[論文レビュー] Natural rubber-clay nanocomposites: mechanical and structural properties

Camila A. Rezende, Fábio C. Bragança+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2010

Polymer Nanocomposites and Properties被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ラテックスミキシングを用いて作製された非硫化天然ゴム-ケイ酸塩ナノコンポジットを対象とし、ケイ酸塩ナノプレートレットの高長径比による剥離とゴムマトリックスの固定化が、機械的特性を顕著に向上させることを示した。非ゴム不純物の除去によりケイ酸塩の補強効率が向上し、剥離したプレートレットのひずみ誘起配列が異方性散乱を引き起こし、テクタイトが存在する状態でも優れた性能を発揮した。

ABSTRACT

The mechanical properties of non-vulcanized natural rubber and dialyzed natural rubber-clay nanocomposites have been studied by uniaxial deformations to evaluate the reinforcement efficiency of the clay. We show that while non-rubber molecules contribute to auto-reinforcement, removal of these molecules improves significantly the performance of clay as reinforcement agent. These mechanical properties are discussed in relation to morphological aspects of the clay characterized by TEM and SANS. The nanocomposites prepared by "latex-mixing" with aqueous dispersions of clay are found to contain completely exfoliated clay lamellae in coexistence with tactoids. Improved mechanical properties of the nanocomposites can be modeled by the high aspect ratio of exfoliated clay platelets coupled with immobilized rubber matrix. Interestingly, presence of tactoids does not appear to compromise the excellent reinforcement properties of the exfoliated platelets. At high deformations, strain-induced alignment of the clay exhibits anisotropic scattering, with anisotropy increasing with clay concentration and stretching.

研究の動機と目的

• 非硫化天然ゴムナノコンポジットにおけるケイ酸塩の補強効率を評価すること。
• 非ゴム分子の除去がケイ酸塩が補強剤としての効果を発揮する上に与える影響を調査すること。
• ケイ酸塩の形態的特徴（剥離およびテクタイトの形成）と機械的性能の相関関係を明らかにすること。
• 変形下におけるケイ酸塩の分散状態および配列が機械的応答に果たす役割を理解すること。

提案手法

• 水性ケイ酸塩分散液を用いたラテックスミキシングによるナノコンポジットの調製。
• トランスミッション電子顕微鏡（TEM）を用いたケイ酸塩の形態および分散状態の特性評価。
• 小角中性子散乱（SANS）を用いたナノスケール構造および変形下における配列の調査。
• さまざまなケイ酸塩含有量における機械的特性を評価するための単軸引張試験。
• ナノコンポジット形成の前段階として、天然ゴムのデイアリシスを実施し非ゴム分子を除去すること。
• 剥離したケイ酸塩プレートレットの高長径比およびマトリックス固定化に基づく機械的強化のモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ゴム分子の除去は、天然ゴム中におけるケイ酸塩の補強効率にどのように影響するか？
• RQ2 テクタイトと比較して、剥離したケイ酸塩プレートレットはどの程度機械的補強に寄与しているか？
• RQ3 ケイ酸塩含有量がナノコンポジットにおけるひずみ誘起配列および異方性散乱に与える影響はどの程度か？
• RQ4 マトリックス固定化は、ケイ酸塩で強化された天然ゴムの機械的性能向上に果たす役割は何か？
• RQ5 剥離したケイ酸塩プレートレットの高長径比を用いて、機械的特性を効果的にモデル化できるか？

主な発見

• 非ゴム分子の除去は、天然ゴム中におけるケイ酸塩の補強効率を顕著に向上させる。
• ナノコンポジットは完全に剥離したケイ酸塩ナノプレートレットとテクタイトの共存状態を示し、剥離したプレートレットが機械的強化を主導している。
• 高長径比を有する剥離ケイ酸塩プレートレットは、マトリックス固定化を通じて優れた機械的特性を発現する。
• ひずみ誘起配列が異方性散乱を引き起こし、ケイ酸塩含有量が増加するほど、および変形度が高くなるほど、異方性が増大する。
• テクタイトの存在は、全体の補強性能を損なわない。剥離プレートレットが機械的応答を支配しているためである。
• 剥離プレートレットの高長径比およびそれらと固定化されたゴムマトリックスとの相互作用を考慮することで、機械的性能を効果的にモデル化できる。