New insight into hierarchical structures of carbon black dispersed in polymer matrices; A Combined small-angle scattering study

カーボンブラック充填系ポリマーマトリックスに対する新しい洞察; 複合的小角散乱法による研究

古賀 忠典*; 橋本 竹治; 竹中 幹人*; 相澤 一也  ; 網野 直也*; 中村 昌生*; 山口 大輔; 小泉 智

Koga, Tadanori*; Hashimoto, Takeji; Takenaka, Mikihito*; Aizawa, Kazuya; Amino, Naoya*; Nakamura, Masao*; Yamaguchi, Daisuke; Koizumi, Satoshi

中性子・X線を用いた超小角・小角複合散乱法により、カーボンブラック(CB)がポリイソプレン(PI)及びポリスチレン-ブタジエンランダム共重合体(SBR)のマトリックス中に高度に充填された系(CB/PI, CB/SBR系と記述)について調べた。その結果、以下の3点を明らかにした。(1)PI, SBR中でのCBの最小の構造単位となっているものは、高分子鎖で束縛された、複数の分割不可能なCBユニットの集合体である。(2)分割不可能なCBユニットの大きさ,形状はマトリックスを形成している高分子の種類に依存する。(3)分割不可能なCBユニットの大きさはCB/PI系の方がCB/SBR系に比べて大きいものの、その質量フラクタルの次元に関しては、両系において差が見られない。

Using a combined ultra-small-angle and small-angle scattering method of neutrons and X-rays, we investigated hierarchical structures of carbon black (CB) highly loaded in polyisoprene (PI) and poly-(styrene-random-butadiene) copolymer (SBR) under mechanical field (defined respectively as CB/PI and CB/SBR) as well as in toluene under a sonic field (defined as CB/toluene). Comparison of the scattering profiles from CB/PI and CB/SBR with CB/toluene clarified that (1) the smallest structure elements of CB in PI and SBR were composed of the several unbreakable units bounded together by polymer chains (defined as "dispersible units") and (2) sizes and shapes of the dispersible units depended on the polymer matrix. (3) Moreover, the enlarged size of the dispersible unit in PI was found to enlarge the upper cutoff length of the mass-fractal structure in PI, while the mass-fractal dimensions themselves remained unchanged between PI and SBR.