Effect of strain rate, temperature and strain-induced softening on the fracture behaviour of filled rubber compounds

In this thesis work, the effect of displacement rate, temperature and strain-induced softening change on the mechanical behaviour, from low strains up to fracture, was investigated on carbon black-filled natural rubber based compounds differing in the filler content (filler volume fraction,  = 0, 0.11, 0.2, 0.28). An additional study on silica-filled polyisoprene based compounds, differing in the crosslinking system, was also conducted to compare the mechanical behaviour of a compound based on an innovative crosslinking process to that of based on a standard (reference) one. A preliminary mechanical characterization was performed in both the two studies through dynamic and quasi static tests under tensile loading conditions. From these tests it was possible to (i) quantify the strain-induced structural change of the materials in terms of both Payne and Mullins effect, (ii) determine the strain at which the chains reach their maximum extension, that is a structural feature of the filler-rubber network, (iii) evaluate the capability of the material to dissipate energy when strained, measuring the dependence of the dissipated energy fraction on the applied strain. Fracture tests were then performed to study the effect of the above mentioned parameters on the fracture behaviour. Digital Image Correlation analysis (DIC) was used to measure, in the specimens used in fracture tests, the local strains which were compared to the strain at maximum chain extension and, when possible, to the strain at the strain-induced crystallization onset. In this way it was possible to confirm that (i) the formation of sideways cracks occurs when strain-induced chain orientation at the specimen notch tip is enough to induce a significant material strength anisotropy and (ii) that high values of fracture toughness are correlated with dissipative deformation mechanisms occurring in the whole specimen material strained up to high strains. As for the NR based compounds, the fracture behaviour resulted to be affected by displacement rate and temperature, and by strain-induced structural change (softening): the effects resulted to be more significant for the higher filler contents considered. For  = 0.2, no effect of displacement rate nor temperature on the fracture phenomenology was observed, within the ranges explored: sideways cracks always formed before the onset of a forward crack occurred. This material's toughness resulted to increase with the displacement rate both in tests performed at room temperature and at 0°C. For = 0.28, a different fracture phenomenology was observed at room temperature and at 0°C: sideways cracks, which formed before the onset of a forward crack at room temperature, are suppressed at low temperature. No effect of displacement rate on fracture toughness was observed at 0°C: a low value of fracture toughness was measured at this temperature. Higher values of fracture toughness were measured for the strain-induced  =0.2 softened compound and, in some cases, for the strain-induced  =0.28 softened one; a slight effect of strain-induced softening on fracture phenomenology was also observed. As for the IR based compounds, significant differences between the mechanical behaviour of the reference and the innovative materials were observed as far their fracture behaviour. Although from a preliminary characterization, the innovative compound resulted to be just slightly stiffer, a little less deformable and a bit more dissipating than the reference one, as far their fracture behaviour, the innovative material showed a fracture toughness significantly lower than that of the reference compound. This result is correlated with a different fracture phenomenology: the innovative compound forms only forward crack, while the reference one shows both sideways and forward cracks, thus reaching higher toughness values at the forward crack onset. The discrepancy in fracture behaviour is even more surprising after the strain-induced softening: the preliminary characterization on softened compounds showed that the two materials are almost equal in terms of stiffness and energy dissipation, but the reference one was still more oriented at the crack tip and, thus, it still formed sideways cracks. As a result, the reference material is tougher than the innovative one, even after the softening process levelled out the differences in the small and large strains behaviour.

In questo lavoro di tesi si è investigato l’effetto della velocità, della temperatura e del cambiamento strutturale indotto dalla deformazione (softening) sul comportamento meccanico, dalle piccole deformazioni fino a frattura, di mescole a base di gomma naturale caricate con nero fumo, che si differenziano per contenuto di carica (frazione volumica di carica,  = 0, 0.11, 0.2, 0.28). Un ulteriore studio è stato svolto su mescole a base di poliisoprene caricate con silice, che si differenziano per sistema di reticolazione, per confrontare il comportamento meccanico di un materiale basato su un processo innovativo di reticolazione a quello di un materiale basato su uno standard. Si è condotta una caratterizzazione meccanica preliminare in entrambi gli studi attraverso prove dinamiche e quasi statiche in condizioni di carico di tensione. Da queste prove è stato possibile (i) quantificare il cambiamento strutturale dei materiali indotto dalla deformazione in termini sia di effetto Payne che Mullins, (ii) determinare la deformazione alla quale le catene raggiungono la loro massima estensione, che è una caratteristica strutturale della struttura carica-gomma, (iii) valutare la capacità del materiale di dissipare energia quando deformato, misurando la dipendenza della frazione di energia dissipata dalla deformazione applicata. I test di frattura sono stati poi svolti per studiare l'effetto dei parametri menzionati sopra sul comportamento a frattura. Si è utilizzata la Digital Image Correlation Analysis (DIC) per misurare, nei provini utilizzati per le prove di frattura, le deformazioni locali che sono state confrontate con la deformazione alla massima estensione delle catene e, quando possibile, alla deformazione all'innesco della cristallizzazione sotto stiro. In questo modo è stato possibile confermare che (i) la formazione di cricche sideways avviene quando l'orientazione delle catene indotta dalla deformazione all'apice della cricca nel provino è sufficiente ad indurre una significativa anisotropia di resistenza nel materiale e (ii) che gli alti valori di tenacità di frattura sono correlati con meccanismi dissipativi di deformazione che avvengono nell'intero provino deformato ad alti valori. Riguardo alle mescole a base NR, il comportamento a frattura è risultato influenzato dalla velocità, dalla temperatura e dalla variazione strutturale indotta dalla deformazione (softening): gli effetti sono risultati più significativi per i contenuti di carica più alti considerati. Per  = 0.2 non si è osservato nessun effetto della velocità nè della temperatura sulla fenomenologia di frattura, nei range analizzati: le cricche sideways si sono sempre formate prima dell'innesco di una cricca forward. La tenacità di questo materiale è risultata aumentata con la velocità sia nelle prove svolte a temperatura ambiente che a 0°C. Per  = 0.28 si è osservata una fenomenologia di frattura diversa a temperatura ambiente e a 0°C: le cricche sideways che si sono formate prima dell'innesco della cricca forward a temperatura ambiente, sono state inibite a bassa temperatura. Non si è osservato alcun effetto della velocità sulla tenacità a frattura a 0°C: si è misurato un valore basso di tenacità a frattura a questa temperatura. Valori alti di tenacità a frattura sono stati misurati per la mescola softened  = 0.2 e, in alcuni casi, per la mescola softened  = 0.28; si è osservato un lieve effetto dello strain-induced softening anche sulla fenomenologia di frattura.\\ Riguardo alle mescole a base di poliisoprene, sono state osservate differenze significative tra il materiale innovativo e quello di riferimento nel comportamento meccanico per quanto concerne il comportamento a frattura. Anche se, da una caratterizzazione preliminare, il materiale innovativo è risultato solo leggermente più rigido, un poco meno deformabile e un po' più dissipativo di quello di riferimento, riguardo al comportamento a frattura, il materiale innovativo ha mostrato una tenacità a frattura significativamente più bassa di quella del materiale di riferimento. Questo risultato è correlato alla diversa fenomenologia di frattura: la mescola innovativa ha formato solo cricche forward, mentre quella di riferimento ha mostrato sia cricche sideways che forward, raggiungendo, quindi, valori più alti di tenacità all’innesco della cricca forward. La discrepanza nel comportamento a frattura è ancora più singolare dopo lo strain-induced softening: la caratterizzazione preliminare sui materiali “softened” ha mostrato che i due materiali sono quasi uguali in termini di rigidità e dissipazione di energia, ma quello di riferimento è rimasto più orientato all'apice della cricca e, perciò, ha formato ancora cricche sideways. Di conseguenza, il materiale di riferimento è più tenace di quello innovativo, anche dopo che il processo di softening ha eliminato le differenze nel comportamento a piccole e grandi deformazioni.