Functionalized molecules for better properties trade-off in silica based elastomeric composites

Silica is largely used as filler of elastomer composites for dynamic-mechanical applications, such as those in tyre compounds, with low dissipation of energy. One main objective is to achieve ultimate distribution and dispersion of silica in the elastomer matrix, obtaining good processability and low hysteresis. To this aim, elastomers bearing chain end functional groups are used. In the present thesis, the interaction with silica of functionalized molecules was studied. Low molar mass molecules, oligomers and polymers were used. Chain end functionalized oligomers were prepared by oxidative cleavage of poly(1,4-cis-isoprene) chains. Functional groups were introduced as lateral substituents of halogenated poly(isobutene-co-isoprene). The interaction with silica was studied performing chromatography, absorption, thermal treatments, solvent extraction. Silica based composites were prepared by using as ingredients functionalized oligomers and polymers and rheological and dynamic-mechanical properties were determined. Relative reactivity with silica has been established for different functional groups. Results arising from investigation of binary mixtures, raw and crosslinked compounds are indeed coherent. Modulation of the interaction of the functionalized molecules with silica has been obtained by means of protective groups. It appears possible to operate a selection of functional group(s) suitable for having the needed trade- off between properties of silica based composites such as processability and low hysteresis.

La silice è ampiamente utilizzata come filler di compositi elastomerici per applicazioni dinamico-meccaniche, come quelle nelle gomme, con bassa dissipazione di energia. Uno dei principali obiettivi è il raggiungimento di una omogenea distribuzione e dispersione della silice nella matrice elastomerica, ottenendo una buona lavorabilità e bassa isteresi. Per raggiungere tale scopo, vengono usati elastomeri con gruppi funzionali alle estremità di catena. In questa tesi, viene studiata l’interazione con la silice di molecole funzionalizzate. Sono state usate molecole con bassa massa molare, oligomeri e polimeri. Sono stati preparati oligomeri funzionalizzati alle estremità di catena tramite scissione ossidativa di poli(1,4-cis-isoprene). Alcuni gruppi funzionali sono stati introdotti come sostituenti laterali di poli(isobutene-co-isoprene) alogenati. L’ interazione con la silice è stata studiata tramite cromatografia, absorbimento, trattamenti termici ed estrazione con solvente. Compositi a base silice sono stati preparati usando come ingredienti gli oligomeri e i polimeri funzionalizzati e sono state determinate le proprietà reologiche e dinamico-meccaniche. La reattività relativa con la silice è stata stabilita per diversi gruppi funzionali. I risultati emersi dallo studio di miscele binarie, del crudo e dei compositi vulcanizzati sono infatti coerenti. La modulazione dell’interazione di molecole funzionalizzate con la silice è stata ottenuta per mezzo di gruppi protettivi. Appare possibile selezionare una serie di gruppi funzionali che mostrino un giusto compromesso tra le proprietà dei compositi a base silice, quali la lavorabilità e bassa isteresi.