Nanotäyteaineet kumissa Minna Poikelispää, Alexandra Shakun, Jyrki Vuorinen Kumi-instituutin kevätseminaari 15.4.2016
Kumit ja nano 100 vuoden kokemuksella Noki Silika www.denka.co.jp/eng/denzai/product/25.html http://www.nanoshel.com/product/carbon-black-nanopowder/ www.burchardt.name/burchardtonballoontirest2m.doc 2 4.5.2016
Mikä nanotäyteaine? Vähintään 1 dimensio < 100 nm http://www.debswebsdesign.com/clients/aquananoshield/what-is-nano-technology/ http://www.ipfdd.de/en/departments/institute-of-polymer-materials/elastomers/high-performanceelastomers-and-interfaces-in-filled-rubbers/reinforcing-filler-concepts/ https://www.cheaptubes.com/carbon-nanotubes-101/ 3 4.5.2016
Miksi nanoja kumiin? Koolla on väliä http://www.particlesciences.com/news/technicalbriefs/2011/nanotechnology-new-name-old-science.html 4.5.2016 4
Miksi nanoja kumiin? Myös muodolla on väliä Pallomaiset Noki, metallioksidit, CaCO 3, silika Levymäiset Kaoliini Motmorilloniitti Illiitti Kuitumaiset Hiilinanoputket Halloysiitti Palmero, Nanomaterials 5 (2015) 656-696 4.5.2016 5
Nanotäyteaineiden haasteet Hydrofobinen kumi modifiointi hydrofiilinen täyteaine Dispersio 6 4.5.2016
Nanotäyteineilla saavutetut ominaisuusparannukset Lämmönkestävyys Mekaaniset ominaisuudet Lisääntynyt jäykkyys ja kovuus Kulumiskestävyys Sähkönjohtavuus Palonkestävyys Kemiallinen kestävyys Barrier-ominaisuudet Ominaisuusparannuksiin vaikuttavat käytetty nanotäyteaine ja elastomeeri. Yhden ominaisuuden parantuessa, toinen ominaisuus voi heiketä. Kumi-instituutin syysseminaari 7 4.5.2016
Hiilinanoputket Sylinterimäisiä fullereeneja Erittäin lujia Hyvin jäykkä päistä vedettäessä Kimmokerroin 1000 GPa Taivuteltaessa pehmeä kuin polymeeri Sähköä johtava http://www.nanowerk.com/news/newsid=19087.php Yksiseinämäiset (SWNT) Moniseinämäiset (MWNT) 8 4.5.2016
Hiilinanoputket kumissa 8 Engineering stress, MPa 7 6 5 4 3 2 1 0 EPDM_6 EPDM_9 EPDM_3 EPDM_2 EPDM_0 0 50 100 150 200 250 300 Extension, % Conductivity (S/m) 10 2 EPCH-15CNTs-50IL 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 1x10-4 EPCH 1x10-5 10-6 EPCH-15CNTs-25IL EPCH-10CNTs-25IL EPCH-5CNTs-25IL EPCH-25IL 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Frequency (Hz) Lisää lujuutta, kovuutta, jäykkyyttä ja sähkönjohtavuutta Nopeampi vulkanoitumisprosessi Hoikkanen M. et al., Journal of Composite Materials 2016 4.5.2016 9
Partial replacement of CB by CNTs 5 phr 10 phr CNT 0 CNT 1 CNT 2.5 CNT 5 CNT 7.5 CNT 10 CNT 12.5 120 Stress, MPa Tensile Strength 100 % 300 % 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 CNT loading, phr G', kpa 100 80 60 40 20 0 0.1 1 10 100 Log strain, % Storage Modulus, GPa 1 0,1 0,01 CNT 0 CNT 0.5 CNT 1 CNT 2 CNT 2.5 CNT 5 CNT 7.5 CNT 10 CNT 12.5-100 -50 0 50 100 Temperature, o C Poikelispää M. et al., J. Appl. Polym. Sci 127 (2013) 4688-4696 4.5.2016 10
Nanodiamonds Promising stable diamond core highly reactive outer shell high thermal conductivity high electrical resistivity biocompatibility availability at reasonable prices NDs tend to aggregate due to the presence of a number of functional surface groups Chemical modification Stable aqueous dispersions V.N. Mochalin et al., The properties and applications of nanodiamonds. Nat. Nanotechnol. 7 (2012) 11-23 4.5.2016 11
Nanodiamonds Carboxylated NDs ~0.3 mm thick films NR latex 0.1 phr 0.5 phr 1 phr 2 phr 1 phr (hydrogen.nd) NR/carbND1 NR ref. 4.5.2016 12
Nanodiamonds 0.14 0.12 NR latex/carboxylated NDs Dielectric loss factor 0.1 0.08 0.06 0.04 Area of interest for energy harvesting 1 phr 0.5 phr 0.1 phr 0 phr = 0.02 0 1.E-02 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 Frequency, Hz Mean values TS, MPa E b, % M 100, MPa M 200, MPa NR/0 16.88 671.5 1.24 1.81 NR/carbND0.5 12.64 644.9 1.07 1.60 NR/carbND1 12.83 640.5 1.34 1.98 NR/carbND2 21.59 746.1 1.52 2.32 NR/hydrND1 19.08 740.7 0.97 1.49
Nanosavi Käytetyimpiä nanotäyteaineita Montmorilloniitti Yksi savipartikkeli koostuu tuhansista silikaattilevyistä http://wellnessadvocate.com/?dgl=80194 14 4.5.2016
Partial replacement of CB by organoclay Activation energies: NR-CB 67 kj/mol NR-CB-Clay-QUAT 52 kj/mol NR-CB-Clay-PA 54 kj/mol Sapkota J., et al., Polymer Engineering and Science 53 (2013) 615-622 4.5.2016 15
Halloysiitti nanoputket Moniseinämäinen kaoliini nanoputki Pituus 1-15 µm Sisähalkaisija 10-150 nm Pasbakhsh, P., et al., J. Appl. Polym. Sci 113 (2009) 16 4.5.2016
Partial replacement of carbon black by HNTs in NR/BR compound Easier processing Lower storage, loss modulus and tan delta -> tyre applications No significant changes in mechanical properties TESPT-silane - no effect 60 o C Poikelispää M., et al. Journal of Elastomers and Plastics 47 (2015) 738-752 4.5.2016 17
Plasma treatment The polarity of the HNT surface can be reduced The functional groups on the surface, mainly hydroxyl groups, can be shielded The chemical composition of the surface can be changed to hydrocarbons Functional groups can be created in the surface 4.5.2016 18
Partial replacement of CB by plasma-treated HNTs in NR/BR 0.3 0.25 The polarity of the HNTs decreased Improved dispersion Suppresses reversion Improved mechanical properties (polymer-filler interaction) Higher tan delta Weight change, g 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 Time, min HNT Py90-HNT Thi90-HNT 12 10 160 o C Torque, dnm 8 6 4 CB HNT 2 0 Py90-HNT Thi90-HNT 0 9 18 27 36 45 Time, min Poikelispää M. et al., J. Appl. Polym. Sci 127 (2013) 4688-4696 4.5.2016 19