Préparation par ultrasons de caoutchouc renforcé
- Les caoutchoucs renforcés présentent une plus grande résistance à la traction, à l'allongement et à l'abrasion, ainsi qu'une meilleure stabilité au vieillissement.
- Les charges telles que le noir de carbone (par exemple, les NTC, les MWNT), le graphène ou la silice doivent être dispersées de manière homogène dans la matrice afin d'obtenir les propriétés souhaitées du matériau.
- Les ultrasons de puissance permettent une distribution de qualité supérieure des nanoparticules monodispersées avec des propriétés hautement renforçantes.
Dispersion ultrasonique
Les ultrasons sont largement utilisés pour disperser les nanomatériaux tels que les nanoparticules et les nanotubes monodispersés, car ils améliorent considérablement la séparation et la fonctionnalisation des particules et des tubes.
L'équipement de dispersion par ultrasons crée cavitation et des forces de cisaillement élevées pour perturber, désagglomérer, démêler et disperser les nanoparticules et les nanotubes. L'intensité de la sonication peut être réglée et contrôlée avec précision afin que les paramètres de traitement ultrasonique soient parfaitement adaptés, en tenant compte de la concentration, de l'agglomération et de l'alignement/l'enchevêtrement des nanomatériaux. Ainsi, les nanomatériaux peuvent être traités de manière optimale en fonction de leurs exigences spécifiques. Les conditions de dispersion optimales dues aux paramètres de traitement ultrasonique ajustés individuellement permettent d'obtenir un nanocomposite de caoutchouc final de haute qualité avec des caractéristiques de renforcement supérieures des nano-additifs et des nano-charges.
En raison de la qualité de dispersion supérieure des ultrasons et de la dispersion uniforme ainsi obtenue, une charge de remplissage très faible suffit pour obtenir d'excellentes caractéristiques du matériau.
système ultrasonique industriel
Caoutchouc noir renforcé au carbone ultrasonique
Le noir de carbone est l'une des charges les plus importantes dans les caoutchoucs, en particulier pour les pneus, afin de donner au matériau en caoutchouc une résistance à l'abrasion et une résistance à la traction. Les particules de noir de carbone ont une forte tendance à former des agrégats qui sont difficiles à disperser de manière homogène. Le noir de carbone est couramment utilisé dans les peintures, les émaux, les encres d'imprimerie, les colorants pour nylon et plastique, les mélanges de latex, les mélanges de cire, les revêtements photographiques, etc.
La dispersion par ultrasons permet de désagglomérer et de mélanger uniformément les particules avec une très grande monodispersité.
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Caoutchouc renforcé aux ultrasons par des NTC / MWCNT
Les homogénéisateurs à ultrasons sont des systèmes de dispersion puissants qui peuvent être contrôlés et ajustés avec précision en fonction des exigences du processus et du matériau. Le contrôle précis des paramètres du processus ultrasonique est particulièrement important pour la dispersion de nanotubes tels que les MWNT ou les SWNT, car les nanotubes doivent être démêlés en tubes individuels sans être endommagés (par exemple, par scission). Les nanotubes non endommagés présentent un rapport d'aspect élevé (jusqu'à 132 000 000:1), ce qui leur confère une résistance et une rigidité exceptionnelles lorsqu'ils sont incorporés dans un composite. Une sonication puissante et précisément ajustée permet de surmonter les forces de Van der Waals et de disperser et démêler les nanotubes, ce qui permet d'obtenir un matériau de caoutchouc haute performance présentant une résistance à la traction et un module d'élasticité exceptionnels.
En outre, fonctionnalisation par ultrasons est utilisé pour modifier les nanotubes de carbone afin d'obtenir les propriétés souhaitées qui peuvent être utilisées dans de nombreuses applications.
Ultrasons pour la dispersion en continu de nanomatériaux, de noir de carbone ou de charbon actif.
Caoutchouc renforcé aux ultrasons par de la nano-silice
Les disperseurs à ultrasons permettent d'obtenir une distribution très uniforme des particules de silice (SiO2) dans des solutions de polymère de caoutchouc. La silice (SiO2) doivent être distribuées de manière homogène sous forme de particules mono-dispersées dans le styrène-butadiène polymérisé et d'autres caoutchoucs. Les nanoparticules de SiO2 agissent comme des agents de renforcement, ce qui améliore considérablement la ténacité, la résistance, l'élongation, la flexion et les performances antivieillissement. Les nanoparticules s'appliquent : Plus la taille des particules est petite, plus leur surface spécifique est grande. Un rapport surface/volume (S/V) plus élevé permet d'obtenir de meilleurs effets structurels et de renforcement, ce qui augmente la résistance à la traction et la dureté des produits en caoutchouc.
La dispersion ultrasonique des nanoparticules de silice permet de contrôler exactement les paramètres du processus afin d'obtenir une morphologie sphérique, une taille de particule ajustée avec précision et une distribution de taille très étroite.
La silice dispersée par ultrasons permet d'obtenir les meilleures performances matérielles du caoutchouc ainsi renforcé.
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Dispersion ultrasonique d'additifs de renforcement
Il a été prouvé que la sonication permet de disperser de nombreux autres matériaux nanoparticulés afin d'améliorer le module, la résistance à la traction et les propriétés de fatigue des composites en caoutchouc. La taille, la forme, la surface et l'activité de surface des charges et des additifs de renforcement étant déterminantes pour leurs performances, des disperseurs à ultrasons puissants et fiables constituent l'une des méthodes les plus fréquemment utilisées pour formuler des particules de taille micro et nanométrique dans les produits en caoutchouc.
Les additifs et les charges typiques, qui sont incorporés par sonication sous forme de particules uniformément réparties ou monodispersées dans les matrices de caoutchouc, sont le carbonate de calcium, l'argile kaolinique, la silice pyrogénée, la silice précipitée, l'oxyde de graphite, le graphène, le mica, le talc, la barytine, la wollastonite, les silicates précipités, la silice pyrogénée et la diatomite.
Lorsque le TiO2 sont dispersées par ultrasons dans du caoutchouc styrène-butadiène, même une très petite quantité de nanoparticules oléique-SiO2 permet d'améliorer considérablement le module, la résistance à la traction et les propriétés de fatigue et sert d'agent protecteur contre la photodégradation et la thermodégradation.
- Alumine trihydratée (Al2O3) est ajouté comme retardateur de flamme, pour améliorer la conductivité thermique et pour la résistance à l'érosion.
- Les charges d'oxyde de zinc (ZnO) augmentent la permittivité relative ainsi que la conductivité thermique.
- Le dioxyde de titane (TiO2) améliore la conductivité thermique et électrique.
- Le carbonate de calcium (CaCO3) est utilisé comme additif en raison de ses propriétés mécaniques, rhéologiques et ignifuges.
- Le titanate de baryum (BaTiO3) augmente la stabilité thermique.
- graphène et l'oxyde de graphène (GO) présentent des caractéristiques mécaniques, électriques, thermiques et optiques supérieures.
- Nanotubes de carbone (CNT) améliorent considérablement les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction et la conductivité électrique et thermique.
- Les nanotubes de carbone multiparois (MWNT) améliorent le module de Young et la limite d'élasticité. Par exemple, à partir de 1 % en poids de MWNT dans un époxy, le module de Young et la limite d'élasticité augmentent respectivement de 100 % et de 200 % par rapport à la matrice pure.
- Nanotubes de carbone monoparois (SWNT) améliorent les propriétés mécaniques et la conductivité thermique.
- Les nanofibres de carbone (CNF) ajoutent de la force, de la résistance à la chaleur et de la durabilité.
- Les nanoparticules métalliques telles que le nickel, le fer, le cuivre, le zinc, l'aluminium et l'aluminium. Argent sont ajoutés pour améliorer la conductivité électrique et thermique.
- Les nanomatériaux organiques tels que montmorillonite améliorer les propriétés mécaniques et ignifuges.
Systèmes de dispersion par ultrasons
Hielscher Ultrasonics propose une large gamme d'équipements à ultrasons. – depuis les petits systèmes de table pour les essais de faisabilité jusqu'aux systèmes lourds. unités industrielles d'ultrasons avec jusqu'à 16kW par unité. La puissance, la fiabilité, la précision du contrôle et la robustesse des systèmes de dispersion par ultrasons de Hielscher en font des produits de choix. “cheval de trait” dans la chaîne de production de formulations microniques et nanoparticulaires. Nos ultrasons sont capables de traiter des dispersions aqueuses et à base de solvant jusqu'à viscosités élevées (jusqu'à 10 000 cp) facilement. Diverses sonotrodes (cornets à ultrasons), amplificateurs (intensificateurs/diminuateurs), géométries de cellules d'écoulement et autres accessoires permettent d'adapter de manière optimale le disperseur à ultrasons au produit et aux exigences du processus.
Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des fortes amplitudes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet de 24/7 opération à lourd et dans des environnements exigeants. Les disperseurs à ultrasons de Hielscher sont installés dans le monde entier pour la production commerciale à grande échelle.
Installation ultrasonique personnalisée pour les nano-dispersions
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000 |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
Littérature / Références
- Bitenieks, Juris; Meria, Remo Merijs; Zicans, Janis; Maksimovs, Roberts; Vasilec, Cornelia; Musteata, Valentina Elena (2012): Styrene–acrylate/carbon nanotube nanocomposites: mechanical, thermal, and electrical properties. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2012, 61, 3, 172–177.
- Kaboorani, Alireza; Riedl, Bernard; Blanchet, Pierre (2013): Ultrasonication Technique: A Method for Dispersing Nanoclay in Wood Adhesives. Journal of Nanomaterials 2013.
- Momen, G.; Farzaneh, M. (2011): Survey of Micro/Nano Filler Use to improve Silicone Rubber For Outdoor Insulators. Review of Advanced Materials Science 27, 2011. 1-3.
- Sharma, S.D.; Singh, S. (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 2013, 3(4): 96-104.
Qu'il faut savoir
caoutchouc synthétique
Un caoutchouc synthétique est un élastomère artificiel. Les caoutchoucs synthétiques sont principalement des polymères synthétisés à partir de sous-produits pétroliers et sont fabriqués, comme les autres polymères, à partir de divers monomères à base de pétrole. Le caoutchouc synthétique le plus répandu est le caoutchouc styrène-butadiène (SBR), dérivé de la copolymérisation du styrène et du 1,3-butadiène. D'autres caoutchoucs synthétiques sont préparés à partir d'isoprène (2-méthyl-1,3-butadiène), de chloroprène (2-chloro-1,3-butadiène) et d'isobutylène (méthylpropène) avec un faible pourcentage d'isoprène pour la réticulation. Ces monomères et d'autres peuvent être mélangés dans diverses proportions pour être copolymérisés et donner des produits aux propriétés physiques, mécaniques et chimiques variées. Les monomères peuvent être produits purs et l'ajout d'impuretés ou d'additifs peut être contrôlé pour obtenir des propriétés optimales. La polymérisation des monomères purs peut être mieux contrôlée pour obtenir une proportion souhaitée de doubles liaisons cis et trans.
Le caoutchouc synthétique, comme le caoutchouc naturel, est largement utilisé dans l'industrie automobile pour les pneus, les profils de portes et de fenêtres, les tuyaux, les courroies, les tapis et les revêtements de sol.
caoutchouc naturel
Le caoutchouc naturel est également connu sous le nom de caoutchouc indien ou caoutchouc. Le caoutchouc naturel est classé parmi les élastomères et se compose principalement de polymères du composé organique poly-cis-isoprène et d'eau. Il contient des traces d'impuretés telles que des protéines, des saletés, etc. Le caoutchouc naturel, qui est dérivé du latex de l'hévéa Hevea BrasiliensisLe caoutchouc naturel présente d'excellentes propriétés mécaniques. Toutefois, par rapport aux caoutchoucs synthétiques, le caoutchouc naturel a des performances inférieures, notamment en ce qui concerne sa stabilité thermique et sa compatibilité avec les produits pétroliers. Le caoutchouc naturel a un large éventail d'applications, seul ou en combinaison avec d'autres matériaux. Il est surtout utilisé en raison de son taux d'étirement élevé, de sa grande résilience et de son étanchéité extrêmement élevée. Le point de fusion du caoutchouc se situe à environ 180°C (356°F).
Le tableau ci-dessous donne un aperçu des différents types de caoutchouc :
| ISO | Nom technique | Nom commun |
|---|---|---|
| ACM | Caoutchouc polyacrylate | |
| AEM | Caoutchouc éthylène-acrylate | |
| Au | Polyester Uréthane | |
| BIIR | Bromo Isobutylène Isoprène | Bromobutyle |
| BR | Polybutadiène | Buna CB |
| CIIR | Chloro Isobutylène Isoprène | Chlorobutyl, Butyl |
| CR | Polychloroprène | Chloroprène, Néoprène |
| CSM | Polyéthylène chlorosulfoné | Hypalon |
| ECO | Epichlorhydrine | ECO, Epichlorhydrine, Epichlore, Epichloridrine, Herclor, Hydrin |
| PE | Éthylène Propylène | |
| EPDM | Monomère éthylène-propylène-diène | EPDM, Nordel |
| L'UE | Polyéther Uréthane | |
| FFKM | Caoutchouc perfluorocarboné | Kalrez, Chemraz |
| FKM | Hydrocarbure fluoré | Viton, Fluorel |
| FMQ | Silicone fluoré | FMQ, caoutchouc de silicone |
| FPM | Caoutchouc fluorocarboné | |
| HNBR | Nitrile butadiène hydrogéné | HNBR |
| IR | Polyisoprène | Caoutchouc naturel (synthétique) |
| IIR | Isobutylène Isoprène Butyle | butyle |
| NBR | Acrylonitrile Butadiène | NBR, Nitrile, Perbunan, Buna-N |
| PU | polyuréthane | PU, Polyuréthane |
| SBR | Styrène Butadiène | SBR, Buna-S, GRS, Buna VSL, Buna SE |
| SEBS | Copolymère styrène-éthylène-butylène-styrène | Caoutchouc SEBS |
| Si | Polysiloxane | caoutchouc de silicone |
| VMQ | Silicone vinyle-méthyle | caoutchouc de silicone |
| XNBR | Acrylonitrile Butadiène Carboxy Monomère | XNBR, nitrile carboxylé |
| XSBR | Styrène Butadiène Carboxy Monomère | |
| YBPO | Thermoplastique Polyéther-ester | |
| YSBR | Copolymère bloc styrène-butadiène | |
| YXSBR | Copolymère bloc styrène-butadiène-carboxy |
SBR
Le caoutchouc styrène-butadiène (SBR) est un caoutchouc synthétique dérivé du styrène et du butadiène. Le styrène-butadiène renforcé se caractérise par une grande résistance à l'abrasion et de bonnes propriétés antivieillissement. Le rapport entre le styrène et le butadiène détermine les propriétés du polymère : une teneur élevée en styrène rend le caoutchouc plus dur et moins caoutchouteux.
Les limites du SBR non renforcé sont dues à sa faible résistance sans renfort, à sa faible résilience, à sa faible résistance à la déchirure (en particulier à haute température) et à sa faible adhésivité. C'est pourquoi des agents de renforcement et des charges sont nécessaires pour améliorer les propriétés du SBR. Par exemple, les charges de noir de carbone sont utilisées pour renforcer fortement la résistance à l'abrasion.
styrène
Styrène (C8H8) est connu sous divers termes tels que éthénylbenzène, vinylbenzène, phényléthène, phényléthylène, cinnamène, styrol, diarex HF 77, styrolène et styropol. Il s'agit d'un composé organique dont la formule chimique est C6H5CH=CH2. Le styrène est le précurseur du polystyrène et de plusieurs copolymères.
Il s'agit d'un dérivé du benzène qui se présente sous la forme d'un liquide huileux incolore qui s'évapore facilement. Le styrène a une odeur douce, qui se transforme à haute concentration en une odeur moins agréable.
En présence d'un groupe vinyle, le styrène forme un polymère. Les polymères à base de styrène sont produits commercialement pour obtenir des produits tels que le polystyrène, l'ABS, le caoutchouc styrène-butadiène (SBR), le latex styrène-butadiène, le SIS (styrène-isoprène-styrène), le S-EB-S (styrène-éthylène/butylène-styrène), le styrène-divinylbenzène (S-DVB), la résine styrène-acrylonitrile (SAN) et les polyesters insaturés qui sont utilisés dans les résines et les composés thermodurcissables. Ces matériaux sont des composants importants pour la production de caoutchouc, de plastique, d'isolation, de fibre de verre, de tuyaux, de pièces d'automobiles et de bateaux, de récipients alimentaires et d'endos de tapis.
Applications du caoutchouc
Le caoutchouc possède de nombreuses caractéristiques matérielles telles que la solidité, la longévité, la résistance à l'eau et à la chaleur. Ces propriétés rendent le caoutchouc très polyvalent, de sorte qu'il est utilisé dans de nombreuses industries. Le caoutchouc est principalement utilisé dans l'industrie automobile, notamment pour la production de pneus. D'autres caractéristiques telles que l'absence de glissement, la souplesse, la durabilité et la résilience font du caoutchouc un composite très utilisé pour la production de chaussures, de revêtements de sol, de fournitures médicales et de soins de santé, de produits ménagers, de jouets, d'articles de sport et de bien d'autres produits en caoutchouc.
Nano-Additifs et charges
Les charges et les additifs de taille nanométrique présents dans les caoutchoucs servent d'agents de renforcement et de protection pour améliorer la résistance à la traction, à l'abrasion, à la déchirure et à l'hystérésis, et pour protéger le caoutchouc contre la dégradation photo- et thermique.
Silice
La silice (SiO2Le dioxyde de silicium est utilisé sous de nombreuses formes telles que la silice amorphe, la silice pyrogénée, la fumée de silice, la silice précipitée pour améliorer les caractéristiques des matériaux en ce qui concerne les propriétés mécaniques dynamiques, la résistance au vieillissement thermique et la morphologie. Les composés remplis de silice présentent une viscosité et une densité de réticulation qui augmentent respectivement en fonction de la teneur en charge. La dureté, le module, la résistance à la traction et les caractéristiques d'usure ont été améliorés progressivement en augmentant la quantité de charge de silice.
noir de carbone
Le noir de carbone est une forme de carbone paracristallin à la surface duquel sont fixés des complexes d'oxygène chimiquement absorbés (tels que des groupes carboxyliques, quinoniques, lactoniques, phénoliques et autres). Ces groupes d'oxygène de surface sont généralement regroupés sous le terme de “complexes volatils”. En raison de cette teneur volatile, le noir de carbone est un matériau non conducteur. Les particules de noir de carbone fonctionnalisées avec des complexes carbone-oxygène sont plus faciles à disperser.
Le rapport surface-volume élevé du noir de carbone en fait une charge renforçante courante. Presque tous les produits en caoutchouc, pour lesquels la résistance à la traction et à l'abrasion est essentielle, utilisent du noir de carbone. La silice précipitée ou pyrogénée est utilisée comme substitut au noir de carbone lorsque le renforcement du caoutchouc est nécessaire mais que la couleur noire doit être évitée. Cependant, les charges à base de silice gagnent également des parts de marché dans les pneus automobiles, car l'utilisation de charges de silice permet de réduire la perte de roulement par rapport aux pneus remplis de noir de carbone.
Le tableau ci-dessous donne un aperçu des types de noir de carbone utilisés dans les pneus.
| Nom | Abbrev. | astm | Taille des particules nm | Résistance à la traction MPa | Abrasion relative du laboratoire | Abrasion relative due à l'usure de la route |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Four à super abrasion | SAF | N110 | 20-25 | 25.2 | 1.35 | 1.25 |
| Intermédiaire SAF | ISAF | N220 | 24-33 | 23.1 | 1.25 | 1.15 |
| Four à haute abrasion | HAF | N330 | 28-36 | 22.4 | 1.00 | 1.00 |
| Canal de traitement facile | CPE | N300 | 30-35 | 21.7 | 0.80 | 0.90 |
| Four d'extrusion rapide | FEF | N550 | 39-55 | 18.2 | 0.64 | 0.72 |
| Four à haut module | HMF | N660 | 49-73 | 16.1 | 0.56 | 0.66 |
| Four semi-renforçant | SRF | N770 | 70-96 | 14.7 | 0.48 | 0.60 |
| Thermique fine | FT | N880 | 180-200 | 12.6 | 0.22 | – |
| Moyennement thermique | MT | N990 | 250-350 | 9.8 | 0.18 | – |
oxyde de graphène
L'oxyde de graphène dispersé dans le SBR permet d'obtenir une résistance élevée à la traction et à la déchirure, ainsi qu'une résistance exceptionnelle à l'usure et au roulement, qui sont des propriétés matérielles importantes pour la fabrication des pneus. Le SBR renforcé par de l'oxyde de graphène et de la silice offre une alternative compétitive pour la production de pneus respectueux de l'environnement ainsi que pour la production de composites en caoutchouc à haute performance. Le graphène et l'oxyde de graphène peuvent être exfoliés avec succès, de manière fiable et facile sous sonication. Cliquez ici pour en savoir plus sur la fabrication du graphène par ultrasons !