Rubber compounds for industrial applications

Since the discovery of vulcanization, rubbers have invaded our life and nowadays occupie a significant place in the industrial world. In fact, in most applications there are no alternative materials to them. Despite what it could be thought, a rubbery object is a very complex system. In fact, it is generally based on only one or more rubbers and on several other additives, such as reinforcing fillers, plasticizers, antidegradants, vulcanizing agents. Different production phases are required to realized a rubbery product. The first is the rubber compounding with the additives, which occurs at a defined temperature for a fixed time. The dispersion degree achieved by the fillers in the elastomeric matrix and consequently the final product properties are strictly dependent on this first step of production. After the mixing, the forming operations follow: the compound will retain the shape imposed. Finally, vulcanization process provides the material its ‘elastic’ recovery behaviour. The final properties of a rubber product depend mainly on the type of rubber chosen, however they can be further manipulated by varying the additives used and their concentrations, and the processing steps. The special character of rubber, being a multicomponent system, and the complexity of the production phases delayed the study and the development of rubber nanocomposites, in respect to the polymeric ones. However, in the ten past years, the reports published that deal with rubber nanocomposites have been raise. The ongoing R&D interest is mostly due to the significant physico-mechanical properties improvement which is observed when the nanoclays are added to a rubber matrix. This enhancement depends on the nanometric-scale dispersion that the nanoclays can achieve in the compound; contrary to the conventional fillers, such as carbon black and silica, which carry out a micrometric-scale dispersion. Nowadays, the nanoclays are the most studied nano-sized fillers because there are easily available in nature and cheap. Several research works have demonstrated that the addition of even low amounts of layered nanofillers (< 10 wt.%) improves the mechanical properties, decreases gas permeability and swelling in solvents, increases thermal endurance and flame resistance. This PhD activity was financed by the company “IVG Colbachini” placed in Cervarese Santa Croce, Padova. The company, for over 40 years, has been involved in the production of industrial rubber hoses to convey powders, granular, liquid or gas materials. The “IVG Colbachini” products are used in different sectors, such as food, chemical, agricultural, construction, rail, naval and steel industries. The thesis work was aimed at the study and the optimization of rubber compounds produced in “IVG Colbachini”. This thesis consists of 6 chapters and subsequently the main topics dealt with in each chapter will be concisely summarized. Chapter 1 highlights the significant differences between a conventional composite and a nanocomposite, giving also a classification of this latter class of materials. In addition, it explains which filler features are the most important to obtain a nanocomposite and how each of these can influence the final product properties. In Chapter 2 nanoclays and rubber nanocomposites loaded with layered fillers are introduced. Particularly, the chemical structure of these latter and the organo-modification importance are described. In addition there is a summary of the rubber/clay nanocomposite synthesis methods and their characteristic properties present in literature, such as mechanical performance, barrier effect and flame resistance. Chapter 3 explains step by step the art of rubber compounding. In particular, the concept of recipe and how it is indicated are introduced. Types, features and functions of recipe diverse ingredients are specified. In addition, the different processing steps are described, starting from the component mixing, proceeding with the forming, until to the vulcanizing. Finally, some applications of rubber products are summarized. Chapter 4 deals with materials used for the formulations subject of this thesis, experimental procedures and characterization techniques applied. Chapter 5 is devoted to tests carried out on an ethylene vinyl acetate based rubber compound, with the aim to improve its flame retardant properties. The obtained results are indicated and some whose interpretations are presented. Chapter 6 surveys the mechanical performances of a natural rubber/polybutadiene blend. Particularly, the experimental data obtained from the rubber compounds filled with conventional fillers, such as silica and carbon black, are compared with the ones found for the rubber compounds loaded with innovative fillers, like the nanoclays.

Dopo la scoperta del processo di vulcanizzazione, le gomme hanno invaso la nostra vita e attualmente occupano un posto significativo nel mondo industriale tanto che per molte applicazioni non ci sono materiali alternativi ad esse. A differenza di quanto si potrebbe pensare, un oggetto di gomma è una sistema piuttosto complesso. Infatti, esso è in genere costituito da uno o più elastomeri e da molti altri additivi, quali ad esempio cariche rinforzanti, plastificanti, antidegradanti, agenti vulcanizzanti, etc. La realizzazione di un prodotto finito in gomma prevede una serie di operazioni. La prima di queste prevede la miscelazione dell’elastomero/i con diversi additivi ad una specifica temperatura per un tempo prefissato. Tale operazione è significativa nel determinare il grado di dispersione degli additivi nella matrice, influenzando quindi le proprietà del prodotto finale. Successivamente si verifica l’operazione di formatura durante la quale viene data una forma definita alla mescola. Infine con il processo di vulcanizzazione l’oggetto acquisisce la caratteristica proprietà di ritorno elastico, tipica delle gomma. Le proprietà finali di un prodotto di gomma dipendono innanzitutto dall’elastomero di partenza, tuttavia possono essere ampiamente manipolate variando la tipologia e la concentrazione degli additivi aggiunti e le fasi di lavorazione. Il fatto di essere un sistema multicomponente e la complessità delle fasi di produzione sono i motivi principali che hanno ritardato lo studio e lo sviluppo dei nanocompositi a base elastomera rispetto a quelli polimerici. Tuttavia, negli ultimi dieci anni il numero dei lavori scientifici sui nanocompositi elastomerici è ampiamente aumentato. Il continuo interesse deriva dal notevole miglioramento delle proprietà fisico-meccaniche che si osserva quando additivi nanodimensionali sono introdotti in una matrice elastomerica. Il miglioramento ottenuto dipende dalla dispersione a livello nanometrico che tali riempitivi possono raggiungere, contrariamente ai più comuni silice e nero fumo che si disperdono su scala micrometrica. Ad oggi, le nanocariche maggiormente studiate per la loro disponibilità in natura e il basso costo sono le nanoargille. Numerosi studi hanno dimostrato che l’aggiunta di piccole quantità di silicati a strati (< 10 wt.%) migliora le proprietà meccaniche, riduce la permeabilità ai gas e il rigonfiamento in solventi, aumenta la stabilità termica e la resistenza alla fiamma. La borsa di studio di questo dottorato è stata finanziata dalla ditta “IVG Colbachini” di Cervarese Santa Croce, Padova. L’azienda, da più di 40 anni, realizza tubi industriali in gomma per la conduzione di polveri, granuli, gas, liquidi. I prodotti di “IVG Colbachini” trovano applicazione nei settori più diversi, tra i quali l’industria chimica e agro-alimentare, l’edilizia, la cantieristica navale e da diporto, le apparecchiature ferroviarie, le lavorazioni dei metalli. Il lavoro di tesi svolto è stato dedicato allo studio e all’ottimizzazione di mescole elastomeriche prodotte in “IVG Colbachini”. Questa tesi consta di 6 capitoli e di seguito saranno riassunti brevemente gli argomenti principali trattati in ciascun capitolo. Il Capitolo 1 evidenzia le differenze sostanziali tra composito convenzionale e nanocomposito, fornendo anche una classificazione di quest’ultima categoria di materiali. Inoltre spiega quali caratteristiche di un filler sono di fondamentale importanza per la realizzazione di un nanocomposito e come ciascuna di esse influenzi le proprietà del materiale finale. Nel Capitolo 2 è contenuta una presentazione delle nanoargille e dei nanocompositi elastomerica additivati con filler a strati. In particolare si descrivono la struttura chimica di quest’ultimi e l’importanza del modificante organico. A questo si aggiunge un quadro dei metodi di sintesi di questi nanocompositi e delle loro proprietà tipiche riportate in letteratura, quali le prestazioni meccaniche, l’effetto barriera ai gas e la resistenza alla fiamma. Il Capitolo 3 illustra passo passo l’arte della lavorazione della gomma. In particolare si introduce il concetto di “ricetta elastomerica” e come viene in genere espressa. Vengono specificate le tipologie, le caratteristiche e le funzioni dei diversi componenti di una “ricetta”. Inoltre si descrivono le varie fasi di produzione di un oggetto in gomma, partendo dalla miscelazione degli ingredienti, passando per la formatura, arrivando fino al processo di vulcanizzazione. In questo capitolo vengono infine riportate alcune possibili applicazioni di prodotti in gomma. Nel Capitolo 4 si introducono i materiali impiegati per la produzione delle formulazioni, oggetto di questo lavoro di tesi, le procedure sperimentali e le tecniche di caratterizzazione utilizzate. Il Capitolo 5 illustra le prove condotte su una mescola elastomerica a base di etilene vinil acetato, con lo scopo di migliorarne le proprietà di resistenza alla fiamma. Vengono quindi riportati i risultati ottenuti e proposte alcune interpretazioni di essi. Nel Capitolo 6 ci si è concentrati sullo studio delle proprietà meccaniche di un blend costituito da gomma naturale e polibutadiene. In particolare, i dati sperimentali ottenuti da mescole contenenti riempitivi tradizionali, come silice e nero fumo, sono stati confrontati con quelli ricavati da compound con filler innovativi, quali le nanoargille.