[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过乳液混合法制备非硫化天然橡胶-黏土纳米复合材料，表明通过高长径比剥离和橡胶基体固定化，黏土片层显著提升了机械性能。去除非橡胶杂质可进一步提高黏土的增强效率，且应变诱导的剥离片层取向导致各向异性散射，即使存在团聚体，仍能实现优异性能。

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.

研究动机与目标

• 评估非硫化天然橡胶纳米复合材料中黏土的增强效率。
• 研究去除非橡胶分子对黏土作为增强剂效果的影响。
• 将机械性能与黏土的形态特征（包括剥离和团聚体形成）相关联。
• 理解黏土分散状态及变形过程中取向在决定机械响应中的作用。

提出的方法

• 通过水性黏土分散液的'乳液混合'法制备纳米复合材料。
• 采用透射电子显微镜（TEM）表征黏土的形貌与分散状态。
• 利用小角中子散射（SANS）探测纳米尺度结构及变形下的取向行为。
• 通过单轴拉伸试验评估不同黏土浓度下的机械性能。
• 在纳米复合材料制备前，通过透析法去除天然橡胶中的非橡胶分子。
• 基于剥离黏土片层的高长径比及其与固定化橡胶基体的相互作用，建立机械增强的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 去除非橡胶分子如何影响黏土在天然橡胶中的增强效率？
• RQ2 与团聚体相比，剥离的黏土片层在机械增强中贡献程度如何？
• RQ3 黏土浓度如何影响纳米复合材料中的应变诱导取向与各向异性散射？
• RQ4 基体固定化在提升黏土增强天然橡胶机械性能中起何作用？
• RQ5 是否可基于剥离黏土片层的高长径比有效建模机械性能？

主要发现

• 去除非橡胶分子可显著提高黏土在天然橡胶中的增强效率。
• 纳米复合材料中同时存在完全剥离的黏土片层与团聚体，其中剥离片层主导机械增强。
• 高长径比的剥离黏土片层通过基体固定化机制，显著提升机械性能。
• 应变诱导的黏土取向导致各向异性散射，且在更高黏土浓度和更大变形下，各向异性程度增强。
• 团聚体的存在并未损害整体增强性能，因剥离片层在机械响应中占主导地位。
• 通过考虑剥离片层的高长径比及其与固定化橡胶基体的相互作用，可有效建模机械性能。