ミネラルフィラー構造のその場修飾による水応答性・力学的適応性天然ゴム複合材料

Water-Responsive and Mechanically Adaptive Natural Rubber Composites by in Situ Modification of Mineral Filler Structures.

• Shib Shankar Banerjee
• Sakrit Hait
• Tamil Selvan Natarajan
• Sven Wießner
• Klaus Werner Stöckelhuber
• Dieter Jehnichen
• Andreas Janke
• Dieter Fischer
• Gert Heinrich
• James Jc Busfield
• Amit Das

抄録

本論文では、水処理によって機械的特性が変化する新しい生体刺激応答性適応型エラストマー材料を報告する。この材料は、硫酸カルシウム(CaSO)を充填した複合材料とエポキシ化天然ゴム(ENR)マトリックスである。CaSOが水和される際に生じる様々な相変態過程を利用して、架橋されたENRマトリックス中にCaSO-xHOのいくつかの異なる結晶構造を開発することができる。水処理した複合材料では、機械的および熱的特性が大幅に改善されることが確認されました。未処理サンプルと比較すると、動的弾性率は約100%増加している。最大劣化率温度を約20℃上昇させることで、複合材料の熱安定性も改善された。このような挙動の変化は、ENRマトリックス中のナノサイズのCaSO粒子の水和結晶構造がその場で発達した結果であり、ラマン分光法,透過型電子顕微鏡,原子間力顕微鏡,X線散乱を用いて検証されている。この成果は、環境に優しい方法で次世代の機械的適応性エラストマー材料を開発するための有望で比較的簡単な道筋を提供しており、最終的には革新的な生分解性・生体適合性のあるスマートポリマー材料へと開発される可能性がある。

A new biomimetic stimuli-responsive adaptive elastomeric material, whose mechanical properties are altered by a water treatment is reported in this paper. This material is a calcium sulphate (CaSO) filled composite with an epoxidized natural rubber (ENR) matrix. By exploiting various phase transformation processes that arise when CaSO is hydrated, several different crystal structures of CaSO· xHO can be developed in the cross-linked ENR matrix. Significant improvements in the mechanical and thermal properties are then observed in the water-treated composites. When compared with the untreated sample, there is approximately 100% increase in the dynamic modulus. The thermal stability of the composites is also improved by increasing the maximum degradation rate temperature by about 20 °C. This change in behavior results from an in situ development of hydrated crystal structures of the nanosized CaSO particles in the ENR matrix, which has been verified using Raman spectroscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, and X-ray scattering. This work provides a promising and relatively simple pathway for the development of next generation of mechanically adaptive elastomeric materials by an eco-friendly route, which may eventually also be developed into an innovative biodegradable and biocompatible smart polymeric material.