Influence of silanization and sulfur content on curing kinetics and Payne effect in silica-filled styrene-butadiene rubbers

This research investigates the influence of silanization level and sulfur content on the nonlinear viscoelastic behaviour of silica-filled styrene-butadiene rubber (SBR), with particular focus in their influence on Payne effect and on curing kinetics. The study examines compounds with varying TESPT concentrations in both uncured and cured states in order to distinguish the respective roles of the filler-filler network, the filler-rubber interface, and the chemical crosslink network. Experimental tests were carried out using a Rubber Process Analyzer operating in torsional strain-controlled mode. Curing kinetics were first evaluated under isothermal conditions to determine the dependence of it over the TESPT and sulfur content. Subsequently, large amplitude oscillatory shear (LAOS) tests were performed to analyze the strain-dependent evolution of the storage (G’) and loss (G”) moduli and to characterize the nonlinear mechanical response of these materials. Given the intrinsic nonlinear nature of filled rubbers, harmonic analysis techniques were employed to quantify deviations from linear viscoelastic behaviour. Fourier-based methods and Chebyshev decomposition were applied to evaluate higher harmonic contributions, while the LeBlanc-Nijman model was used to provide a parametric description of the total harmonic content evolution. The results clarify how silanization and sulfur content influence both curing behaviour and nonlinear viscoelastic response, providing a coherent interpretation of the transition from filler-dominated to matrix-dominated regimes in silica-filled SBR compounds.

Questa ricerca indaga l’influenza del livello di silanizzazione e del contenuto di zolfo sul comportamento viscoelastico non lineare di gomme stirene-butadiene (SBR) caricate con silice, con particolare attenzione alla loro influenza sull’effetto Payne e sulla cinetica di vulcanizzazione. Lo studio esamina mescole con differenti concentrazioni di TESPT sia nello stato non reticolato che in quello reticolato, al fine di distinguere i rispettivi ruoli della rete filler-filler, dell’interfaccia filler-gomma e della rete chimica di reticolazione. Le prove sperimentali sono state condotte utilizzando un Rubber Process Analyzer operante in modalità torsionale a deformazione controllata. La cinetica di vulcanizzazione è stata inizialmente valutata in condizioni isotermiche per determinarne la dipendenza dal contenuto di TESPT e di zolfo. Successivamente, sono state eseguite prove di taglio oscillatorio a grande ampiezza di deformazione (LAOS) per analizzare l’evoluzione dipendente dalla deformazione dei moduli di conservazione (G’) e di perdita (G”) e per caratterizzare la risposta meccanica non lineare di questi materiali. Data la natura intrinsecamente non lineare delle gomme caricate, sono state impiegate tecniche di analisi armonica per quantificare le deviazioni dal comportamento viscoelastico lineare. Metodi basati sulle trasformate di Fourier e sulla decomposizione di Chebyshev sono stati applicati per valutare i contributi delle armoniche superiori, mentre il modello di LeBlanc-Nijman è stato utilizzato per fornire una descrizione parametrica dell’evoluzione del contenuto armonico totale. I risultati chiariscono come il livello di silanizzazione e il contenuto di zolfo influenzino sia il comportamento di vulcanizzazione sia la risposta viscoelastica non lineare, fornendo un’interpretazione coerente della transizione da un regime dominato dal filler a uno dominato dalla matrice nei sistemi SBR caricati con silice.