Mechanical characterization of rubber nanocomposites based on sepiolite and carbon nanotubes

The use of reinforcing fillers is fundamental in making tires strong enough to handle vehicle forces. Nanotechnology has been decisive in optimizing tire rolling resistance, durability and wet grip, the so-called magic triangle of tire performance. Fillers, such as carbon black (CB) and silica have driven improvements in tire engineering for decades. More recently, anisometric fillers on nanometer scale have gained attention due to their superior reinforcing potential. This work regards the study of mechanical properties of polyisoprene nanocomposites (NCs). Two anisometric nanofillers were considered: sepiolite (SEP) and carbon nanotubes (CNTs). The performance of CNTs and SEP based compounds was compared to that of their hybrid counterparts containing an additional fixed quantity of silica. First of all, the mechanical characterization of NCs was carried out in order to define their general reinforcing mechanisms. CNTs, when used above a critical content, form a highly reinforcing network which was nevertheless accompanied by a strong undesirable dissipative effects. On the other hand, hybrid NCs filled with CNTs and silica showed a reduction in hysteretic losses. It was not possible to obtain highly performant SEP based NCs, but hybrid compounds with an adequate silica content allowed better dispersion of SEP, conferring high strength and stiffness to NCs without impairing ultimate properties. The peculiar anisotropy of SEP needle-like fillers has been explored to induce unidirectional orientation of particles and highly performing NCs were obtained. Finally, investigations on the electrical behaviour of CNTs revealed the existence of conductive paths in the composite material above a critical CNTs content. Summarizing, this work showed that NCs with excellent properties can be obtained by using anisotropic nanoparticles in rubber. Moreover, some hints towards performance optimization such as filler orientation and filler-filler interactions have been suggested.  

L’utilizzo di cariche rinforzanti (filler) è indispensabile nella produzione di pneumatici. In particolare la Nanotecnologia si è dimostrata fondamentale per ottimizzare contemporaneamente i tre parametri che ne caratterizzano le prestazioni: resistenza al rotolamento, all’usura e grip. Fino ad ora i filler più usati sono stati: carbon black (CB) e silice ma, recentemente, l’attenzione dell’industria automobilistica si è rivolta verso filler non isotropi grazie al loro elevato potenziale di rinforzo. In questo lavoro si sono analizzate le proprietà meccaniche di nanocompositi (NCs) a base di poliisoprene rinforzati con due differenti tipi di nanofiller: sepiolite (SEP) e nanotubi di carbonio (CNTs) questi sono stati confrontati con NCs ibridi, contenenti anche una quantità fissa di silice. Per prima cosa, per ottenere una migliore conoscenza del meccanismo generale di rinforzo presente, è stata effettuata una caratterizzazione meccanica. Si è osservato che, per contenuti di CNTs superiori ad un valore di soglia, vi è la formazione di una rete di rinforzo che conferisce ottima resistenza al materiale finale, ma che porta con sè anche un indesiderato aumento dei fenomeni dissipativi. NCs ibridi con silice e CNTs hanno mostrato una riduzione dei fenomeni isteretici. La presenza del rinforzo ibrido ha migliorato anche le prestazioni generali di NCs a base di SEP. Le particelle di silice infatti hanno permesso una migliore dispersione della SEP in modo da conferire elevata rigidezza e resistenza senza compromettere le proprietà finali a rottura. Inoltre si è cercato di sfruttare la particolare morfologia fibrosa della sepiolite per ottenere NCs in cui le fibre presentassero una direzione preferenziale di orientamento per ottenere un materiale finale anisotropo. In ultimo si è indagato sul comportamento elettrico dei CNTs che hanno rivelato di poter formare un cammino conduttivo all’interno della matrice gommosa altrimenti isolante. Per concludere, si è potuto constatare che l’utilizzo di filler anisotropo, come SEP e CNTs permette di ottenere eccellenti proprietà del composito finale. Soprattutto si è mostrato come la possibilità di indurre un’orientazione preferenziale nel filler e di generare interazioni tra filler differenti, porti a delle prestazioni finali della gomma superiori.