Filled rubber materials are employed in a variety of applications, from everyday use like rubber gloves, adhesives, or golf balls to high-performance scenarios like formula one tires, oil rig plants o-rings, or spacecraft seals.  Because of their widespread usage, a lot of effort has been put into the analysis of the different factors influencing their mechanical properties to obtain an accurate prediction of their performance and service life. Temperature arises as one of the main variables influencing the properties of rubber materials, which show brittle and stiff behaviour at low temperatures, and become soft and ductile with increasing temperature. 

Physical ageing refers to the equilibration process taking place after a temperature change when the properties of the material need additional time to shift from their initial state towards their final value at the new temperature. Previous literature indicates that the physical ageing process only happens at temperatures below the glass transition temperature, however, recent experimental results hinted at the physical ageing process taking place at room temperature for filled rubbers. This is a critical finding, since the existing physical ageing models can no longer be used to describe the behaviour of filled rubber, one of the most used products in engineering applications. 

In order to characterise the physical ageing process for filled rubbers at room temperature this research has followed two stages. 

First, experimental testing was conducted to characterise how the physical ageing process affects the mechanical properties by submitting a set of carbon black filled samples to a temperature change at room temperature. Next, their mechanical properties were monitored, showing that up to four days were needed to reach equilibrium at the final temperature. These findings ratify the presence of physical ageing at room temperature for filled rubber and throw new light on its effect on the viscoelastic properties over time.

The second stage focused on the development of a model able to capture the different physical ageing process that takes place for filled rubber. Two contributions were considered to reflect the effect of physical ageing on the mechanical properties, the free volume and the configurational changes. The evolution of the free volume was modelled by updating the Kari model with an additional γ parameter, in order to capture the longer physical ageing times needed to reach equilibrium for filled rubber. The configurational changes were introduced into the model via the α parameter, fitting the storage and loss modulus evolution measured experimentally. 

This research work provides a better understanding of the physical ageing process and its effect on the mechanical properties of carbon black filled reinforced rubber. The experimental findings together with the proposed physical ageing model contribute to a better prediction of the material mechanical properties, potentially leading to a more accurate prediction of their service life and a reduction in rubber waste, number of replacements and material consumption.

Fyllda gummimaterial används i en mängd olika applikationer, från daglig användning som gummihandskar, klister eller golfbollar till högpresterande applikationer i formel 1-däck och o-ringar i oljeriggar och i rymdskeppstätningar. På grund av deras utbredda användning har mycket ansträngning lagts på analysen av de olika faktorerna som påverkar deras mekaniska egenskaper för att få en exakt förutsägelse av deras prestanda och livslängd. Temperaturen är en av huvudvariablerna som påverkar egenskaperna hos gummimaterial som uppvisar spröda och styva beteenden vid låga temperaturer samt blir mjuka och sega med stigande temperatur. 

Fysiskt åldrande är en jämviktsprocess som äger rum efter en temperaturförändring när materialets egenskaper behöver ytterligare tid för att skifta från sitt initiala tillstånd till sitt sluttillstånd vid den nya temperaturen. Tidigare litteratur indikerar att den fysiska åldringsprocessen endast sker vid temperaturer under glasövergångstemperaturen. Men nyligen gjorda experiment antyder att den fysiska åldringsprocessen äger rum även vid rumstemperatur för fyllda gummin. Detta är ett viktigt resultat eftersom de befintliga fysiska åldringsmodellerna inte längre kan användas för att beskriva beteendet hos fyllt gummi, en av de mest använda produkterna vid tekniska tillämpningar. 

För att karakterisera den fysiska åldringsprocessen för fyllda gummin vid rumstemperatur har denna forskning följt två steg. 

Först genomfördes experiment för att karakterisera hur den fysiska åldringsprocessen påverkar de mekaniska egenskaperna genom att utsätta en uppsättning kimröksfyllda prover för en temperaturförändring vid rumstemperatur. Därefter övervakades deras mekaniska egenskaper, vilket visade att det behövdes upp till fyra dagar för att nå jämvikt vid den slutliga temperaturen. Dessa resultat bekräftar förekomsten av fysisk åldring vid rumstemperatur för fyllt gummi och kastar nytt ljus över dess effekt på de viskoelastiska egenskaperna över tiden. 

Det andra steget fokuserade på utvecklingen av en modell som kan fånga de olika fysiska åldringsprocesserna som äger rum för fyllt gummi. Två bidrag ansågs spegla effekten av fysisk åldring på de mekaniska egenskaperna, den fria volymen och konfigurationsförändringarna. Utvecklingen av den fria volymen modellerades genom att uppdatera Kari-modellen med en ytterligare γ-parameter, för att fånga de längre fysiska åldringstider som krävs för att nå jämvikt för fyllt gummi. Konfigurationsförändringarna introducerades i modellen via parametern α, som passade lagrings- och förlustmodulens utveckling som uppmätts experimentellt. 

Detta forskningsarbete ger en bättre förståelse för den fysiska åldringsprocessen och dess effekt på de mekaniska egenskaperna hos kimröksfyllt gummi. De experimentella fynden tillsammans med den föreslagna fysiska åldringsmodellen bidrar till en bättre förutsägelse av materialets mekaniska egenskaper, vilket potentiellt leder till en mer exakt förutsägelse av deras livslängd och en minskning av gummiavfall och materialförbrukning.