Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben de vermoeidheidsdrempel van met deeltjes versterkt rubber verhoogd en een nieuwe, meerschalige aanpak ontwikkeld waarmee het materiaal hoge belastingen kan dragen en scheurgroei bij herhaald gebruik kan weerstaan. Deze aanpak zou niet alleen de levensduur van rubberproducten zoals banden kunnen verlengen, maar ook de hoeveelheid vervuiling door rubberdeeltjes die tijdens het gebruik vrijkomen verminderen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature .

Natuurlijk voorkomend rubberlatex is zacht en rekbaar. Voor een reeks toepassingen, waaronder banden, slangen en dempers, worden rubbers versterkt met stijve deeltjes, zoals roet en silica. Sinds hun introductie verbeteren deze deeltjes de stijfheid van rubbers aanzienlijk, maar niet hun weerstand tegen scheurgroei wanneer het materiaal cyclisch wordt uitgerekt, een meting die bekend staat als de vermoeidheidsdrempel.

In feite is de vermoeidheidsdrempel van met deeltjes versterkte rubbers niet veel verbeterd sinds deze voor het eerst werd gemeten in de jaren vijftig. Dit betekent dat zelfs met de verbeteringen aan banden die de slijtvastheid verhogen en het brandstofverbruik verminderen, kleine scheurtjes grote hoeveelheden rubberdeeltjes in het milieu kunnen achterlaten, wat luchtvervuiling voor mensen veroorzaakt en zich ophoopt in beken en rivieren.

In eerder onderzoek heeft een team onder leiding van Zhigang Suo, de Allen E. en Marilyn M. Puckett hoogleraar Mechanica en Materialen bij SEAS, de vermoeidheidsdrempel van rubbers aanzienlijk verhoogd door de polymeerketens te verlengen en de verstrengelingen te verdichten. Maar hoe zit het met deeltjesversterkte rubbers?

Het team voegde silicadeeltjes toe aan hun sterk verstrengelde rubber, in de veronderstelling dat de deeltjes de stijfheid zouden vergroten maar de vermoeidheidsdrempel niet zouden beïnvloeden, zoals vaak wordt gerapporteerd in de literatuur. Ze hadden het mis.

"Het was nogal een verrassing", zegt Jason Steck, een voormalig afgestudeerde student bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "We hadden niet verwacht dat het toevoegen van deeltjes de vermoeidheidsdrempel zou verhogen, maar we ontdekten dat deze met een factor 10 toenam."

Steck is nu onderzoeksingenieur bij GE Aerospace.

In het materiaal van het Harvard-team zijn de polymeerketens lang en sterk verstrengeld, terwijl de deeltjes geclusterd zijn en covalent gebonden zijn aan de polymeerketens.

"Het blijkt", zegt Junsoo Kim, een voormalig afgestudeerde student bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel, "dat dit materiaal de spanning rond een scheur deconcentreert over twee lengteschalen:de schaal van polymeerketens en de schaal van deeltjes." Deze combinatie stopt de groei van een scheur in het materiaal."

Kim is nu assistent-professor Werktuigbouwkunde aan de Northwestern University.

Het team demonstreerde hun aanpak door een scheur in een stuk materiaal te snijden en dit vervolgens tienduizenden keren uit te rekken. In hun experimenten werd de scheur nooit groter.

"Onze aanpak van stressdeconcentratie op meerdere schaal vergroot de ruimte van materiaaleigenschappen, opent deuren voor het terugdringen van polymeervervuiling en het bouwen van hoogwaardige zachte machines", zegt Suo, senior auteur van het onderzoek.

"Traditionele benaderingen voor het ontwerpen van nieuwe elastomere materialen misten deze kritische inzichten van het gebruik van meerschalige spanningsdeconcentratie om hoogwaardige elastomere materialen voor brede industriële toepassingen te bereiken", zegt Yakov Kutsovsky, een Expert in Residence bij het Harvard Office of Technology Development en co-auteur van het papier.

"Ontwerpprincipes die in dit werk zijn ontwikkeld en gedemonstreerd, zouden toepasbaar kunnen zijn in een breed scala van industrieën, inclusief grootschalige toepassingen zoals banden en industriële rubberproducten, maar ook opkomende toepassingen zoals draagbare apparaten."

Kutsovsky was eerder vijftien jaar lang Chief Scientific Officer en Chief Technology Officer bij Cabot Corporation.

Harvard's Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom van dit project beschermd en onderzoekt commercialiseringsmogelijkheden.

Meer informatie: Jason Steck et al, Multiscale spanningsdeconcentratie versterkt de weerstand tegen vermoeidheid van rubber, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06782-2

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences