Regulation of TBIR on the Structure and Properties of Natural Rubber Based Nanocomposites

doi:10.7503/cjcu20230023

Abstract

Abstract:

Trans-1，4-poly（butadiene-co-isoprene） copolymer rubber（TBIR） and wet mixing natural rubber masterbatch（W-NR） were used to modify natural rubber（NR） nanocomposites with different polymer network structures and filler network structures. The structure and properties of NR， NR/W-NR， NR/TBIR and NR/W-NR/TBIR rubber nanocomposites were investigated by means of carbon black packing dispersion apparatus， differential scanning calorimetry and equilibrium swelling method， etc. Compared with NR and NR/W-NR vulcanizates， the addition of TBIR component constructed special polymer network structures including sulfide bonds and polymer crystals acting as physical crosslinks in the NR matrix， which improved the modulus and green strength of the NR matrix， provided better filler dispersion， and improved filler-rubber interactions. Therefore， compared with NR and NR/W-NR vulcanizates， the NR/TBIR（90/10） and NR/W-NR/TBIR（40/66.5/10） vulcanizates showed improved DIN abrasion resistance， enhanced tensile fatigue property， reduced rolling resistance， and better aging resistance. The NR/W-NR/TBIR（40/66.5/10） vulcanizate prepared by combining the advantages of W-NR and TBIR together presented much lower rolling resistance， as well as excellent comprehensive properties. This work provides a facial and effective regulation way to adjust the polymer network structure and filler network structure， and fabricate NR nanocomposites with excellent comprehensive properties.

Key words: Trans-1, 4-（butadiene-co-isoprene） copolymer rubber, Natural rubber, Filler network, Polymeric double network structure, Nanocomposite

CLC Number:

O631

TrendMD:

QIAN Zhehao, WANG Shuo, ZONG Xin, CAI Lei, HE Aihua. Regulation of TBIR on the Structure and Properties of Natural Rubber Based Nanocomposites[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230023.

Figures/Tables 9

References 42

1	Rattanasom N.， Saowapark T.， Deeprasertkul C.， Polym. Test.， 2007， 26（3）， 369—377
2	Dominic M.， Joseph R.， Sabura Begum P. M.， Kanoth B. P.， Chandra J.， Thomas S.， Carbohydr. Polym.， 2020， 230， 115620
3	He Y.， Yin Z.， Ma L. X.， Adv. Mater. Res.， 2009， 87/88， 200—205
4	Cai L.， Zhao Y. J.， Zhang X. P.， He A. H.， Din T.， Li X. H.， Zhang Z. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（11）， 2388—2395
	蔡磊，赵远进，张新萍，贺爱华，丁涛，李小红，张治军. 高等学校化学学报， 2019， 40（11）， 2388—2395
5	Sombatsompop N.， Thongsang S.， Markpin T.， Wimolmala E.， J. Appl. Polym. Sci.， 2004， 93（5）， 2119—2130
6	Zheng X. F.， Song S. K.， Zhou Z. W.， Jiang X. Z.， Sui Y. Q.， Che M. M.， Xu Q.， Wang Y.， Zhao S.， Li L.， J. Appl. Polym. Sci.， 2022， 139（39）， 52933
7	Liu X.， Zhao S. H.， J. Appl. Polym. Sci.， 2008， 109（6）， 3900—3907
8	Wang Y. X.， Wu Y. P.， Li W. J.， Zhang L. Q.， Appl. Surf. Sci.， 2011， 257（6）， 2058—2065
9	Ou Y. C.， Yu Z. Z.， Vidal A.， Donnet J. B.， J. Appl. Polym. Sci.， 1996， 59（8）， 1321—1328
10	Chen Y. M.， China Rubber/Plastics Technology and Equipment， 2016， 42（21）， 26—30
	陈毅敏. 橡塑技术与装备， 2016， 42（21）， 26—30
11	Wang Y. Q.， Zhang H. F.， Wu Y. P.， Yang J.， Zhang L. Q.， J. Appl. Polym. Sci.， 2005， 96（2）， 318—323
12	Wang X. J.， Chen Z. B.， Sun H. G.， Yin Y.， Huang Y.， Yang X. N.， ACS Omega， 2020， 5（47）， 30444—30453
13	Peng Z.， Kong L. X.， Li S. D.， Chen Y.， Huang M. F.， Compos. Sci. Technol.， 2007， 67， 3130—3139
14	Wang Y. Q.， Liao L. S.， Zhong J. P.， He D. N.， Xu K.， Yang C. J.， Luo Y. Y.， Peng Z.， J. Appl. Polym. Sci.， 2016， 133， 43571
15	Zhang Z. H.， Xu Y. H.， Xing L. H.， China Elastomerics， 2011， 21（5）， 60—63
	张兆红，徐云慧，邢立华. 弹性体， 2011， 21（5）， 60—63
16	Sae⁃Oui P.， Sirisinha C.， Thepsuwan U.， Thapthong P.， Polym. Test.， 2007， 26（8）， 1062—1067
17	Ghosh A. K.， Debnath S. C.， Naskar N.， Basu D. K.， Polym. Sci.， 2010， 81（4）， 800—808
18	Chang Y. W.， Shin Y. S.， Chun H.， Nah C.， J. Appl. Polym. Sci.， 2015， 73（5）， 749—756
19	Zhang Q. F.， Jiang X. B.， He A. H.， Chinese J. Polym. Sci.， 2014， 32（8）， 1068—1076
20	Niu Q. T.， Zou C.， Liu X. Y.， Wang R. G.， He A. H.， Polymer， 2017， 109（1）， 197—204
21	Niu Q. T.， Li W. T.， Liu X. Y.， Wang R. G.， He A. H.， Polymer， 2018， 143， 173—183
22	Li W. T.， Nie H. R.， Shao H. F.， Ren H. C.， He A. H.， Polymer， 2018， 156（11）， 148—161
23	Shao H. F.， Ren S. T.， Wang R. G.， He A. H.， Polymer， 2020， 186， 122015
24	Wang H.， Zhang J. P.， Ma Y. S.， Wang R. G.， He A. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（11）， 2095—2101
	王浩，张剑平，马韵升，王日国，贺爱华. 高等学校化学学报， 2017， 38（11）， 2095—2101
25	Wang H.， Wang R. G.， Ma Y. S.， Luan B.， He A. H.， Chinese J. Polym. Sci.， 2019， 37（10）， 966—973
26	Zhang X. P.， Zhang J. P.， Cai L.， Zong X.， He A. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（7）， 1571—1578
	张新萍，张剑平，蔡磊，宗鑫，贺爱华. 高等学校化学学报， 2019， 40（7）， 1571—1578
27	Wu Y. F.， Li H. Y.， Cai L.， He A. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 565—571
	武营飞，李洪昱，蔡磊，贺爱华. 高等学校化学学报， 2020， 41（3）， 565—571
28	Zhang X. P.， Cui H. H.， Song L. Y.， Ren H. C.， Wang R. G.， He A. H.， Compos. Sci. Technol.， 2018， 158， 156—163
29	Zhang X. P.， Cai L.， Wang C. W.， He A. H.， Compos. Sci. Technol.， 2019， 184， 107835
30	Zhang X. P.， Wang H.， Ren H. C.， Wang R. G.， He A. H.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2019， 58， 917—925
31	Ren H. C.， Wu Y. F.， Liu D. D.， Nie H. R.， He A. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（5）， 1091—1097
	任惠成，武营飞，刘丹丹，聂华荣，贺爱华. 高等学校化学学报， 2018， 39（5）， 1091—1097
32	Zhang J. P.， Song L. Y.， Wang H.， Wang R. G.， He A. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（6）， 1334—1341
	张剑平，宋丽媛，王浩，王日国，贺爱华. 高等学校化学学报， 2018， 39（6）， 1334—1341
33	Wu Y. F.， Yao K. C.， Nie H. R.， He A. H.， Polymer， 2018， 153， 271—276
34	Wang H.， Zhang X. P.， Nie H. R.， Wang R. G.， He A. H.， Compos. Part A⁃Appl. S.， 2019， 116， 197—205
35	Choi S. S.， Kim I. S.， Eur. Polym. J.， 2002， 38， 1265—1269
36	Cao L. M.， Fan J. F.， Huang J. R.， Chen Y. K.， Mater. Chem. A.， 2019， 7， 4922—4933
37	Yuan X. H.， Peng Z. L.， Zhang Y.， Zhang Y. X.， J. Appl. Polym. Sci.， 2000， 77（12）， 2740—2748
38	Blackman E. J.， Mccall E. B.， Rub. Chem. Technol.， 1970， 43（3）， 651—663
39	Wang H.， Song L. Y.， Ma Y. S.， Wang R. G.， He A. H.， Acta Polym. Sin.， 2018，（3）， 419—428
	王浩，宋丽媛，马韵升，王日国，贺爱华. 高分子学报， 2018，（3）， 419—428
40	Abdel⁃Bary E. M.， Makar S. M.， Mousa A. N.， Macromol. Chem. Macromol. Symp.， 1989， 27（1）， 269—278
41	Pourhossaini M. R.， Razzaghi⁃Kashani M.， Polymer， 2014， 55（9）， 2279—2284
42	Berriot J.， Montes H.， Lequeux F.， Long D.， Sotta P.， Macromolecules， 2002， 35（26）， 9756—9762

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[1]	LIU Aiqing, XU Wensheng, XU Xiaolei, CHEN Jizhong, AN Lijia. Molecular Dynamics Simulation of Polymer/rod Nanocomposite [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 875.
[2]	JIA Bingquan, YE Bin, ZHAO Wei, XU Fangfang, HUANG Fuqiang. Metallic 1T′ MoS₂ Boosts Graphitic C₃N₄ for Efficient Visible-light Photocatalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 615.
[3]	NING Qiuyang, LI Wancheng. Preparation of Planar C₂H₅OH Fast Response Gas Sensor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(8): 1745.
[4]	WANG Ruixue, YIN Dongmei, SONG Yongxin, SHAN Guiye. Preparation of CuS/Ag₂S Nanocomposite and the Peroxidase-like Properties ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(6): 1218.
[5]	SHENG Hui, XUE Bin, QIN Meng, WANG Wei, CAO Yi. Preparation and Applications of Stretchable and Tough Hydrogels ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(6): 1194.
[6]	DAI Lijun, SUN Zhaoyan. Perspective on the Structure and Dynamics of Polymer Chains in Polymer Nanocomposites ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 924.
[7]	GUO Qinrui, SHAO Huafeng, HE Aihua. Thermal-oxidative Aging Performance of TBIR Modified NR/BR Vulcanizates in Aircraft Tire Sidewall ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 789.
[8]	WU Yingfei,LI Hongyu,CAI Lei,HE Aihua. Structure and Properties of NBR/TBIR Composites with High Abrasion Resistance and Low Heat Built-up ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(3): 565.
[9]	OUYANG Mi, CHEN Lu, HU Xuming, LI Yuwen, DAI Dacheng, TU Yuanbo, BAI Ru, LÜ Xiaojing, ZHANG Cheng. Preparation and Electrochromic Properties of TiO₂-PTPAT Nano Core/Shell Composite Films [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2796.
[10]	WANG Yihan,YIN Qiang,DU Kai,YIN Qinjian. Polypyrrole/Polyaniline Nanocomposite Nanotubes with Enhanced Thermoelectric Properties ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(1): 175.
[11]	MAO Long, LIU Yuejun, FAN Shuhong. Preparation and Properties of Polypyrrole Modified Layered Clay/poly(ε-caprolactone) Antibacterial Nanocomposites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(8): 1726.
[12]	ZHANG Yuefa, SHAO Huafeng, WANG Riguo, HE Aihua. Structure and Properties of Sidewall Compounds for Aircraft Tyre Modified by TBIR [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(8): 1733.
[13]	ZHANG Xinping, ZHANG Jianping, CAI Lei, ZONG Xin, HE Aihua. Structure and Properties of Damping Materials with Super Fatigue Resistance Based on Chloroprene Rubber^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(7): 1571.
[14]	SUI Jiayang, LIU Xiaoyang, QIAN Miaomiao, ZHU Yanchao, XUE Beichen, FENG Yi, TIAN Yumei, WANG Xiaofeng. Surface Modification of Silica/carbon Black Derived from Rice Husks and Its Influence on Natural Rubber Composites^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(7): 1561.
[15]	CHEN Yan,DONG Xuejiao,SHAN Guiye. Preparation of Liposome@Ag/Au Nanocomposites and Their Interaction with H₂ $O 2 †$ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(4): 639.

m（NR）/m（W⁃NR）/m（TBIR）	100/0/0	50/66.5/0	90/0/10	40/66.5/10
NR	100	50	90	40
W⁃NR	0	66.5	0	66.5
TBIR	0	0	10	10
ZnO⁃80	4.4	4.4	4.4	4.4
Stearic acid	2.0	2.0	2.0	2.0
Antioxidant 4020	2.0	2.0	2.0	2.0
Antioxidant RD	1.5	1.5	1.5	1.5
Carbon black（N220）	35	35	35	35
Silica（7000GR）	15	0	15	0
Silane coupling agent（Si⁃69）	1.5	0	1.5	0
Accelerator（NS⁃80）	1.76	1.76	1.76	1.76
Sulfur⁃80	1.38	1.38	1.38	1.38

m（NR）/m（W⁃NR）/m（TBIR）	100/0/0	50/66.5/0	90/0/10	40/66.5/10
NR	100	50	90	40
W⁃NR	0	66.5	0	66.5
TBIR	0	0	10	10
ZnO⁃80	4.4	4.4	4.4	4.4
Stearic acid	2.0	2.0	2.0	2.0
Antioxidant 4020	2.0	2.0	2.0	2.0
Antioxidant RD	1.5	1.5	1.5	1.5
Carbon black（N220）	35	35	35	35
Silica（7000GR）	15	0	15	0
Silane coupling agent（Si⁃69）	1.5	0	1.5	0
Accelerator（NS⁃80）	1.76	1.76	1.76	1.76
Sulfur⁃80	1.38	1.38	1.38	1.38

m（NR）/m（W⁃NR）/m（TBIR）	100/0/0	50/66.5/0	90/0/10	40/66.5/10
Bound rubber（%， mass fraciton）	30	29	32	34
Mooney viscosity	52	41	54	45
Green strength/MPa	0.9	1.2	1.8	1.8
Young modulus/MPa	0.2	0.3	0.5	0.5
Elongation at break（%）	757	719	749	795
Shore A Hardness/（°）	22	23	33	31

m（NR）/m（W⁃NR）/m（TBIR）	100/0/0	50/66.5/0	90/0/10	40/66.5/10
Bound rubber（%， mass fraciton）	30	29	32	34
Mooney viscosity	52	41	54	45
Green strength/MPa	0.9	1.2	1.8	1.8
Young modulus/MPa	0.2	0.3	0.5	0.5
Elongation at break（%）	757	719	749	795
Shore A Hardness/（°）	22	23	33	31

m（NR）/m（W⁃NR）/m（TBIR）	100/0/0	50/66.5/0	90/0/10	40/66.5/10
Tensile strength/MPa	28.5	29.1	27.4	27.7
Modulus at 100%/MPa	1.9	2.0	1.9	2.0
Modulus at 300%/MPa	9.9	9.9	9.4	9.8
Elongation at break（%）	623	637	655	629
Tear strength/（kN·m^-1）	102±4	135±2	96±4	98±2
Shore A hardness/（°）	57	59	57	58
Rebound（%）	54	54	55	55
Heat build⁃up/℃	34.2	32.6	34.9	33.1
DIN Abrasion/（cm³/40 m）	0.168±0.004	0.171±0.003	0.149±0.003	0.153±0.002
tanδ@60 ℃（10 Hz， 5%）	0.170	0.165	0.168	0.154
10^-4Tensile fatigue at 100%	33	27	43	33