Нов хибриден пълнител от биомаса против стареене за композити от стирен-бутадиен каучук, част 1

Моля свържете сеoscar.xiao@wecistanche.comза повече информация

Резюме:Антиоксидантите обикновено се използват за удължаване на експлоатационния живот на полимерите поради силната редуцируемост на фенолната хидроксилна група на възпрепятстваната фенолна структура. Вдъхновени от тази характеристика, ние въведохме полифенола на зеления чай (TP), поддържан върху повърхност от силициев диоксид, съдържащ значителни фенолни хидроксилни групи, за да получим нов пълнител против стареене на биомаса (BAF, обозначен като силициев диоксид-s-TP), за да подсили и подобри анти-стареенето - свойство на стареене на каучукови композити. Беше оценено прилагането на силициев диоксид-s-TP за подобряване на термично-окислителната стабилност и устойчивостта на стареене на ултравиолетова светлина (UV) на стирен-бутадиенов каучук (SBR). Хибридният пълнител от биомаса против стареене може не само да се разпръсне равномерно в каучуковата матрица, което води до отлични механични свойства, но също така да подобри свойствата на термично-окислителна стабилност и устойчивост на UV стареене с нарастващото съдържание на силициев диоксид-s-TP в SBR ясно . Това проучване предоставя мека и екологична стратегия за приготвяне на функционален пълнител от биомаса, който може да се прилага не само като подсилващ пълнител, но и като добавка против стареене в "зелен каучук".

Ключови думи:каучукови композити; пълнител против стареене; силициев диоксид; биомаса; полифенол на чая; термостабилен

Моля, щракнете тук, за да научите повече

1. Въведение

Стареенето на полимерните материали е основен проблем за дългосрочното им приложение. Стареенето на полимера се причинява от топлина, особено при високи температури за дълго време, излишък от кислород, химикали и ултравиолетова (UV) радиация. Съпътстващата вариация влошава свойствата и стабилността на полимерните материали и ограничава до голяма степен техните приложения. А именно, стареенето на полимерните материали има тенденция да ускорява разрушаването на свойствата на материала, което води до намаляване на експлоатационния живот и увеличаване на потреблението на ресурси и при определени обстоятелства може да бъде катастрофално. Особено очевиден пример е стареенето на гумените гуми. Диеновите еластомери, като естествен каучук (NR), бутадиенов каучук (BR) и стирен-бутадиенов каучук, са важни еластомери в съвременната индустрия[23]. Основната верига от каучук съдържа ненаситени вериги и изцяло водород, които са склонни към термично -окислително стареене и прекъсване на молекулярната верига [4,5]; оксидативното стареене е най-често [6,7].cistanche дозировка redditЗа предотвратяване на окислителното стареене на гумен материал и удължаване на експлоатационния му живот са приложени анти-стареещи агенти за инхибиране и елиминиране на свободните радикали. Въпреки това, някои търговски агенти против стареене могат да играят роля до известна степен, но има някои недостатъци, които ограничават тяхното приложение, като слаба антиоксидантна ефективност, летливост и лесна миграция. Освен това повечето оксиданти са токсични и ще причинят определени щети на хората и околната среда [8,9]. Следователно е от известно изследователско значение да се търсят нетоксични и естествени средства против стареене.

Аминните и фенолните антиоксиданти обикновено се използват в гумени системи против стареене [10-13]. В сравнение с аминовия антиоксидант, фенолните антиоксиданти са подходящи за безцветни или светло оцветени каучукови продукти поради техните незамърсяващи и безцветни характеристики. Както е добре известно, полифенолните съединения и фенолите присъстват в голям брой растения, включително чай, кафе, зеленчуци и неузрели плодове. Полифенолите в чая са основните биологично активни съставки в зеления чай и основният компонент на TPsis катехините. Катехините се състоят главно от (-)-епикатехин (EC), (-)-епикатехин галат (ECG), (-)-епигалокатехин (EGC) и (-)-епигалокатехин галат (EGCG). В допълнение, като вид биомаса, TP се използва широко като антиоксидант [13,14], UV защитен агент, противораково лекарство [15], антибактериално лекарство [16-18] и редуктор на графенов оксид поради неговия висока реактивност на хидроксилно заместване и свободни радикали и способност за изчистване [19]. Ян и др. добавени чаени полифеноли в полианилинови молекулни вериги като нов тип ефективна добавка и термичен стабилизатор. В сравнение с чистия полианилин, допирането на TP в молекулярната верига на полианилин подобрява интерактивността на сегментите на веригата и насърчава делокализацията на електрони [20]. Guo et al използваха полифенолни съединения на чая, за да редуцират графеновия оксид, за да получат редуцирания с полифенол на чая графен (TPG). Използвайки метод за директно смесване на суспензията, суспензията на TPG се диспергира равномерно в хлоросулфонирания полиетилен (CSM), за да се получи CSM/TPG композит. Проучването установи, че има силно интерфейсно взаимодействие между CSM и TPG, което значително подобрява механичните свойства на композитния материал [19,21]. В допълнение, Guo et al. са използвали полифенолни съединения на чая като редуциращи агенти и стабилизатори за функционализиране на графен (JPTG), който се получава чрез реакцията на Маних с графенов оксид. Композитът нитрилен каучук/JTPG се приготвя по метода с ацетонов разтвор и механичните свойства и електрическата проводимост на материала са значително подобрени [22].

Cistanche може да спре стареенето

Неорганичният пълнител е необходима съставка за гумени продукти за укрепване на гумената матрица и намаляване на разходите. През последните години голям брой проучвания показват, че неорганичният пълнител, модифициран със силанов свързващ агент, може значително да подобри дисперсията на неорганичния пълнител в каучуковата матрица [23]. Наскоро беше установен нов метод за модифициране на повърхността на неорганичния пълнител чрез каучукови добавки с ниско молекулно тегло върху неговата повърхност като ефективен подход за постигане на комбиниране на характеристиките на твърдия пълнител и каучуковите добавки [24]. Например, в литературата се съобщава, че неорганичните повърхности на пълнителя, модифицирани с каучукови антиоксиданти, могат да реализират хомогенна дисперсия на пълнителя и да подобрят интерфейсната комбинация между каучука и пълнителя [25].ползи от екстракт от цистанче,Въпреки това, според съответното изследване, има редки съобщения за силициев диоксид, функционализиран с полифенол в чая. В допълнение, ефектите на чаения полифенол, закотвен върху повърхността на силициевия диоксид, върху анти-стареещите и подсилващите свойства на каучука не са докладвани от изследователите. Като се има предвид подсилващата производителност на силициевия диоксид, функционализираният силициев диоксид с полифенолна биомаса може да осигури по-добро подобряване на крайните механични свойства и антиоксидантните ефекти на каучуковите нанокомпозити.

В тази статия нов вид ТР-модифициран силициев диоксид (силициев диоксид-s-TP) като пълнител против стареене на биомаса, вместо конвенционалните органични добавки против стареене, беше въведен в SBR матрицата, за да подобри едновременно ефективността на термо- окислително стареене и механични свойства. Влиянието на пълнителя против стареене от биомаса върху дисперсията, междуфазната адхезия, механичните свойства и свойствата против стареене на SBR композитите бяха систематично изследвани. Както очаквахме, те силициев диоксид-TP показаха отлична гумена армировка и свойства против стареене в сравнение с традиционните аминови или фенолни каучукови агенти против стареене с еднакво съдържание на пълнител поради комбинираните предимства на пълнителя и биомасовия агент против стареене чрез химическо свързване между силициев диоксид и TP. Целите на тази работа са да се подготви нов хибриден пълнител от биомаса, който може да се приложи като вид нетоксична добавка против стареене с отлични антиоксидантни и подсилващи свойства за индустрията на "зелен каучук".

2. Експериментален

2.1.Материали

SBR (1502) е произведен от Института за каучукови продукти в Гуанджоу, Гуанджоу, Китай. Полифенолът на чая (TP) е получен от Shenzhen Shanghai Bioengineering Co., Ltd., Shenzhen, Китай. Чистият силициев диоксид (FINE-SIL 518) със специфична повърхност от 200-220 m//g е закупен от Huiming Chemical Co., Ltd., Jiangxi, Китай. Активатори като стеаринова киселина (SA) и цинков оксид (ZnO), ускорител N-циклохексил бензотиазол-2-сулфенамид (CBS) и неразтворима при вулканизация сяра (S) са продукти с промишлен клас и са използвани както са получени. Дибутилкалаен дилаурат (DBTDL) и абсолютен етанол бяха аналитични реагенти и използвани както са получени.

2.2. Приготвяне на органично-неорганичен хибриден пълнител от биомаса против стареене

Пътят на синтез на пълнител против стареене на биомаса (силициев диоксид-s-TP) е показан на фигура 1. Силициев диоксид-s-TP се приготвя по мек и едноетапен метод. 15.0g силициев диоксид се добавя към 500 mL тригърлена колба и се диспергира в 300 mL абсолютен етанол и след това 1 g TP и няколко капки DBTDL се добавят към суспензията. След разбъркване при 50 градуса в продължение на 11 часа, сместа се филтрува и се промива с етанол 4 пъти. След това продуктът се суши във вакуумна пещ при 80 градуса до постоянно тегло.

2.3. Приготвяне на SBR/Silica-s-TP композити

SBR композитите, приготвени чрез пълнене с различно съдържание на силициев диоксид и силициев диоксид-s-TP пълнители, се смесват съответно с активатор, ускорител и вулканизация при стайна температура за 10 минути от двувалцова мелница. Компонентите на композитите SBR/силициев диоксид-s-TP са изброени в таблица 1. Композитите са наречени SBR/ST-x, където x означава x phr от силициев диоксид-s-TP.цистанче чингис ханСлед това приготвените съединения бяха горещо пресовани при 160 градуса за оптимално време за втвърдяване. След това пробите бяха пресовани до лист с дебелина 1 mm при 160 градуса и нарязани във формата на образец с дъмбел А.

2.4. Характеризиране

Тестовете с рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) бяха извършени на Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi XPS (Thermo Fisher Scientific Company, Waltham, MA, USA). Инфрачервената спектроскопия с преобразуване на Фурие (FTIR) беше получена от спектрометър Bruker Vector 33 FTIR (Bruker Technology Co., Ltd., Пекин, Китай) в диапазона от 4000 cm до 400 cm-1. Термогравиметричният анализ (TGA) беше извършен на NETZSCH TG209F1 (NETZSCH Group, Selb, Германия) от 30 градуса до 800 градуса с 10 градуса /мин и в N2 атмосфера. UV-VIS абсорбционните спектри на пробите бяха получени с Lambda 35 спектрометър (Perkin Elmer, Waltham, MA, USA) и пробите бяха диспергирани в дейонизирана вода. Инструментът Merlinscanning електронен микроскоп (SEM) (ZEISS Co.Ltd., Йена, Германия) беше използван за наблюдение на морфологията на дисперсията на пълнителя в повърхността на счупване на гумената матрица. Вулканизационните характеристики на SBR съединенията бяха проведени на роторен реометър UR-2030 (U-CAN DYNA TEX INC., Тайпе, Тайван). Тестовете за разкъсване и опън бяха извършени на инструмент U-CAN UT-2060 (U-CAN DYNA TEX INC., Тайпе, Тайван) съгласно стандарт ISO 37-2005. Плътността на омрежване на пробите беше измерена чрез метода на равновесно набъбване, както беше докладвано по-рано [25]. Динамичният механичен анализатор (DMA) беше измерен с динамичен механичен анализатор TA Q800 (TA Instruments, Шанхай, Китай) от -80 градуса до 80Cby2 градуса /мин. За тест за UV стареене, SBR композитите бяха поставени в машина за тестване на UV стареене (Dongguan Zhenglan Precision Instruments Co., Ltd., Dongguan, Китай) за 1,2 и 3 d при 50 градуса C. Интензитетът на UV радиация беше 0,83 W/m2.

Преходът в стъкло на чист SBR и SBR/силициев диоксид-s-TP композити беше открит от NETZSCH DSC 204 F (NETZSCH Group, Selb, Германия). Първо, композитите бяха изотермични при -80 градуса за 5 минути и последвано от нагряване до 30 градуса със скорост 10 градуса /мин под поток от N2. След това експерименталните параметри бяха присвоени на стъпката на топлинния капацитет ACpn и тегловната фракция на имобилизирания полимерен слой Xim [26-28]. ACP и Xim бяха изчислени, както следва:

където ACpo и ACP са скокът на топлинния капацитет в областта на встъкляване на ненапълнени и напълнени полимерни композити [29-31]. w е тегловната част на пълнителя в каучуковите смеси.

3. Резултати и дискусия

3.1. Характеризиране на Silica-s-TP

Фигура 2a илюстрира FTIR спектрите на чист силициев диоксид, TP и силициев диоксид-s-TP, съответно. Спектърът за силициев диоксид в присъствието на характерни пикове при 3440 cm-l и 1630 cm-1 са съответно собственост на разтягането на хидроксилната група за силанолни хидроксили и огъването на хидроксилната група на абсорбираната вода върху повърхността на силициевия диоксид [27]. ]. Както е показано в инфрачервения спектър на TP, типичните пикове при 3340 cm-1 и 1348 cm- се приписват съответно на свободното или вътремолекулно водородно свързано разтягане и огъване. В допълнение, пиковете при 1698 cm-I, 1621 cm-! и 1448 cm-1 се приписват на C=O разтягане, C=C вибрация на пръстена и CH огъване, респ. Междувременно пиковете при 1144 cm и 1034 cm се приписват на разтягането на COC [32]. Сравнявайки силициев диоксид-s-TP с чистия TP, инфрачервеният спектър на силициев диоксид-s-TP показва типичен подобен спектър на силициев диоксид. Характерните пикове на TP са невидими в спектъра на силициев диоксид-s-TP поради малкото количество от TP, присаден върху повърхността на силициев диоксид. По-чувствително откриване върху повърхностите на силициев диоксид-s-TP може да илюстрира повърхностната структура на силициев диоксид-s-TP.

Превръщането на TP в силициев диоксид-s-TP се проявява чрез UV-VIS спектроскопия на фигура 2b. Пробите от силициев диоксид, TP и силициев диоксид-s-TP се диспергират в дейонизирана вода. Спектърът на силициевия диоксид не показва очевидна абсорбция в типичния диапазон на ултравиолетова абсорбция.Cistanche удължаване на животаАбсорбционният пик на TP при 220 и 270 nm беше приписан на π-πt и n-πt прехода на конюгираната структура в бензен от TP [19]. Silica-s-TP изглежда подобно на абсорбция на TP при 220 и 270 nm също. Това ясно илюстрира, че TP успешно е присаден върху силициева повърхност с хидроксилни групи.

Беше приложен термогравиметричен анализ за оценка на съдържанието на TP, поддържан върху повърхността на силициев диоксид, а кривите на силициев диоксид, TP и силициев диоксид-s-TP бяха показани на Фигура 2c. Термогравиметричната крива на силициев диоксид-s-TP може да бъде разделена на два етапа по време на температурния диапазон от 30 до 800 градуса.цистанче нзПървият етап под 150 градуса се дължи на дехидратацията на адсорбираната вода и отстраняването на силанолните групи на повърхността на силициевия диоксид. След това етапът над 200 градуса се приписва на термичното разлагане на присадени TP молекули. Ефективността на натоварване се изчислява с уравнение (3) [33]:

И изчислената стойност на имобилизирания TP върху нано-силициева повърхност е приблизително 3,4 тегл. процента. XPS измерването на повърхностната характеристика на пробите е по-чувствително [34]. O 1s спектрите на силициев диоксид, TP и силициев диоксид-s-TP и пиковите фитинги на силициев диоксид-s-TP (тънки криви) са показани на фигура 2d в тънки криви. Както показва фигура 2d, основният пик на O1s в силициев диоксид при 532,6 eV се приписва на Si-OH. В сравнение със силициев диоксид, енергията на свързване на O1s за силициев диоксид-s-TP е намалена, което се дължи на химическата реакция между Si-OH и TP. Докато пикът може да бъде разделен на четири типа кислород на COH, Si-OC, COC и -C=O при енергии на свързване съответно от 531,8, 532,3, 532,9 и 533,5 eV. Това е в съответствие с химическата реакция между Si-OH групата и TP за генериране на кислородни атоми с различна енергия на свързване [35]. Следователно резултатите от XPS допълнително демонстрират успешното свързване на ТР върху повърхността на силициевия диоксид.

Тази статия е извлечена от Материали 2020, 13, 4045; doi:10.3390/ma13184045 www.mdpi.com/journal/materials