Sepiolite as filler for elastomeric composites with high mechanical reinforcement, low dissipation of energy and electrical conductivity

The need for high-performance elastomeric composites is constantly increasing. Continuous improvement of reinforcing fillers is mandatory in order to obtain high-quality products. In this thesis innovative nanofillers have been studied. A naturally occurring nanofiber, such as sepiolite, was chemically modified and was used as filler in elastomeric composites and also in water based inks. Two chemical modifications were investigated. Sepiolite was decorated with silica nanoparticles, formed on the sepiolite surface or pre-condensed. This modification promoted the chemical reactivity of sepiolite, for example with sulphur based silanes, traditional coupling agents in elastomeric composites. Indeed, larger mechanical reinforcement and lower dissipation of energy was obtained for silica based elastomeric composites with sepiolite modified with silica nanoparticles. Sepiolite was covered with carbon black by using an innovative family of coupling agents. This way, an innovative hybrid filler was obtained, with a natural core and an outer carbon layer, aimed at reproducing the behaviour of carbon nanotubes (CNT). This hybrid fiber gave rise to conductive inks, with comparative performances with respect to pristine carbon black, but with remarkable lower amount. Elastomeric composites were obtained with the expected mechanical properties. With respect to the composites based on CNT, at the same modulus remarkable lower hysteresis was obtained.

La domanda di compositi elastomerici ad alte prestazioni è in costante aumento. È necessario sviluppare cariche rinforzanti sempre migliori al fine di ottenere prodotti di alta qualità. In questa tesi sono stati studiati nanofiller innovativi. Una nanofibra naturale, la sepiolite, è stata modificata chimicamente ed è stata impiegata come carica in compositi elastomerici ed anche in inchiostri a base acqua. La sepiolite è stata rivestita di nanoparticelle di silice, create in-situ o pre-formate e quindi depositate sulla fibra. Questa modifica ha migliorato la reattività della sepiolite, ad esempio con silani contenenti zolfo, tradizionalmente impiegati come agenti compatibilizzanti nei compositi elastomerici. Un importante incremento del rinforzo meccanico e una minor dissipazione di energia sono stati osservati in compositi elastomerici caricati con sepiolite modificata con silice. La sepiolite è stata rivestita anche con nero di carbonio grazie all’utilizzo di una classe innovativa di agenti di accoppiamento. In questo modo è stata ottenuta una carica nuova, con un nucleo naturale e uno strato di carbonio esterno, che ha l’obiettivo di riprodurre le proprietà dei nanotubi di carbonio. Con questa fibra ibrida sono stati realizzati inchiostri conduttivi con prestazioni simili agli inchiostri a base di nero di carbonio, ma impiegando una quantità notevolmente inferiore di quest’ultimo. I compositi elastomerici ottenuti presentano le proprietà meccaniche attese. A confronto con i compositi caricati con nanotubi di carbonio, presentano moduli simili ma isteresi sensibilmente inferiore.