Rubber compounds for industrial applications

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.