Auf Polysaccharid und Kohlenstoff basierende Nanokomposite in der Kautschuktechnologie

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Polysaccharid/Elastomer Nanokompositen, die im engen Vergleich zu etablierten Füllstoffsystemen, insbesondere Ruß, hergestellt werden. Das besondere Augenmerk liegt dabei auf großtechnisch hergestellter nanofibrillierter Cellulose (NFC). Anwendbare Verfahren zur Herstellung von Polysaccharid/Elastomer Kompositen werden anhand der getrockneten NFC und deren wässrigen Suspensionen verschiedenen Ursprungs verglichen und beurteilt. Selbst schonend getrocknete NFC können mithilfe des Schmelzmischens in der Elastomermatrix nicht ausreichend gut dispergiert werden, sodass die Einarbeitung über das Latex Compounding erfolgt. Als Elastomermatrices werden bromierter Isopren-Isobutylenkautschuk (BIIR) bzw. dessen Sekundärlatex, Acrylnitril-Butadienkautschuk (NBR) bzw. die entsprechende Polymeremulsion und Naturkautschuk bzw. der Naturlatex ausgewählt. Das statische Latex Compounding erweist sich hierbei als eine geeignete und reproduzierbare Methode zur Herstellung von gut dispergierten NFC/Elastomer Kompositen. Zur Erhöhung der Kompatibilität der NFC-Oberfläche zum Kautschuk werden die Komposite getrocknet und anschließend in situ mit geeigneten Silanen modifiziert. Die Verstärkung wird anhand verschiedener physikalischer Methoden, u.a. den Zug-Dehnungsversuchen, dynamisch-mechanischer Analyse und Quellungsmessungen, im Vergleich zu Referenzmaterialien beurteilt. Als Letztere dienen einerseits ungefüllte Elastomere und andererseits mechanisch gemischte und bereits etablierte Ruß (N550) Komposite. Die NFC Vulkanisate weisen vergleichbare Verstärkungseffekte des Elastomers auf, zeichnen sich aber insbesondere durch eine hohe Materialsteifigkeit und gute Quellbeständigkeit in organischen Lösungsmitteln aus. Gleichzeitig erfolgt die Reduzierung der Dichte NFC gefüllter Elastomere im Vergleich zu den Ruß-gefüllten, wodurch eine Gewichtsreduzierung resultiert. Hybridsysteme aus NFC und Ruß weisen im Vergleich zu den mit Reinsubstanzen gefüllten Kompositen einen erhöhten Verstärkungseffekt und teilweise linear kombinierbare Eigenschaften auf. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird das synthetisch aus Zuckerrohr technisch produzierte 1,3-α-Glucan hinsichtlich seiner Struktur und Oberfläche analysiert und über das statische Latex Compounding in den NBR-Kautschuk auf die gleiche Art und Weise wie die NFC eingearbeitet. Der gezeigte Verstärkungseffekt erweist sich als vergleichbar zu NFC-gefüllten NBR Elastomeren.

This work deals with the production and characterization of polysaccharide/elastomeric nanocomposites, which is compared to established filler systems, in particular carbon black. As main polysaccharide fillers industrially produced nanofibrillated cellulose (NFC) is used. Therefore, applicable methods for making said composites are compared using dried NFC and their aqueous suspensions. Brominated isoprene-isobutylene rubber (BIIR) and its secondary latex, acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) and the corresponding polymer emulsion and natural rubber and its natural latex are selected as elastomeric matrices. Even mildly dried NFC cannot be sufficiently dispersed in the elastomer matrix by melt blending. Consequently, incorporation takes place via latex compounding. In conclusion, static latex compounding proves to be a suitable and reproducible method for the preparation of well-dispersed NFC/elastomer composites. To increase the compatibility NFC surface and rubber, the dried composites are modified in situ with suitable silanes to induce an in situ surface modification of the NFC. Material properties are investigated by various physical methods, i.e. tensile-strain, dynamic-mechanical and swelling measurements, and compared to reference materials. Reference materials are on the one hand corresponding unfilled elastomers and on the other hand mechanically mixed, already established carbon black (N550) composites. The NFC filled vulcanizates show comparable reinforcement effects of the elastomer, but exhibit by a high material stiffness and good swelling resistance in organic solvents. Moreover, the density of NFC-filled elastomers is reduced compared to the carbon black-filled, resulting in a weight reduction. Hybrid systems of NFC and carbon black increased filler properties and partially linearly combinable properties compared to the pure substance filled composites. Based on these results, the sugar cane-based, synthetically produced 1,3-α-glucan is analyzed regarding its structure and surface area. Afterwards it is incorporated into NBR rubber via the static latex compounding in the same manner as NFC. Summarized, the reinforcing effect shows to be comparable to NFC-filled NBR elastomers.