[논문 리뷰] Natural rubber-clay nanocomposites: mechanical and structural properties

Camila A. Rezende, Fábio C. Bragança외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 27.

Polymer Nanocomposites and Properties인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 염색되지 않은 천연고무-점토 나노복합체를 라텍스 혼합법으로 제조하여, 고비율의 점토 플레이트렛이 고비율의 분리와 고무 매트릭스의 고정을 통해 기계적 성질을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다. 비고무 성분을 제거함으로써 점토의 보강 효율성이 향상되며, 기계적 성질 향상의 핵심 요인은 기계적 응력에 의해 유도된 분리된 플레이트렛의 정렬에 기인한다. 이는 타크토이드 존재하에서도 이성향 산산이 발생하고 우수한 성능이 유지됨을 의미한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비염색된 천연고무 나노복합체에서 점토의 보강 효율성을 평가하기 위해.
• 비고무 분자가 제거될 경우 점토가 보강제로서의 효과에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 기계적 성능을 점토의 형태학적 특성(분리 및 타크토이드 형성 포함)과 연관지어 분석하기 위해.
• 변형 하에서 점토의 분산 상태와 정렬이 기계적 거동에 미치는 역할을 이해하기 위해.

제안 방법

• 물에 분산된 점토를 사용한 '라텍스 혼합법'을 통해 나노복합체를 제조하기 위해.
• 점토의 형태 및 분산 상태를 특성화하기 위해 투과전자현미경(TEM)을 사용하기 위해.
• 변형 하에서의 나노스케일 구조 및 정렬을 탐구하기 위해 소각자력산산분석(SANS)을 활용하기 위해.
• 다양한 점토 농도에서 기계적 성질을 평가하기 위해 단축변형 시험을 실시하기 위해.
• 나노복합체 형성 이전에 천연고무를 담수하여 비고무 성분을 제거하기 위해.
• 분리된 점토 플레이트렛의 고비율과 매트릭스 고정을 기반으로 기계적 성능 향상을 모델링하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비고무 성분 제거가 천연고무 내 점토의 보강 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 타크토이드에 비해 분리된 점토 플레이트렛이 기계적 보강에 기여하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 점토 농도가 나노복합체에서 응력 유도 정렬과 이방성 산산을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 매트릭스 고정이 점토 보강 천연고무의 기계적 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 분리된 점토 플레이트렛의 고비율을 고려할 경우 기계적 성능을 효과적으로 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 비고무 성분 제거가 천연고무 내 점토의 보강 효율성에 뚜렷한 향상 효과를 미친다.
• 나노복합체는 완전히 분리된 점토 라멜라와 타크토이드가 공존하며, 분리된 플레이트렛이 기계적 강도 향상의 주요 원인이다.
• 고비율의 분리된 점토 플레이트렛이 매트릭스 고정을 통해 기계적 성능 향상에 기여한다.
• 응력 유도 정렬이 이방성 산산을 유도하며, 높은 점토 농도와 더 큰 변형에서 이방성이 증가한다.
• 타크토이드 존재하에서도 전체 보강 성능에 영향을 주지 않으며, 기계적 거동을 주로 분리된 플레이트렛이 결정한다.
• 기계적 성능은 분리된 플레이트렛의 고비율과 고정된 고무 매트릭스와의 상호작용을 고려함으로써 효과적으로 모델링할 수 있다.