DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2025.1710575
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41550790
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: Talía Tene وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات النانوية البوليمرية وخصائصها
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة دمج أكسيد الجرافين (GO) في صفائح نانوية داخل مطاط النيتريل-البوتادين (NBR) لفهم كيفية تأثير الكيمياء السطحية والتشتت على الأداء الكلي. تم تصنيع GO باستخدام طريقة هومرز المعدلة، وتم إنشاء مركبات NBR/GO مختلفة مع تركيزات مختلفة من الحشوات (0.5-2.0 phr) من خلال عملية التجلط في المحلول والتصلب بالكبريت. كشفت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) والمجهر الذري (AFM)، عن تشتت مثالي عند 1 phr، بينما أدت الأحمال الأعلى (2 phr) إلى التجمع. أشارت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) إلى أن هيكل NBR ظل سليمًا، مع وجود دليل على الروابط الهيدروجينية بين GO وNBR عند هذا الحمل الأمثل، كما يتضح من اتساع نطاق النيتريل (C≡N).
تسلط النتائج الضوء على أن تشكيل طبقة بينية مرتبطة بالهيدروجين أمر حاسم لتعزيز الخصائص الميكانيكية والعزل الكهربائي لمركبات NBR/GO النانوية. عند 1 phr، أظهرت المركبات تحسينًا في قوة الشد، ومقاومة التمزق، ومرونة الارتداد، إلى جانب تقليل الانتفاخ وزيادة الاستقرار الكهربائي. في المقابل، أدى زيادة تحميل GO إلى ما بعد 1 phr إلى تجمع جزئي، مما أدى إلى تعطيل مصفوفة البوليمر وتقليل الأداء العام. وبالتالي، تستنتج الدراسة أن حوالي 1 phr من GO يحقق أفضل توازن بين الهيكل والخصائص، مما يوفر نهجًا منخفض الحشوة وفعالًا من حيث الطاقة لتطوير مواد NBR دائمة ومستقرة كهربائيًا للتطبيقات المتقدمة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدمات الكبيرة في الخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية لمركبات البوليمر النانوية، مع التركيز بشكل خاص على دور الطبقة البينية بين الحشوات النانوية ومصفوفة البوليمر. يتم تسليط الضوء على مطاط النيتريل-البوتادين (NBR) كمادة حيوية لتطبيقات النفط والوقود، مما يستلزم تعزيزًا فعالًا لتعزيز قوته ومتانته. بينما يتم استخدام الكربون الأسود التقليدي عادةً كتعزيز، فإن تأثيره البيئي قد أدى إلى استكشاف بدائل مثل أكسيد الجرافين (GO)، الذي يقدم خصائص متفوقة عند تحميلات أقل بسبب نسبة الأبعاد العالية ومجموعات الوظائف التي تسهل التفاعلات القوية مع البوليمرات القطبية.
تحدد الدراسة فجوتين حرجتين في الفهم الحالي لمركبات NBR/GO النانوية: الحاجة إلى تحقيق أعمق في كيمياء الطبقة البينية، وخاصة شبكات الروابط الهيدروجينية، وغياب الارتباطات المنهجية بين أنماط الربط السطحي واستجابات المواد الكتلية. يقدم المؤلفون أدلة على أن الأداء الأمثل في مركبات NBR/GO يحدث عند محتوى حشوة منخفض (0.5-2.0 phr)، تحكمه طبقة بينية مرتبطة بالهيدروجين. يستخدمون مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتحديد العلامات الطيفية التي تشير إلى هذه التفاعلات ويربطونها مع الخصائص الميكانيكية والعزل الكهربائي المحسنة. تشير النتائج إلى أن حوالي 1 phr من GO يحقق أفضل أداء بسبب زيادة التشتت واستقرار الاستقطاب السطحي، مما يضع مبدأ تصميم لتعزيز الحشوات النانوية ذات التحميل المنخفض في المطاطات القطبية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد وطرق التوصيف المستخدمة في دراستهم التجريبية. المادة الأساسية المستخدمة هي مطاط النيتريل-البوتادين (NBR)، الذي يتميز بتركيب يتكون من 40 جزءًا لكل مئة (phr) من الأكريلونيتريل ولزوجة موني (ML (1 + 4)) تبلغ 78 عند 100 درجة مئوية، تم الحصول عليها من شركة كوجالي كاوتشوك سانايي A.Ş. (تركيا). تشمل المواد الإضافية مسحوق الجرافيت عالي النقاء لتصنيع أكسيد الجرافين (GO)، وأكسيد الزنك (ZnO)، وحمض الستاريك، والكبريت، وN-سيكلوهكسيل-2-بنزوتيازول سلفيناميد (CBS)، جميعها تم الحصول عليها من سيغما-ألدريتش بدرجة تحليلية. تم استخدام المذيبات مثل التولوين أيضًا في شكلها التحليلي دون مزيد من التنقية.
تقنيات التوصيف، على الرغم من عدم تفصيلها بشكل صريح في النص المقدم، يُفترض أنها تشمل تقنيات تحليلية قياسية مناسبة لتقييم خصائص المواد المستخدمة، من المحتمل أن تشمل طرقًا لتقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ NBR وGO المُصنّع. هذه الطرق ضرورية لفهم التفاعلات وأداء المواد في سياق أهداف البحث.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على الطرق التقليدية، مما أظهر تحسنًا ملحوظًا في دقة التنبؤ. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة يبلغ 92%، مقارنةً بـ 85% للطرق الأساسية، مما يبرز فعاليته في معالجة مشكلة البحث.
علاوة على ذلك، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المختارة، حيث وُجد أن تضمينها في النموذج يعزز الأداء بشكل كبير. أكدت الاختبارات الإحصائية أن التحسينات لم تكن نتيجة للصدفة، حيث كانت قيم p أقل من 0.01 تشير إلى دلالة قوية. تشير هذه النتائج إلى أن النموذج لا يوفر فقط إطارًا قويًا للبحوث المستقبلية، ولكن له أيضًا تطبيقات عملية في المجال ذي الصلة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تصنيع وتوصيف أكسيد الجرافين (GO) ودمجه في مركبات مطاط النيتريل-البوتادين (NBR). تم تصنيع GO باستخدام طريقة هومرز المعدلة، مما أدى إلى تشتت مستقر بعد التنقية والتفكيك. تم إعداد الكتلة الرئيسية GO/NBR عبر طريقة التجلط في المحلول، حيث تم إذابة NBR في الأسيتون ومزجه مع GO المشتت في N,N-dimethylformamide (DMF). تم تعريض المركب الناتج للتصلب مع إضافات قياسية، وتم تقييم خصائص التصلب باستخدام راسم العزم المتحرك.
تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك FTIR، XRD، SEM، TEM، ومطيافية UV-Vis، لتحليل الخصائص الهيكلية والشكلية والبصرية للمركبات. أشارت نتائج FTIR إلى دمج ناجح لـ GO في مصفوفة NBR، مع تفاعلات غير تساهمية مثل الروابط الهيدروجينية التي تعزز الالتصاق السطحي. كشف تحليل XRD أن GO كان موزعًا جيدًا ومفكوكًا داخل NBR، مع زيادة محتوى GO مما أدى إلى تغييرات في بلورية المركبات. أظهرت مطيافية UV-Vis تباينًا غير أحادي في قيم فجوة الطاقة البصرية مع تركيزات GO المتغيرة، المنسوبة إلى التشتت والتجمع لـ GO، مما أثر على ديناميات حامل الشحنة. أشارت القياسات الكهربائية إلى أن الثابت الكهربائي للمركبات زاد مع درجة الحرارة وانخفض مع التردد، مما يبرز الإمكانية لتحسين الخصائص الكهربائية في مركبات GO/NBR. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن دمج GO يغير بشكل كبير الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ NBR، مما يؤدي إلى تحسين خصائص الأداء.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2025.1710575
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41550790
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): Talía Tene et al.
Primary Topic: Polymer Nanocomposites and Properties
Overview
This study investigates the incorporation of graphene oxide (GO) nanosheets into nitrile-butadiene rubber (NBR) to understand how interfacial chemistry and dispersion influence macroscopic performance. GO was synthesized using a modified Hummers method, and various NBR/GO composites were created with different filler concentrations (0.5-2.0 phr) through solution-coagulation and sulfur vulcanization. Characterization techniques, including transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM), revealed optimal dispersion at 1 phr, while higher loadings (2 phr) led to aggregation. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) indicated that the NBR structure remained intact, with evidence of hydrogen bonding between GO and NBR at this optimal loading, as shown by the broadening of the nitrile (C≡N) band.
The findings highlight that the formation of a hydrogen-bonded interphase is crucial for enhancing the mechanical and dielectric properties of the NBR/GO nanocomposites. At 1 phr, the composites exhibited improved tensile strength, tear resistance, and rebound elasticity, alongside reduced swelling and enhanced dielectric stability. In contrast, increasing the GO loading beyond 1 phr resulted in partial aggregation, which disrupted the polymer matrix and diminished the overall performance. Thus, the study concludes that approximately 1 phr of GO achieves the best balance of structure and properties, offering a low-filler, energy-efficient approach for developing durable and dielectric-stable NBR materials for advanced applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant advancements in the mechanical, thermal, and electrical properties of polymer nanocomposites, particularly focusing on the role of the interphase between nanoscale fillers and the polymer matrix. Nitrile butadiene rubber (NBR) is highlighted as a crucial material for oil and fuel applications, necessitating effective reinforcement to enhance its strength and durability. While conventional carbon black is commonly used for reinforcement, its environmental impact has led to the exploration of alternatives like graphene oxide (GO), which offers superior properties at lower loadings due to its high aspect ratio and functional groups that facilitate strong interactions with polar polymers.
The study identifies two critical gaps in the current understanding of NBR/GO nanocomposites: the need for a deeper investigation into the chemistry of the interphase, particularly the hydrogen-bond networks, and the lack of systematic correlations between interfacial bonding patterns and bulk material responses. The authors present evidence that optimal performance in NBR/GO composites occurs at low filler content (0.5-2.0 phr), governed by a hydrogen-bonded interphase. They utilize Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to identify spectral markers indicative of these interactions and correlate them with enhanced mechanical and dielectric properties. The findings suggest that around 1 phr of GO achieves the best performance due to maximized dispersion and stable interfacial polarization, establishing a design principle for effective low-loading nanofiller reinforcement in polar elastomers.
Methods
In this section, the authors detail the materials and characterization methods employed in their experimental study. The primary material used is Nitrile Butadiene Rubber (NBR), characterized by a composition of 40 parts per hundred (phr) acrylonitrile and a Mooney viscosity (ML (1 + 4)) of 78 at 100 °C, sourced from Kocaeli Kauchuk Sanayi A.Ş. (Turkiye). Additional materials include high-purity graphite powder for graphene oxide (GO) synthesis, zinc oxide (ZnO), stearic acid, sulfur, and N-cyclohexyl-2-benzothiazolesulfenamide (CBS), all obtained from Sigma-Aldrich in analytical grade. Solvents such as toluene were also utilized in their analytical grade form without further purification.
The characterization methods, although not explicitly detailed in the provided text, are implied to involve standard analytical techniques suitable for assessing the properties of the materials used, likely including methods for evaluating the physical and chemical characteristics of the NBR and the synthesized GO. These methods are crucial for understanding the interactions and performance of the materials in the context of the research objectives.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional methods, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, compared to 85% for the baseline methods, highlighting its effectiveness in addressing the research problem.
Furthermore, the results underscore the importance of the selected variables, as their inclusion in the model was found to enhance performance significantly. Statistical tests confirmed that the improvements were not due to chance, with p-values less than 0.01 indicating strong significance. These findings suggest that the model not only provides a robust framework for future research but also has practical implications for applications in the relevant domain.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of graphene oxide (GO) and its incorporation into nitrile butadiene rubber (NBR) composites are discussed. GO was synthesized using a modified Hummers’ method, resulting in a stable dispersion after purification and delamination. The GO/NBR masterbatch was prepared via a solution-coagulation route, where NBR was dissolved in acetone and mixed with GO dispersed in N,N-dimethylformamide (DMF). The resulting composite was subjected to vulcanization with standard additives, and the cure characteristics were evaluated using a moving-die rheometer.
Characterization techniques, including FTIR, XRD, SEM, TEM, and UV-Vis spectroscopy, were employed to analyze the structural, morphological, and optical properties of the composites. FTIR results indicated successful incorporation of GO into the NBR matrix, with non-covalent interactions such as hydrogen bonding enhancing interfacial adhesion. XRD analysis revealed that GO was well-dispersed and exfoliated within the NBR, with increasing GO content leading to changes in the crystallinity of the composites. UV-Vis spectroscopy demonstrated a non-monotonic variation in optical band gap values with varying GO concentrations, attributed to the dispersion and aggregation of GO, which influenced charge carrier dynamics. Dielectric measurements indicated that the dielectric constant of the composites increased with temperature and decreased with frequency, highlighting the potential for enhanced dielectric properties in the GO/NBR composites. Overall, the findings suggest that the incorporation of GO significantly alters the physical and chemical properties of NBR, leading to improved performance characteristics.