Functionalized sp2 carbon allotropes for elastomer nanocomposites with lower hysteresis

The thesis was focused on elastomer nanocomposites based on diene elastomers and sp2 carbon allotropes functionalized with pyrrole compounds, used as reinforcing fillers, alone or in hybrid filler systems. An efficient functionalization was obtained on carbon black and a high surface area nanosized graphite, achieving the modification of their solubility parameter. Rubber nanocomposites were prepared by using natural rubber, styrene-butadiene rubber and nitrile rubber, by means of latex and melt blending. Dynamic-mechanical, tensile and fracture properties were measured. It was observed that functionalization of sp2 carbon allotropes with pyrrole compounds does have an effect on the properties of rubber compounds. In a nutshell: the modification of the carbon allotropes with pyrrole compounds having polar groups leads to a better dispersion of the filler, to larger stresses at low deformation and better ultimate properties, to an improved fracture resistance and (in some cases) to a lower hysteresis. Finally, the modification of carbon allotropes with a pyrrole derivative with a group which is chemically reactive with the elastomer, also promotes larger stresses at low deformation, good ultimate properties but also an appreciable and consistent reduction of hysteresis.

Questa tesi è stata focalizzata su nanocompositi elastomerici basati su elastomeri dienici e su allotropi del carbonio sp2 funzionalizzati con composti pirrolici, utilizzati come cariche rinforzanti, da soli o in sistemi di cariche ibridi. Si è ottenuta una funzionalizzazione efficiente di carbon black e nanografite ad alta area superficiale con una conseguente modifica del loro parametro di solubilità. I compositi elastomerici sono stati preparati utilizzando gomma naturale, copolimeri butadiene stirene e gomma nitrilica sia tramite latex che tramite melt blending. Si sono poi misurate le proprietà dinamico-meccaniche, le proprietà tensili e le proprietà a frattura. Si è osservato che la funzionalizzazione di allotropi del carbonio sp2 con composti pirrolici ha un effetto sulle proprietà delle mescole elastomeriche. In poche parole: la modifica degli allotropi del carbonio con pirroli aventi gruppi polari porta ad una migliore dispersione del filler, a stress maggiori a basse deformazioni, a migliori proprietà ultime del materiale ad una miglior resistenza a frattura e (in alcuni casi) ad una minor isteresi. Infine la modifica degli allotropi del carbonio con un composto pirrolico contenente un gruppo funzionale chimicamente reattivo con l’elastomero, porta nuovamente a stress maggiori a basse deformazioni, a buone proprietà ultime ma anche ad una apprezzabile e consistente riduzione dell’isteresi.