Elastomeerit ja nanotäyteaineet – uusia mahdollisuuksiaMinna Poikelispää, Alexandra Shakun, Jyrki Vuorinen

Materiaalien sovellukset yrityksille -

Teemana muovit Turku 25.5.2016

Kumit ja nano– 100 vuoden kokemuksella

2 26.5.2016

www.denka.co.jp/eng/denzai/product/25.html

Noki Silika

http://www.nanoshel.com/product/carbon-black-nanopowder/

www.burchardt.name/BurchardtOnBalloonTiresT2M.doc

Vähintään 1 dimensio < 100 nm

3 26.5.2016

http://www.debswebsdesign.com/clients/AquaNanoShield/what-is-nano-technology/

Mikä nanotäyteaine?

http://www.ipfdd.de/en/departments/institute-of-polymer-materials/elastomers/high-performance-elastomers-and-interfaces-in-filled-rubbers/reinforcing-filler-concepts/

https://www.cheaptubes.com/carbon-nanotubes-101/

Miksi nanoja kumiin?

26.5.2016 4

http://www.particlesciences.com/news/technical-briefs/2011/nanotechnology-new-name-old-science.html

Koolla on väliä…

Miksi nanoja kumiin?

26.5.2016 5

Pallomaiset•Noki, metallioksidit, CaCO3, silika

Levymäiset•Kaoliini•Motmorilloniitti•Illiitti

Kuitumaiset•Hiilinanoputket•Halloysiitti

Palmero, Nanomaterials 5 (2015) 656-696

Myös muodolla on väliä…

Nanotäyteaineiden haasteet• Hydrofobinen kumi hydrofiilinen täyteaine

modifiointi

• Dispersio

6 26.5.2016

Nanotäyteineilla saavutetut ominaisuusparannukset• Lämmönkestävyys• Mekaaniset ominaisuudet• Lisääntynyt jäykkyys ja kovuus• Kulumiskestävyys• Sähkönjohtavuus• Palonkestävyys• Kemiallinen kestävyys• Barrier-ominaisuudet

7Kumi-instituutin syysseminaari 26.5.2016

Ominaisuusparannuksiin vaikuttavat käytetty nanotäyteaine ja elastomeeri.Yhden ominaisuuden parantuessa, toinen ominaisuus voi heiketä.

Hiilinanoputket• Sylinterimäisiä fullereeneja• Erittäin lujia• Hyvin jäykkä päistä vedettäessä

– Kimmokerroin 1000 GPa• Taivuteltaessa pehmeä kuin polymeeri• Sähköä johtava

• Yksiseinämäiset (SWNT)• Moniseinämäiset (MWNT)

8 26.5.2016

http://www.nanowerk.com/news/newsid=19087.php

Hiilinanoputket kumissa

26.5.2016 9

0 50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

7

8

EPDM_6 EPDM_9 EPDM_3 EPDM_2 EPDM_0

Engin

eering

stress

, MPa

Extension, %

Lisää lujuutta, kovuutta, jäykkyyttä ja sähkönjohtavuuttaNopeampi vulkanoitumisprosessi

100 101 102 103 104 105 10610-6

1x10-5

1x10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

EPCH-15CNTs-50IL

EPCH-10CNTs-25IL

EPCH-5CNTs-25IL

EPCH-15CNTs-25IL

EPCH-25IL

EPCH

Cond

uctivit

y (S/m)

Frequency (Hz)

Hoikkanen M. et al., Journal of Composite Materials 2016

Partial replacement of CB by CNTs

26.5.2016 10

5 phr 10 phr

05

1015202530

0 5 10 15

Stress

, MPa

CNT loading, phr

Tensile Strength 100 % 300 %

-100 -50 0 50 1000,01

0,1

1

CNT 0 CNT 0.5 CNT 1 CNT 2 CNT 2.5 CNT 5 CNT 7.5 CNT 10 CNT 12.5

Storag

e Modu

lus, G

Pa

Temperature, oC

020406080

100120

0.1 1 10 100

G', kP

a

Log strain, %

CNT 0 CNT 1 CNT 2.5 CNT 5CNT 7.5 CNT 10 CNT 12.5

Poikelispää M. et al., J. Appl. Polym. Sci 127 (2013) 4688-4696

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

26.5.2016 11V.N. Mochalin et al., The properties and applications of nanodiamonds. Nat. Nanotechnol. 7 (2012) 11-23

Nanodiamonds

26.5.2016 12

NR latex 0.1 phr 0.5 phr 1 phr 2 phr 1 phr (hydrogen.ND)Carboxylated NDs

~0.3 mm thick films

NR/carbND1 NR ref.

Nanodiamonds

00.020.040.060.08

0.10.120.14

1.E-02 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06

Dielec

tric lo

ss fac

tor

Frequency, Hz

NR latex/carboxylated NDs

1 phr0.5 phr0.1 phr0 phr

Area of interestfor energyharvesting

Mean values TS, MPa Eb, % M100, MPa M200, MPaNR/0 16.88 671.5 1.24 1.81NR/carbND0.5 12.64 644.9 1.07 1.60NR/carbND1 12.83 640.5 1.34 1.98NR/carbND2 21.59 746.1 1.52 2.32NR/hydrND1 19.08 740.7 0.97 1.49

Nanosavi• Käytetyimpiä nanotäyteaineita• Montmorilloniitti

– Yksi savipartikkeli koostuu tuhansista silikaattilevyistä

14 26.5.2016

http://wellnessadvocate.com/?dgl=80194

Partial replacement of CB by organoclay

26.5.2016 15Sapkota J., et al., Polymer Engineering and Science 53 (2013) 615-622

Activation energies:• NR-CB 67 kJ/mol• NR-CB-Clay-QUAT 52

kJ/mol• NR-CB-Clay-PA 54

kJ/mol

Halloysiitti nanoputket• Moniseinämäinen kaoliini nanoputki

– Pituus 1-15 µm– Sisähalkaisija 10-150 nm

16 26.5.2016

Pasbakhsh, P., et al., J. Appl. Polym. Sci 113 (2009)

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

26.5.2016 17

60oC

Poikelispää M., et al. Journal of Elastomers and Plastics (2014) 0095244314538436

• 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

1826.5.2016

Plasma treatment

Partial replacement of CB by plasma-treated HNTs in NR/BR• The polarity of the HNTs

decreased• Improved dispersion• Suppresses reversion• Improved mechanical properties

(polymer-filler interaction)• Higher tan delta

26.5.2016 19

02468

1012

0 9 18 27 36 45

Torqu

e, dNm

Time, min

CBHNTPy90-HNTThi90-HNT

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0 2 4 6 8 10

Weigh

t chan

ge, g

Time, min

HNTPy90-HNTThi90-HNT

160oC

Poikelispää M. et al., J. Appl. Polym. Sci 127 (2013) 4688-4696

Summary• Nanofillers have come (a long time ago) to

age• There is a lot of variety in nanofillers• A development from universal magic stuff to a

tool for material developer, mainly for specific properties i.e. functionality

• TUT has been working in the area for over 10 years and work still continues: Graphene and GO filled polymers for hydrogen storage and nanofilled energy harvesting elastomers

26.5.2016 20