Characterization of cut and chip behaviour of rubber compound for tires treads, with an instrumented laboratory device

In this study the cut and chip (CC) fracture behavior have been investigated. This is an abrasion effect that occur in rubber materials, mostly tire treads, under heavy duty and off the road conditions [1]. An understanding of the phenomena is important to develop and optimize the performance of the materials employed, especially improve resistance and durability. Due to complexity of the problem there is hardly a unique approach to study CC abrasion [5]. While field test remain the most reliable one, it’s also the most expansive in terms of time and costs; and it doesn’t allow the control/measure of parameters. The laboratory test used in this work is able to control and record multiple variables (like the loads and displacements involved or the frequency and velocity), and use a small sample of rubber. Thus is possible to run a lot of tests in a short time and inexpensively. In the first part of the work the behavior of three different rubber compounds has been compared: Natural rubber/Butadiene rubber (NR/BR); Natural rubber/Styrene butadiene rubber; Ethylene-Propylene Diene Monomer (EPDM). All of them filled with carbon black (CB). Afterwards a further investigation on the dependence of material’s composition have been made. A rubber material based on NR and BR polymers was tested with different formulation: effect of different content of filler (CB), and NR/BR ratio. To compare the different materials different parameters were used. Weight loss and hardness have been studied and a novel parameter (called Propensity) to characterize CC abrasion was tested. The results show the reliability of the analyzer to mimic and study CC phenomena. The comparison of the different compounds showed the effect of the amount of CB as a main key to improve the resistance; and also the difference between a single or two polymer blend was inspected, proving the lower resistance of the latter. Finally, heat build-up during CC test has been measured and quantified for given varied rubbers, after about 30 impacts we can see a average surface temperature of 35°C and every strike take the temperature up from 45 to 65°C.

In questa tesi è stato studiato il comportamento di frattura detto “cut and chip” (CC), traducibile come “taglio e scagliatura”. Questo è un effetto di abrasione che si verifica in materiali in gomma, per lo più battistrada, in condizioni gravose e fuori strada [1]. Una comprensione dei fenomeni è importante per sviluppare e ottimizzare le prestazioni dei materiali impiegati, in particolare migliorare la resistenza e la durata. A causa della complessità del problema, non c'è quasi un approccio unico per studiare l'abrasione CC [5]. Nonostante il test sul campo rimanga il più affidabile, è anche quello più svantaggioso in termini di tempo e costi; e non consente il controllo e la misura dei parametri che interessano il fenomeno durante i test. Il macchinario di laboratorio utilizzato in questo lavoro di tesi è in grado di controllare e registrare più variabili (come le forze e gli spostamenti coinvolti o la frequenza e la velocità), usando come campione un piccolo disco di gomma (circa 30 g). In questo modo è possibile eseguire molti test in poco tempo ed economicamente. Nella prima parte del lavoro è stato confrontato il comportamento di tre diversi composti di gomma: Natural rubber/Butadiene rubber (NR/BR); Natural rubber/Styrene butadiene rubber; Ethylene-Propylene Diene Monomer (EPDM). In tutti i campioni viene usato nerofumo (CB) come carica. Successivamente è stata fatta un'ulteriore indagine sulla dipendenza dalla composizione del materiale. Un materiale di gomma basato su polimeri NR e BR è stato testato con composizione diversa: effetto della quantità di carica (CB) e rapporto tra NR / BR. Per confrontare i diversi materiali sono stati utilizzati diversi parametri. La perdita di peso e la durezza sono state studiate ed è stato testato un nuovo parametro (chiamato Propensity) per caratterizzare l'abrasione CC. I risultati mostrano l'affidabilità dello strumento per simulare e studiare i fenomeni CC. Il confronto dei diversi composti ha mostrato l'effetto della quantità di CB come chiave principale per migliorare la resistenza; e anche la differenza tra una gomma basata su un singolo polimero o un blend di due è stata ispezionata, dimostrando la minore resistenza di quest'ultima. Infine, l'accumulo di calore durante il test CC è stato misurato e quantificato per una gomma di prova: dopo circa 30 impatti possiamo vedere una temperatura superficiale media di 35 ° C e ogni volta che la punta colpisce la temperatura raggiunge da 45 a 65 ° C.