Functionalized carbon black for elastomeric composites with improved crosslinking efficiency and lower dissipation of energy

Rubber composites need to be efficiently crosslinked and reinforced to achieve the dynamic-mechanical properties required by tyre application. In this thesis, carbon black was functionalized with pyrrole compounds and was used in rubber composites with only carbon black or with carbon black/silica as the filler system. A sustainable, facile, versatile, not expensive method was applied for the carbon black functionalization with pyrrole derivatives. Pyrrole compounds were synthesized in the absence of solvents or catalysts from the Paal-Knorr reaction between a primary amine and 2,5-hexanedione. Carbon black adducts were investigated through the evaluation of Hansen solubility parameters and via pH measurements in water dispersions. Elastomeric compounds were prepared with natural rubber and butadiene rubber and were characterized by means of dynamic-mechanical and tensile properties. The behavior of functionalized carbon black, in total or partial replacement of the pristine filler, alone or in a filler system carbon black/silica, was studied. Properties variation due to the presence of functionalized carbon black were registered. In particular, faster vulcanization kinetics, higher stiffness and increased viscosity were common characteristics of all the compounds with functionalized carbon black. In some cases, lower hysteresis and filler network were registered, thus contributing to a lower fuel consumption and CO2 emissions.

Questa tesi è focalizzata su compositi elastomerici basati su polimeri dienici e carbon black funzionalizzato con composti pirrolici, utilizzato come carica rinforzante da solo o in un sistema di cariche ibride carbon black/silice. La funzionalizzazione del carbon black con i derivati pirrolici è avvenuta attraverso un metodo sostenibile, facile, versatile e non costoso. I composti pirrolici sono stati sintetizzati in assenza di solventi o catalizzatori tramite la reazione di Paal-Knorr tra un'ammina primaria e 2,5-esanedione. Gli addotti di carbon black sono stati studiati attraverso la stima dei loro valori di pH in dispersioni acquose e dei parametri di solubilità di Hansen. I compositi elastomerici sono stati preparati con gomma naturale e gomma butadiene e sono stati caratterizzati attraverso lo studio delle proprietà dinamico-meccaniche e di trazione. È stato studiato il comportamento del carbon black funzionalizzato, in sostituzione totale o parziale della carica rinforzante pura, da solo o in un sistema di cariche rinforzanti ibride carbon black/silice. La presenza del carbon black funzionalizzato ha portato a dei cambiamenti nelle proprietà dei compositi elastomerici. In particolare, le seguenti caratteristiche erano comuni a tutti i compositi con carbon black funzionalizzato: una cinetica di vulcanizzazione più rapida, una maggiore rigidità e un aumento nella viscosità. In alcuni casi è stata registrata anche una riduzione dell’isteresi ed una migliore interazione carica rinforzante-polimero, contribuendo così a un minor consumo di carburante ed emissioni di CO2.