Чисельне та експериментальне дослідження впливу нанооксиду цинку на механічні властивості композитів хлоропрену та натурального каучуку (CR/NR)

Автор(и)

  • Е. Нджім Міністерство промисловості та мінералів, Державна компанія гумової та шинної промисловості, Ірак
  • Ф.А. Хаді Технологічний університет, Ірак
  • М.Н. Хамзах Кафедра механічної інженерії, університет технологій, Ірак
  • Н.А. Алхайло Міністерство промисловості та мінералів, Державна компанія гумової та шинної промисловості, Ірак
  • М.Х. Ал-Мааморі Кафедра біомедичної інженерії, Інженерний факультет, Університет Аль-Мустакбал, Ірак

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.14-25

Ключові слова:

природній каучук, хлоропреновий каучук, наночастинки, механічні властивості, гіперпружні моделі

Анотація

Нанокомпозити, особливо природній каучук (NR), ретельно вивчалися на предмет їх унікальних властивостей і прекрасних характеристик у шинах. У цьому дослідженні досліджено вплив наночастинок оксиду цинку (ZnO) на продуктивність типових ротаційних машинних ущільнювачів, виготовлених із композитів хлоропренового каучуку/природнього каучуку (CR/NR). Для приготування високотемпературних вулканізованих зразків CR/NR, наповнених наночастинками ZnO, використовували звичайний стандартний двовалковий млин і гідравлічний прес. Щоб визначити вплив наночастинок на ці фізичні та механічні властивості, вимірювали міцність на розрив, опір розриву, опір стиранню, пружність і твердість. На основі різних схем гіперпружного моделювання спостерігалося покращення багатьох характеристик контрольного зразка, зокрема таких, як властивості відновлення. Крім того, результати показують, що збільшення вмісту наночастинок у вулканізатах підвищило фізико-механічні характеристики, такі як твердість, пружність, міцність на розрив і модуль пружності при деформації на 200%. Гіпереластичне аналітичне моделювання показло, що відмінності від експериментальних результатів становлять менше 5%.

Біографії авторів

Ф.А. Хаді, Технологічний університет, Ірак

 

 

М.Н. Хамзах, Кафедра механічної інженерії, університет технологій, Ірак

 

 

 

Н.А. Алхайло, Міністерство промисловості та мінералів, Державна компанія гумової та шинної промисловості, Ірак

 

 

Посилання

M. J. Azizli, S. Rezaeinia, K. Rezaeeparto, M. Mokhtary, and F. Askari, Enhanced compatibility, morphology, rheological and mechanical properties of carboxylated acrylonitrile butadiene rubber/chloroprene rubber/graphene nanocomposites: effect of compatibilizer and graphene content, RSC Advances, 10, 11777 (2020); https://doi.org/10.1039/D0RA00517G.

M.J. Jweeg, E.K. Njim, O.S. Abdullah, M.A. Al-Shammari, M. Al-Waily, and S.H. Bakhy, Free Vibration Analysis of Composite Cylindrical Shell Reinforced with Silicon Nano-Particles: Analytical and FEM Approach, Physics and Chemistry of Solid State, 24 (1), 26 (2023); https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.26-33.

H. Raad, E.K. Njim, M.J. Jweeg, and M. Al-Waily, Sandwiched Plate Vibration Analysis with Open and Closed Lattice Cell Core, Physics and Chemistry of Solid State, 24(2). 312 (2023); https://doi.org/10.15330/pcss.24.2.312-322.

M. Al-Waily, H. Raad, and E.K. Njim, Free Vibration Analysis of Sandwich Plate-Reinforced Foam Core Adopting Micro Aluminum Powder, Physics and Chemistry of Solid State, 23(4), 659 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.659-668.

J.K. Oleiwi1, N.D. Fahad, M.M. Abdulridha, et al., Laser Treatment Effect on Fatigue Characterizations for Steel Alloy Beam Coated with Nanoparticles, International Journal of Nanoelectronics and Materials, 16, 105 (2023).

M. Al-Shablle, E.K. Njim, M.J. Jweeg, and M. Al-Waily, Free vibration analysis of composite face sandwich plate strengthens by Al2O3 and SiO2 nanoparticles materials, Diagnostyka, 24(2), 2023205 (2023); https://doi.org/10.29354/diag/162580.

Y. Fan, G.D. Fowler, and M. Zhao, The past, present and future of carbon black as a rubber reinforcing filler – A review, Journal of Cleaner Production, 247. 119115 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119115.

C. Dwivedi, S. Manjare, S. K. Rajan, and M. Singh, Elucidating the effects of surface and internal oxidation on material properties of carbon black, Surfaces and Interfaces, 42 (A), 103324 (2023); https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103324.

M. Lin et al., Effects of carboxymethyl chitosan-assisted dispersion of silica on interface and mechanical properties of rubber composites, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 656. 130525 (2023); https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.130525.

X. Wang et al., Effect of zinc oxide/layered double hydroxide on the mechanics of silicone rubber at low temperature, European Polymer Journal. Elsevier BV, 112478, Oct. (2023); https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.112478.

J. Supramaniam, D.Y.S. Low, S.K. Wong, B.F. Leo, B.H. Goh, and S.Y. Tang, Nano-engineered ZnO/CNF-based epoxidized natural rubber with enhanced strength for novel Self-healing glove fabrication, Chemical Engineering Journal, 437, 135440 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135440.

D.K. Sharma, S. Shukla, K.K. Sharma, and V. Kumar, A review on ZnO: Fundamental properties and applications, Materials Today: Proceedings, 49. Elsevier BV, 3028 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.238.

Z. Yan, A. Zaoui, and F. Zaïri, Physical and mechanical properties of vulcanized and filled rubber at high strain rate, Chinese Journal of Physics, 86. Elsevier BV, 12 (2023); https://doi.org/10.1016/j.cjph.2023.09.010.

P.M. SABURA BEGUM, Studies on the use of nano zinc oxide and modified silica in NR, CR and SBR, Department of Applied Chemistry Cochin University of Science and Technology, chapter 5, 90 (2009).

G. Heideman, Reduced Zinc oxide levels in Sulphur Vulcanization of Rubber Compounds, Doctorate thesis, University of Twente, Enschede, (2004).

S. Sahoo, M. Maiti, A. Ganguly, J. G. Jacob, and K. A. Bhowmick, Effect of zinc oxide nanoparticles as cure activator on the properties of natural rubber and nitrile rubber, Journal of Applied Polymer Science, 105 (4), 2407 (2007); https://doi.org/10.1002/app.26296.

I.-J. Kim, W.-S. Kim, D.-H. Lee, W. Kim, and J.-W. Bae, Effect of nano zinc oxide on the cure characteristics and mechanical properties of the silica-filled natural rubber/butadiene rubber compounds, Journal of Applied Polymer Science, (2010); https://doi.org/10.1002/app.31996.

K. Anand, S. Varghese, and T. Kurian, Effect of Micro and Nano Zinc Oxide on the Properties of Pre-Vulcanized Natural Rubber Latex Films, Progress in Rubber, Plastics, and Recycling Technology, 31(3), 145–156(2015); https://doi.org/10.1177/147776061503100301

Y. Lin et al., Effect of ZnO nanoparticles doped graphene on static and dynamic mechanical properties of natural rubber composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 70. Elsevier BV, 35 (2015); https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.12.008.

R.A. Nassif, R.H. Hilal, and R.M. Salih, Preparation and characterisation of polymer blends reinforced with nano-ZnO and study the thermal and electrical properties for industrial applications, Kuwait Journal of Science. Elsevier BV, Sep. (2023); https://doi.org/10.1016/j.kjs.2023.09.003.

P. Kaliyappan, M. Dhananchezian, and K. Rajkumar, Utilization of waste tyre rubber and Carbon black to develop a neoprene rubber hybrid composite, Materials Today: Proceedings, 27(2), 724 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.11.307.

V. Kumar, M.N. Alam, A. Manikkavel, M. Song, D.-J. Lee, and S.-S. Park, Silicone Rubber Composites Reinforced by Carbon Nanofillers and Their Hybrids for Various Applications: A Review, Polymers, 13 (14), (2021); https://doi.org/10.3390/polym13142322.

D.E. El-Nashar, M.A. Aly, M.A. Ashmawy, and W.R. Agami, Enhancing the magnetization, electric resistivity and mechanical properties of silicone rubber loaded by Co-Zn ferrite nanoparticles as filler, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 553, (2022); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169252.

S. Karthikeyan, M. Rajasimman, V. Pragathish, K. Senthilvel and B. Prabu, A review on the effect of various nanofillers on the mechanical properties and thermal stability of chloroprene rubber composites, Materials Today: Proceedings, 68, 2560 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.09.416.

S. Salkhi Khasraghi, M. Momenilandi, and A. Shojaei, Tire tread performance of silica-filled SBR/BR rubber composites incorporated with nanodiamond and nanodiamond/nano-SiO2 hybrid nanoparticle, Diamond and Related Materials, 126, (2022); https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109068.

X. Xie and D. Yang, Multi-functionalization of Al2O3 nanoparticles for enhancing thermal conductivity of epoxy natural rubber composites, Applied Surface Science, 602, (2022); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154335.

Z. Yu, T. Lu, T., X. Zengnian, G. Fangfang, L. Guijin, C. Nan, and D. Guoping, Ti3C2Tx MXene-Ag/silicone rubber composites with enhanced dielectric properties and improved mechanical properties, Journal of Alloys and Compounds, 930, (2023); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167419.

W. Yanan, S. Junying, W. Dongye, W. Li, H. Pingan, P. Jianfeng, and Z. Hong, Oriented molybdenum disulfide-silica/hydrogenated nitrile butadiene rubber composites: Effects of nanosheets on mechanical and dielectric properties, Chinese Journal of Aeronautics, 36 (1), 413 (2022); https://doi.org/10.1016/j.cja.2022.06.007.

M. Al-Shablle, M. Al-Waily, and E. K. Njim, Analytical evaluation of the influence of adding rubber layers on free vibration of sandwich structure with presence of nano-reinforced composite skins, Archives of Materials Science and Engineering, 116 (2), 57 (2022); https://doi.org/10.5604/01.3001.0016.1190.

E.K. Njim, S.H. Bakhy, and M. Al-Waily, Experimental and numerical flexural analysis of porous functionally graded beams reinforced by (Al/Al2O3) nanoparticles, International Journal of Nanoelectronics and Materials, 15 (2), 91 (2022).

C. Tan et al., Graphene nanoplatelets/barium titanate hybrid nanoparticles via ball milling for enhanced dielectric and mechanical properties of fluorosilicone rubber composites, Ceramics International, 49 (6), 9017 (2023); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.057.

J. Qiu, K. Zhang, and L. Yan, Mercaptopropyl-doped ultra-small silica modified GO nanosheets to enhance mechanical properties of nitrile butadiene rubber, polymer, 243, 124627 (2022); https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.124627.

G. Chen, A. Vahidifar, S. Yu, and T. H. Mekonne, Optimization of silane modification and moisture curing for EPDM toward improved physicomechanical properties, Reactive and Functional Polymers, 182 (2023); https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2022.105467

X. Yao, H. Xu, and T. Xu, Mechanical properties and enhancement mechanisms of cold recycled mixture using waterborne epoxy resin/styrene butadiene rubber latex modified emulsified asphalt, Construction and Building Materials, 352, (2022); https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129021.

H. Yangthong, P. Nun-anan, P. Faibunchan, S. Karrila, and S. Limhengha, The enhancement of cure and mechanical properties of natural rubber vulcanizates with waste Aquilaria crassna wood, Industrial Crops, and Products, 171, (2021); https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113922.

A. Raveshtian, M. Fasihi, R. Norouzbeigi, and S. Rasouli, Curing and thermal degradation reactions of Nano-Alumina filled natural rubber latex foams, Thermochimica Acta, 707, (2022); https://doi.org/10.1016/j.tca.2021.179108.

A. Raveshtian, M. Fasihi, R. Norouzbeigi, and S. Rasouli, The influence of Dunlop and air microbubbling manufacturing methods on the physical, microstructural, and mechanical properties of nano-alumina filled natural rubber latex foam, Express Polymer Letters; Budapest, 16 (6), 649 (2022); https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2022.47.

L. Kong, Y. Zhu, G. Huang, and J. Wu, Carbon nanodots as dual role of crosslinking and reinforcing chloroprene rubber, Composites Communications, 22. Elsevier BV, p. 100441, Dec. (2020); https://doi.org/10.1016/j.coco.2020.100441.

P. Naphon, S. Wiriyasart, and N. Naphon, Thermal, mechanical, and electrical properties of rubber latex with TiO2 nanoparticles, Composites Communications, 22, (2020); https://doi.org/10.1016/j.coco.2020.100449.

Bindu, P., George, S. M., Ramya, P., Ranganathaiah, C., and Thomas, S., Role of nano zinc oxide in the vulcanization of natural rubber, Plastics Research Online Journal, 1 (2013); 10.2417/spepro.004655-Society of Plastics Engineers (SPE), https://doi.org/10.30572/2018/KJE/090105.

B. Panampilly, and S. Thomas, Nano ZnO as cure activator and reinforcing filler in natural rubber, Polym. Eng. Sci., 53, 1337 (2013).

Y.R. Somarathna, I.H.K. Samarasinghe, S. Siriwardena, D. De Silva, and D. V. D. Mallikarachchi, Effect of nanoZnO over conventional ZnO on preservation of concentrated natural rubber latex, Journal of the Rubber Research Institute of Sri Lanka, 98, 65 (2018); http://doi.org/10.4038/jrrisl.v98i0.1876.

A. Smejda-Krzewicka, P. Rybiński, W. Żukowski, D. Bradło, K. Wencel, and G. Berkowicz-Płatek, Cross-Linking Characteristics, Morphology, Dynamics, and Mechanical and Thermal Properties of Polychloroprene/Polybutadiene/Nano-Zinc (CR/BR/nZn) Compositions with Reduced Fire Hazard, Materials, 16 (17), 5804 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16175804.

S.A. V. Dananjaya, Y.R. Somarathna, L. Karunanayake, and S. Siriwardena, Waste mica as filler for natural rubber latex foam composites, Journal of Polymer Research, 29 (71), (2022); https://doi.org/10.1007/s10965-022-02930-w.

A.M. Enew, M.A. Elfattah, S.R. Fouda, and S.A. Hawash, Effect of aramid and carbon fibers with nano carbon particles on the mechanical properties of EPDM rubber thermal insulators for solid rocket motors application, Polymer Testing, 103, (2021); https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2021.107341.

H. Junaedi, M. Baig, A. Dawood, E. Albahkali, and A. Almajid, Mechanical and physical properties of short carbon fiber and nanofiller-reinforced polypropylene hybrid nanocomposites, Polymers, 12, 2851 (2020); https://doi.org/10.3390/polym12122851.

N. Rasana, S. Murugan, G. Rammanoj, T. Hariprasanth, K. ArunKumar, and K. Jayanarayanan, The Effect of Different Nanofillers on the Morphology, Mechanical, Sorption, and Thermal Properties of Polypropylene-based Hybrid Composites, Mater. Today Proc., 24, 1273 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.442.

Q.H. Jebur, M.J. Jweeg, and M. Al-Waily, Ogden model for characterising and simulation of PPHR Rubber under different strain rates, Australian Journal of Mechanical Engineering, 21(3), 911 (2021); https://doi.org/10.1080/14484846.2021.1918375.

Q.H. Jebur, M. . Jweeg, M. Al-Waily, Y. . Ahmad, and K.K Resan, Hyperelastic models for the description and simulation of rubber subjected to large tensile loading, Archives of Materials Science and Engineering, 108 (2), 75 (2021); https://doi.org/10.5604/01.3001.0015.0256.

P. Begum, K. Yusuff, and R. Joseph, Preparation and Use of Nano Zinc Oxide in Neoprene Rubber, International Journal of Polymeric Materials, Taylor & Francis, 57(12), 1083 (2008).

F. Hadi, and R. Kadhim, A Study of the Effect of Nano Zinc Oxide on Cure Characteristics and Mechanical Properties of Rubber Composites, Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 1234, (2019).

S. Sahoo, S. Kar, A. Ganguly, M. Maiti, and A. Bhowmick, Synthetic Zinc Oxide Nanoparticles as Curing Agent for Polychloroprene, Polymers & Polymer Composites, Smithers Rapra Technology, 16 (3), 193 (2008).

P. Pornprasit, W. Pechurai, N. Chiangraeng, C. Randorn, N. Chandet, P. Mungkornasawakul, and P. Nimmanpipug, Nanomodified ZnO in Natural Rubber and Its Effects on Curing Characteristics and Mechanical Properties, Chiang Mai Journal of Science, Faculty of Science, Chiang Mai University, 45 (5), 2195 (2018).

S. Q. Mohammed, A. A. Alhumdany, and M. L. Al-Waily, Effect of Nano Zinc Oxide on Tensile Properties of Natural Rubber Composite, Kufa Journal of Engineering, 9(1), 77 (2018).

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-02-04

Як цитувати

Нджім, Е., Хаді, Ф., Хамзах, М., Алхайло, Н., & Ал-Мааморі, М. (2024). Чисельне та експериментальне дослідження впливу нанооксиду цинку на механічні властивості композитів хлоропрену та натурального каучуку (CR/NR). Фізика і хімія твердого тіла, 25(1), 14–25. https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.14-25

Номер

Розділ

Фізико-математичні науки