การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการเสริมแรงระหว่างนาโนแคลเซียมคาร์บอเนต และซิลิกาในยางธรรมชาติ

Abstract

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพในการเสริมแรงระหว่างนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตและซิลิกา (ทั้งในกรณีที่มีและไม่มีการเติมสารคู่ควบไซเลน) ในยางธรรมชาติ โดยระหว่างกระบวนการผสมได้ทำการปรับเปลี่ยนปริมาณของสารตัวเติมตั้งแต่ 0 ถึง 40 phr สำหรับในกรณีที่มีการใช้ซิลิการ่วมกับสารคู่ควบไซเลน ได้ทำการเติมสารคู่ควบไซเลนลงไปในปริมาณร้อยละ 8 (โดยน้ำหนักของซิลิกา) หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการผสม ได้นำยางคอมพาวด์ส่วนหนึ่งไปทดสอบสมบัติในกระบวนการผลิต และนำยางคอมพาวด์ส่วนที่เหลือไปขึ้นรูปและคงรูปเพื่อทดสอบสมบัติเชิงกลต่าง ๆ ต่อไป จากการศึกษาพบว่าสารตัวเติมทั้ง 2 ชนิดส่งผลต่อสมบัติในกระบวนการผลิตของยางในลักษณะเดียวกัน กล่าวคือการเพิ่มปริมาณของสารตัวเติมจะส่งผลทำให้พลังงานที่ใช้ในการผสมและความหนืดของยางคอมพาวด์มีแนวโน้มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ ยังพบว่าการเพิ่มปริมาณสารตัวเติมดังกล่าวส่งผลทำให้ยางมีระยะเวลาสกอร์ช (tS1) และระยะเวลาในการคงรูปที่เหมาะสม (tC90) สั้นลงอีกด้วย อย่างไรก็ดี เนื่องจากนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตมีสภาพเป็นด่าง จึงส่งผลทำให้ยางคงรูปที่ได้มีระดับความหนาแน่นของการเชื่อมโยงสูงขึ้น ในขณะที่ซิลิกากลับส่งผลต่อระดับความหนาแน่นของการเชื่อมโยงในทิศทางตรงกันข้าม ทั้งนี้เนื่องจากบนพื้นผิวของซิลิกามีหมู่ไซลานอลที่สามารถดูดซับสารเร่งปฏิกิริยาการคงรูปนั่นเอง จากการศึกษาสมบัติเชิงกลของยางคงรูปพบว่าการเพิ่มปริมาณนาโนแคลเซียมคาร์บอเนตจะทำให้สมบัติเชิงกลส่วนใหญ่ของยางด้อยลง (ยกเว้นสมบัติความทนทานต่อการฉีกขาด) ในขณะที่การเพิ่มปริมาณซิลิกาจะช่วยปรับปรุงสมบัติเชิงกลของยางให้ดีขึ้น จากการที่ซิลิกามีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงกว่านาโนแคลเซียมคาร์บอเนตค่อนข้างมาก ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบที่ปริมาณการเติมเท่ากันจึงพบว่าซิลิกาสามารถเสริมแรงให้กับยางได้ดีกว่านาโนแคลเซียมคาร์บอเนต นอกจากนี้ยังพบว่าการใช้ซิลิการ่วมกับสารคู่ควบไซเลนจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเสริมแรงของซิลิกาให้สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เพราะสารคู่ควบไซเลนนอกจากจะช่วยลดการดูดซับสารเร่งปฏิกิริยาการคงรูปและทำให้ซิลิกาเกิดการแตกตัวได้ดีขึ้นแล้ว ยังช่วยเพิ่มอันตรกิริยาระหว่างยางและซิลิกาให้สูงขึ้นอีกด้วย This paper compares reinforcing efficiency between nano-calcium carbonate and silica (with and without the presence of silane coupling agent) in natural rubber. During mixing, the filler content was varied from 0 to 40 phr. In the case of silane-treated silica, 8% (by weight of silica) of silane coupling agent was added into the rubber compound. After mixing, a portion of the rubber compound was used for the processability determination. The rest of the compound was then shaped and vulcanized for further tests. The results reveal that both types of filler affect processability in the same manners, i.e., increasing filler content would lead to increases in mixing energy and compound viscosity. In addition, both scorch time and optimum curing time are found to decrease continuously with increasing filler content. However, the two types of filler affect crosslink density differently. Since nano-calcium carbonate is basic in nature, it enhances crosslink density whereas silica gives opposite results due to the retardation effect given by the presence of silanol groups on its surface leads to accelerator adsorption. According to the mechanical property results, it is found that the addition of nano-calcium carbonate gives rise to the deterioration of most properties (except tear strength) whereas the addition of silica leads to property improvement. At a given loading, silica gives significantly greater reinforcement than nano-calcium carbonate due to its higher specific surface area. The results also reveal that the reinforcing efficiency of silica is significantly increased in the presence of silane coupling agent. This is simply due to the ability of silane coupling agent to reduce accelerator adsorption and enhance both filler dispersion and rubber-filler interaction.