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Detailed understanding of the carbon black–polymer interface in filled rubber composites

天然橡胶 炭黑 聚合物 丁苯橡胶 材料科学 甲苯 溶剂 复合材料 解吸 萃取(化学) 苯乙烯 高压灭菌器 聚合物混合物 化学 共聚物 有机化学 吸附 冶金
作者
Lucas A. Wilke,Christopher G. Robertson,Daniel A. Karsten,Ned J. Hardman
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:201: 520-528 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2022.09.032
摘要

To characterize the nature of the interface between styrene-butadiene rubber (SBR) and carbon black (CB) in a filled rubber compound, we introduce an extraction protocol that uses toluene solvent in a high-pressure autoclave with sequential temperature steps of 90, 110, and 150 °C. This new approach removes unbound and physically bound (physisorbed) polymer from the CB-filled SBR compound to leave only chemically bound polymer which is 0.86% (0.0172 g polymer/g CB) and not zero as implied from extrapolating prior literature results. Rheological time sweeps on the unfilled gum SBR indicate that significant crosslinking can occur during annealing at 150 °C for this unsaturated polymer. This was the motivation for using the sequential extraction procedure versus direct extraction at 150 °C which gives a nearly six-fold higher amount of unextracted polymer due to such crosslinking. Analysis of the temperature dependence of bound rubber from 23 to 150 °C indicates that the physical interactions between the polymer and CB surface have a weaker component with a desorption energy ( E d ) of 6.8 kJ/mol and a stronger component with E d = 90.7 kJ/mol, the latter requiring an extraction temperature of 110 °C to remove the majority of it from the CB. • A new solvent extraction method quantified chemically bound rubber as 0.0172 g SBR/g CB, corresponding to an estimated 31 attached polymer chains per carbon black aggregate. • Weaker (6.8 kJ/mol) and stronger (90.7 kJ/mol) types of physical interactions between polymer chains and CB surfaces were distinguished. • The traditional process of evaluating bound rubber at room temperature gives a convoluted measure of chemical and physical interactions.
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