Payne effect measurements in simple shear loading conditions

This thesis work is aimed at investigating the Payne effect (that is the strain dependency of the elastic modulus) in carbon black-filled natural rubber-based compounds, differing in filler volume fraction. Experimental tests have been performed using a Dynamic Mechanical Analyzer in simple shear loading conditions, adopting a sandwich geometry configuration. Strain sweep tests were performed at room temperature and at constant frequency. Initially a proper set-up of the test was defined as concerns both the dimensions of the specimens and the possibility to use adhesive tapes to increase the adhesion between the rubber specimen and the clamping tool metal plates. The specimens with the lower surface area among the values explored resulted to reduce its slippage. This undesired effect was not avoided using some adhesive tapes. A critical analysis of the specimen-clamping procedure was also performed to explain the arising of an axial force observed before performing the shear test. A preliminary study has been carried out to verify the repeatability of a test on the same specimen of any material and to verify the reproducibility of the measurements on different specimens of the same material. The dispersion of the measurements performed on different specimens, which resulted to be larger in the materials with high filler content, is still acceptable considering possible a not uniformity of the compression moulded plates from which the specimens have been die cut and considering all the experimental uncertainties related to the test set up. The simple shear tests results have been compared to literature data relevant to strain sweep tests in simple shear and uniaxial tensile loading conditions: all the data resulted to be consistent as concerns both (i) the dependency of the modulus decrease (which is an evaluation of the Payne effect) on the corresponding G’’ peak value and (ii) the linear correlation between E* and G*.

Questo lavoro di tesi ha lo scopo di indagare l'effetto Payne (cioè la dipendenza dalla deformazione del modulo elastico) nelle mescole a base di gomma naturale riempita di nero di carbone, che si differenziano per la frazione di volume di filler. Le prove sperimentali sono state eseguite utilizzando un Analizzatore Dinamico Meccanico in condizioni di taglio semplice, adottando una configurazione geometrica a sandwich. Le prove di strain sweep sono state eseguite a temperatura ambiente e a frequenza costante. Inizialmente è stata definita una corretta configurazione della prova sia per quanto riguarda le dimensioni dei provini che la possibilità di utilizzare nastri adesivi per aumentare l'adesione tra il provino in gomma e le piastre metalliche dello strumento di serraggio. I provini con superficie inferiore tra i valori considerati hanno permesso di ridurre lo slittamento. Non è stato possibile eliminare questo effetto di slittamento con l’uso di nastri adesivi. È stata anche eseguita un'analisi critica della procedura di serraggio del provino per spiegare l'insorgenza di una forza assiale osservata prima di eseguire la prova di taglio. È stato effettuato uno studio preliminare per verificare la ripetibilità di un test sullo stesso campione di qualsiasi materiale e per verificare la riproducibilità delle misurazioni su diversi campioni dello stesso materiale. La dispersione delle misurazioni effettuate su campioni diversi, che è risultata essere maggiore nei materiali ad alto contenuto di filler, è ancora accettabile considerando possibile una non uniformità delle piastre stampate a compressione da cui i campioni sono stati fustellati e considerando tutte le incertezze sperimentali relative all'impostazione della prova. I risultati delle prove di taglio semplice sono stati confrontati con i dati di letteratura relativi alle prove di strain sweep in condizioni di taglio semplice e di carico di trazione monoassiale: tutti i dati sono risultati essere coerenti sia per quanto riguarda (i) la dipendenza della diminuzione del modulo (che è una valutazione dell'effetto Payne) dal corrispondente valore di picco G'', sia (ii) la correlazione lineare tra E* e G*.