پراکندگی پرکننده معدنی را در ماتریس لاستیکی افزایش دهد [23]. اخیراً، روش جدیدی برای اصلاح سطح پرکننده معدنی توسط افزودنی‌های لاستیکی با وزن مولکولی کم بر روی سطح آن به عنوان یک رویکرد مؤثر برای به دست آوردن عملکرد ترکیبی پرکننده سخت و افزودنی‌های لاستیکی ایجاد شده است [24]. به عنوان مثال، ادبیات گزارش می دهد که سطوح پرکننده معدنی اصلاح شده توسط آنتی اکسیدان های لاستیکی می توانند پراکندگی همگن پرکننده را تحقق بخشند و ترکیب رابط بین لاستیک و پرکننده را بهبود بخشند [25].فواید عصاره سیستانچبا این حال، طبق تحقیقات مربوطه، گزارش های نادری در مورد سیلیس عامل دار شده با پلی فنل چای وجود دارد. علاوه بر این، اثرات پلی فنل چای چسبانده شده بر روی سطح سیلیس بر خواص ضد پیری و تقویتی لاستیک توسط محققان گزارش نشده است. با توجه به عملکرد تقویتی سیلیس، سیلیس عامل دار شده با زیست توده پلی فنل چای می تواند بهبود بهتری در خواص مکانیکی نهایی و اثرات آنتی اکسیدانی نانوکامپوزیت های لاستیکی ایجاد کند.

در این مقاله، نوع جدیدی از سیلیس اصلاح شده با TP (سیلیکا-s-TP) به عنوان پرکننده ضد پیری زیست توده، به جای افزودنی های ضد پیری آلی معمولی، به ماتریس SBR معرفی شد تا به طور همزمان عملکرد حرارتی را افزایش دهد. پیری اکسیداتیو و خواص مکانیکی تأثیرات پرکننده ضد پیری زیست توده بر پراکندگی، چسبندگی سطحی، خواص مکانیکی و خواص ضد پیری کامپوزیت های SBR به طور سیستماتیک مورد مطالعه قرار گرفت. همانطور که انتظار داشتیم، آنها سیلیکا-TP یک تقویت کننده لاستیکی عالی و خواص ضد پیری نسبت به عوامل ضد پیری سنتی آمین یا فنولیک لاستیک با محتوای پرکننده برابر به دلیل مزایای ترکیبی پرکننده و عامل ضد پیری زیست توده از طریق پیوند شیمیایی بین سیلیس و TP. هدف از این کار تهیه یک پرکننده زیست توده هیبریدی جدید است که می تواند به عنوان نوعی افزودنی ضد پیری غیر سمی با خواص آنتی اکسیدانی و تقویت کننده عالی برای صنعت "لاستیک سبز" استفاده شود.

2. تجربی

2.1. مواد

SBR (1502) توسط موسسه محصولات لاستیکی گوانگژو، گوانگژو، چین تولید شد. پلی فنل چای (TP) از شرکت مهندسی زیستی شنژن شانگهای، شنژن، چین به دست آمد. سیلیس بکر (FINE-SIL 518) با مساحت سطح مشخص 200-220 متر بر گرم از Huiming Chemical Co., Ltd., Jiangxi, China خریداری شد. فعال‌کننده‌هایی مانند اسید استئاریک (SA) و اکسید روی (ZnO)، شتاب‌دهنده N-cyclohexyl benzothiazole-2-sulphenamide (CBS) و گوگرد نامحلول در ولکانیزاسیون (S) محصولات درجه‌بندی صنعتی بودند و به‌صورت دریافتی مورد استفاده قرار گرفتند. دی بوتیل قلع دیلاورات (DBTDL) و اتانول مطلق معرف های تحلیلی بودند و به عنوان دریافت مورد استفاده قرار گرفتند.

2.2. تهیه پرکننده ضد پیری زیست توده هیبریدی آلی- معدنی

مسیر سنتز پرکننده ضد پیری زیست توده (سیلیکا-s-TP) در شکل 1 نشان داده شده است. Silica-s-TP با روش ملایم و یک مرحله ای تهیه شد. 15.{8}} گرم سیلیس به آن اضافه شد. یک فلاسک 500 میلی لیتری سه گردنی و پراکنده در 300 میلی لیتر اتانول مطلق و سپس 1 گرم TP و چند قطره DBTDL به سوسپانسیون اضافه شد. پس از هم زدن در دمای 50 درجه به مدت 11 ساعت، مخلوط صاف شده و 4 بار با اتانول شسته شد. سپس محصول در آون وکیوم با دمای 80 درجه تا وزن ثابت خشک شد.

2.3. تهیه کامپوزیت های SBR/Silica-s-TP

کامپوزیت های SBR تهیه شده با پر کردن محتویات مختلف پرکننده های سیلیس و سیلیس-s-TP به ترتیب با فعال کننده، شتاب دهنده و ولکانیزاسیون در دمای اتاق به مدت 10 دقیقه توسط آسیاب دو رول مخلوط شدند. اجزای کامپوزیت های SBR/silica-s-TP در جدول 1 فهرست شده اند. کامپوزیت ها SBR/ST-x نام دارند که x به معنای x phr سیلیس-s-TP است.سیستانچ چنگیز خانسپس ترکیبات آماده شده تحت فشار گرم در دمای 160 درجه برای زمان پخت بهینه قرار گرفتند. سپس نمونه‌ها را با فشار روی یک ورق به ضخامت 1 میلی‌متر در دمای 160 درجه پخت و به شکل نمونه دمبل A برش دادند.

2.4. تعیین مشخصات

آزمایش‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) بر روی یک Thermo Fisher Scientific ESCALAB 25{29}}Xi XPS (شرکت علمی Thermo Fisher، Waltham، MA، ایالات متحده آمریکا) انجام شد. طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) از طیف‌سنج Bruker Vector 33 FTIR (Bruker Technology Co., Ltd., Beijing, China) در محدوده 4000 سانتی‌متر تا 400 سانتی‌متر{5}} به‌دست آمد. تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA) روی NETZSCH TG209F1 (NETZSCH Group, Selb, Germany) از 30 درجه تا 800 درجه در 10 درجه در دقیقه و در اتمسفر N2 انجام شد. طیف جذبی UV-VIS نمونه ها با طیف سنج لامبدا 35 (Perkin Elmer, Waltham, MA, USA) به دست آمد و نمونه ها در آب دیونیزه پراکنده شدند. یک ابزار میکروسکوپ الکترونی مرلین اسکن (SEM) (ZEISS Co.Ltd.، Jena، آلمان) برای مشاهده مورفولوژی پراکندگی پرکننده در سطح شکست ماتریس لاستیکی استفاده شد. ویژگی‌های ولکانیزاسیون ترکیبات SBR روی روتورهای رئومتر UR{14}} (U-CAN DYNA TEX INC.، تایپه، تایوان) انجام شد. آزمایش پارگی و کشش بر روی دستگاه U-CAN UT{17}} (U-CAN DYNA TEX INC., Taipei, Taiwan) طبق استاندارد ISO 37-2005 انجام شد. چگالی اتصال متقابل نمونه ها با روش تورم تعادلی همانطور که قبلا گزارش شده بود اندازه گیری شد [25]. تحلیلگر مکانیکی دینامیکی (DMA) با یک آنالایزر مکانیکی دینامیکی TA Q800 (TA Instruments، شانگهای، چین) از{22}} درجه تا ۸۰Cby2 درجه در دقیقه اندازه‌گیری شد. برای آزمایش پیری UV، کامپوزیت های SBR در یک دستگاه تست پیری UV (Dongguan Zhenglan Precision Instruments Co., Ltd., Dongguan, China) به مدت 1،2 و 3 روز در 50 درجه سانتیگراد قرار گرفتند. شدت تابش UV 0.83 بود. W/m2.

انتقال شیشه ای کامپوزیت های تمیز SBR و SBR/سیلیکا-s-TP توسط NETZSCH DSC 204 F (NETZSCH Group, Selb, Germany) شناسایی شد. ابتدا، کامپوزیت ها در{3} درجه به مدت 5 دقیقه همدما شدند و به دنبال آن تا دمای 30 درجه با سرعت 10 درجه در دقیقه تحت جریان N2 گرم شدند. سپس پارامترهای آزمایشی به مرحله ظرفیت حرارتی ACpn و کسر وزنی لایه پلیمری بی حرکت Xim [26-28] اختصاص داده شد. ACP و Xim به صورت زیر محاسبه شدند:

که در آن ACpo و ACP جهش ظرفیت گرمایی در ناحیه انتقال شیشه ای کامپوزیت های پلیمری پر نشده و پر شده بودند [29-31]. w کسر وزنی پرکننده در ترکیبات لاستیکی بود.

3. نتایج و بحث

3.1. خصوصیات سیلیکا-s-TP

شکل 2 به ترتیب طیف FTIR سیلیس بکر، TP و silica-s-TP را نشان می دهد. طیف سیلیس در حضور پیک‌های مشخصه در 3440 سانتی‌متر در لیتر و 1630 سانتی‌متر{6}} به ترتیب متعلق به گروه هیدروکسیل است که برای هیدروکسیل‌های سیلانول و گروه هیدروکسیل خمش آب جذب شده بر روی سطح سیلیس است [27]. ]. همانطور که در طیف مادون قرمز TP نشان داده شده است، قله های معمولی در 3340 سانتی متر{9}} و 1348 سانتی متر به ترتیب به کشش و خمش پیوند هیدروژنی آزاد یا درون مولکولی نسبت داده می شوند. علاوه بر این، قله‌های 1698 سانتی‌متر-I، 1621 سانتی‌متر-!، و 1448 سانتی‌متر{18}} به کشش C{19}}O، ارتعاش C= روی حلقه، و CH نسبت داده می‌شوند. خم شدن، به ترتیب. در همین حال، قله های 1144 سانتی متر و 1034 سانتی متر همه به کشش COC نسبت داده می شوند [32]. در مقایسه سیلیکا-s-TP با TP خالص، طیف مادون قرمز سیلیس-s-TP یک طیف معمولی مشابه سیلیس را نشان می دهد، پیک های مشخصه TP در طیف سیلیس-s-TP به دلیل مقدار اندک نامرئی هستند. TP بر روی سطح سیلیس پیوند شده است. تشخیص حساس تر روی سطوح silica-s-TP می تواند ساختار سطح silica-s-TP را نشان دهد.

تبدیل TP به silica-s-TP توسط طیف سنجی UV-VIS در شکل 2b نشان داده شده است. نمونه های سیلیس، TP و سیلیس-s-TP در آب دیونیزه پراکنده می شوند. طیف سیلیس هیچ جذب آشکاری در محدوده جذب معمولی اشعه ماوراء بنفش نشان نمی دهد.افزایش عمر cistancheپیک جذب TP در 220 و 270 نانومتر به انتقال π-πt و n-πt ساختار کونژوگه در بنزن از TP [19] اختصاص داده شد. سیلیکا-s-TP جذب مشابه TP در 220 و 270 نانومتر نیز ظاهر شد. این به وضوح نشان می دهد که TP با موفقیت روی سطح سیلیس با گروه های هیدروکسیل پیوند زده است.

تجزیه و تحلیل حرارتی برای تخمین محتوای TP روی سطح ذرات سیلیس اعمال شد و منحنی‌های سیلیس، TP و silica-s-TP در شکل 2c نشان داده شد. منحنی حرارتی سیلیس-s-TP را می توان در محدوده دمایی 30 تا 800 درجه به دو مرحله تقسیم کرد.cistanche nzمرحله اول زیر 150 درجه به کم آبی آب جذب شده و حذف گروه های سیلانول از سطح سیلیس نسبت داده شد. سپس مرحله بالای 200 درجه به تجزیه حرارتی مولکول‌های TP پیوندی نسبت داده شد. بازده بارگذاری با معادله (3) [33] محاسبه می شود:

و مقدار محاسبه شده TP تثبیت شده روی سطح نانو سیلیس تقریباً 4/3 درصد وزنی بود. اندازه گیری XPS بر روی خصوصیات سطحی نمونه ها حساس تر است [34]. طیف O 1s سیلیس، TP، و silica-s-TP، و اتصالات پیک سیلیس-s-TP (منحنی های نازک) در شکل 2d در منحنی های نازک نشان داده شده است. همانطور که شکل 2d نشان می دهد، پیک اصلی O1s در سیلیس در 532.6eV به Si-OH اختصاص داده شده است. در مقایسه با سیلیس، انرژی اتصال O1s برای silica-s-TP کاهش یافته است که به واکنش شیمیایی بین Si-OH و TP نسبت داده می شود. در حالی که پیک را می توان به چهار نوع اکسیژن COH، Si-OC، COC، و-C{27}}O در انرژی های اتصال به ترتیب 531.8،532.3،532.9 و 533.5eV تقسیم کرد. این با واکنش شیمیایی بین گروه Si-OH و TP برای تولید اتم‌های اکسیژن با انرژی‌های اتصال متفاوت مطابقت دارد[35]. بنابراین، نتایج XPS پیوند موفقیت آمیز TP را روی سطح سیلیس بیشتر نشان می دهد.

این مقاله از Materials 2020, 13, 4045 استخراج شده است. doi:10.3390/ma13184045 www.mdpi.com/journal/materials