Time, amplitude and frequency dependence of the Payne effect a study on silica-filled styrene-butadiene rubbers

This research explores the influence of strain amplitude on the nonlinear viscoelastic behavior of silica-filled styrene-butadiene and acrylonitrile-butadiene rubbers, a phenomenon known as the Payne effect. The study delves into the time-dependent aspects to assess the reversible nature of structural changes caused by strain amplitude. Experimental tests have been carried out using the torsional Dynamic Mechanical Analysis technique with a prismatic specimen’s configuration. Experiments, conducted at ambient temperature with variable frequencies, involved oscillatory sinusoidal tests under controlled shear strain. The inherent nonlinearities in these materials limit the applicability of traditional viscoelastic theories in oscillatory experiments for property assessment. To address this, an initial evaluation using FT-rheology focused on higher harmonics, showed that the level of nonlinearity is limited to an extent that the classical interpretation of material properties via storage (G') and loss (G'') moduli is acceptable. Furthermore, the study investigates the frequency's impact on this complex nonlinear response, particularly examining the purported frequency-insensitivity of the Payne effect. Finally, using appropriate oscillating strain histories it was possible to demonstrate the full reversibility of the structural changes involved in the Payne effect for the filled rubber considered in this work.

Questa ricerca esplora l'influenza dell'ampiezza di sforzo sul comportamento viscoelastico non lineare di gomme rinforzate con silice, come le gomme stirene-butadiene e l'acrilonitrile-butadiene, un fenomeno noto come effetto Payne. Lo studio si addentra negli aspetti dipendenti dal tempo per valutare la natura reversibile dei cambiamenti strutturali causati dall'ampiezza della deformazione. Sono stati effettuati test sperimentali utilizzando la tecnica di Analisi Dinamico Meccanica in torsione con una configurazione prismatica del campione. Gli esperimenti, condotti a temperatura ambiente con frequenze variabili, sono stati svolti in oscillazione sinusoidale controllando la deformazione a taglio. Le non linearità intrinseche in questi materiali limitano l'applicabilità delle teorie viscoelastiche tradizionali negli esperimenti oscillatori per la valutazione delle proprietà. Per affrontare ciò, una valutazione iniziale utilizzando la FT-reologia si è concentrata sugli armonici superiori, ha mostrato che il livello di non-linearità è limitato a tal punto che l'interpretazione classica delle proprietà del materiale tramite i moduli di conservazione (G') e perdita (G'') è accettabile. Inoltre, lo studio indaga l'impatto della frequenza su questa complessa risposta non lineare, esaminando in particolare la presunta insensibilità alla frequenza dell'effetto Payne. Infine, utilizzando storie di deformazione oscillante appropriate, è stato possibile dimostrare la completa reversibilità dei cambiamenti strutturali coinvolti nell'effetto Payne per la gomma riempita considerata in questo lavoro.