A Novel Method of Quantitative Characterization of Filled Rubber Structures by AFM

01-02/2011 Januar-Februar

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A new method for quantitative analysis of the structure of filled rubbers by atomic force microscopy (AFM) has been developed. A distinctive feature of this approach is the splitting of the detected surface microrelief, at a first stage, into separate structures, designated as clusters. The height level, where the splitting is done, is controlled by the total number of clusters per 1 m2 (this value must be maximum), their compactness (its minimum value is attributed to branched structures) and their volume fraction (which is approximately equal to the given filler volume fraction). Further stages of investigations include a statistical characterization of the structure and distribution of the clusters. Furthermore, calculations of the Morishita index (a measure of cluster distribution), area, size, perimeter, degree of orientation and fractal characteristics of the examined structures are presented. The validity of the method has been verified by studying EPDM-rubbers filled with N330 carbon black, Silica Aerosil 200 and Aerosil R974 of filler fractions 20 and 40 phr, and by investigating a stretched natural rubber samples filled with N339 carbon black (50 phr).

Charakterisierung gefüllter Kautschuke mittels AFM
Eine neue Methode zur quantitativen Analyse der Morphologie gefüllter Kautschuke mittels der Raster-Kraft Mikroskopie wurde entwickelt. Ein Merkmal besteht in der Aufteilung des Mikroreliefs der beobachteten Oberfläche in Struktureinheiten bzw. Cluster. Die Höhe für die diese Separierung durchgeführt wird, ergibt sich aus der maximalen Anzahl der Cluster pro 1m2, der Kompaktheit und den Volumenbruch. Weiterhin wird eine statistische Charakterisierung der Strukturen und der Verteilung der Cluster durchgeführt. Bestimmt werden der Morishita Index, Fläche, Größe Umfang, Orientierungsgrad und fraktale Dimensionen der Strukturen. Validiert wurde die Methode anhand von EPDM Mischungen sowie NR Mischungen.