A study on the mechanical behaviour of carbon black-filled EPDM based rubbers: effect of addition of graphene and graphite

This thesis work, in collaboration with the company Argo di T.M. Fumagalli Srl, explores the mechanical behaviour of a commercial EPDM rubber filled with carbon black (CB) and modified by the addition of graphene or graphite to reduce gas permeability. The present study aims to evaluates the mechanical response of the filled materials from low strain up to fracture, considering the effects of filler type and quantity on the material's performance. As a preliminary characterization of the materials, dynamic-mechanical tests were performed at different temperatures. Then, uniaxial tensile tests were conducted to evaluate the effect of the strain rate and deeper investigate the temperature effect on the viscoelastic response of the materials., Mooney-Rivlin plots were analysed to highlight the main differences between the materials. In particular, the upturn values for each material and testing conditions were compared trying to understand if graphene or graphite modified the microstructure of the base material filled with CB only. To assess the materials' energy dissipation capabilities, cyclic uniaxial tensile tests were conducted. These tests were also used to correlate the dissipative responses of the materials with their fracture behaviour, which was studied by using a fracture mechanic approach. This research provides a systematic approach to the characterization of filler-modified EPDM, exploring the potential of graphene and graphite in changing the mechanical properties, and sets the foundation for developing advanced rubber materials customized for specific industrial applications.

Questo lavoro di tesi, in collaborazione con l'azienda Argo di T.M. Fumagalli Srl, esplora il comportamento meccanico di un gomma EPDM ad uso commerciale caricata con nerofumo e modificata tramite l'aggiunta di grafene o grafite per ridurre la permeabilità ai gas. Lo studio mira a valutare la risposta meccanica dei materiali caricati, dal comportamento alle basse deformazioni fino alla rottura, considerando gli effetti del tipo e della quantità di carica sulle prestazioni del materiale. Come caratterizzazione preliminare, sono stati eseguiti test dinamico-meccanici a diverse temperature. Successivamente, sono stati condotti test di trazione uniassiale per valutare l'effetto della velocità di deformazione e investigare più approfonditamente l'effetto della temperatura sulla risposta viscoelastica dei materiali. I grafici di Mooney-Rivlin sono stati analizzati per evidenziare le principali differenze tra i materiali. In particolare, sono stati confrontati i valori in corrispondenza dell'upturn per ogni materiale e condizione di test, cercando di capire se il grafene o la grafite modificassero la microstruttura del materiale di partenza caricato solo con nerofumo. Per valutare le capacità di dissipazione energetica dei materiali, sono state eseguite delle prove di carico-scarico in trazione uniassiale. Questi test sono stati utilizzati anche per correlare le risposte dissipative dei materiali con il loro comportamento alla frattura, che è stato studiato utilizzando un approccio basato sulla meccanica della frattura. Questa ricerca fornisce un approccio sistematico per la caratterizzazione di gomme EPDM modificate con filler, esplorando il potenziale di grafene e grafite nel modificare le proprietà meccaniche e pone le basi per lo sviluppo di materiali in gomma avanzati personalizzati per specifiche applicazioni industriali.