The circular economy principles of repair, recycle, and reduce applied to the development of styrene-butadiene rubber composites

Resumen

Actualmente el mundo está experimentando una transformación radical. Las estrictas regulaciones ambientales y el precio fluctuante de las materias primas están conduciendo a la sociedad a desarrollar hábitos de consumo más responsables. Uno de los problemas ambientales más graves que enfrenta la sociedad es la acumulación de grandes cantidades de neumáticos al final de su vida útil (NFVU) en vertederos, agravado continuamente por el aumento de la producción automotriz a lo largo de los años, por lo que es indispensable reducir esta contribución mediante estrategias enmarcadas dentro del modelo de economía circular (EC). El modelo de EC tiene como objetivo alargar la vida útil de los recursos mediante su uso racional y eficiente, con el fin de generar valor de forma repetida, reduciendo costes y residuos. Los principios de la economía circular se basan en 7 nociones básicas (Rediseñar, Renovar, Reducir, Reutilizar, Reparar, Recuperar y Reciclar). El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el desarrollo de compuestos sostenibles de caucho de estireno-butadieno (SBR), dado que el SBR es uno de los elastómeros más utilizados en neumáticos, que combinen propiedades de autorreparación con el uso de desechos de neumático como carga alternativa a las cargas reforzantes tradicionales, para abordar la problemática de la gestión de los desechos de neumáticos, y siguiendo los principios de la EC de Reparar, Reciclar y Reducir. En este trabajo se estudió sistemáticamente la capacidad de autorreparación del SBR. El mecanismo de reparación se logra a través de la combinación de diferentes procesos físicos y químicos, que conducen a la restauración de los entrecruzamientos en la superficie dañada, lo que prolongará la vida útil del material y reducirá la generación de desechos de neumático. Adicionalmente, la incorporación de desechos de neumáticos y sistemas reforzantes híbridos a la matriz autorreparable resultó en un equilibrio positivo entre propiedades mecánicas y eficiencia de reparación. Este resultado proporciona un uso alternativo de los desechos de neumáticos, reduciendo la demanda de recursos no renovables y contribuye a la restauración de ecosistemas degradados. Finalmente, el estudio exhaustivo de la dinámica molecular de los compuestos desarrollados, permitió establecer correlaciones entre la dinámica y la estructura molecular de los compuestos, las propiedades físicas y el posible mecanismo de reparación. Los compuestos híbridos desarrollados en presencia de un agente de acoplamiento (CA) resultó en la mejora de dos factores de gran importancia en la industria del neumático, la resistencia a la rodadura relacionada con el consumo de combustible y el agarre en mojado relacionado con la seguridad en la conducción Esta Tesis Doctoral sirve como punto de partida para el desarrollo de nuevos sistemas elastoméricos viables económica, energética y ambientalmente, con uso potencial en la industria del neumático donde las demandas tecnológicas y de sostenibilidad aumentan día a día, y al mismo tiempo, define un escenario respetuoso con el medio ambiente para abordar el problema de la gestión de los NFVU. The world is currently undergoing a radical transformation. The more stringent environmental regulations and the fluctuating price of raw materials are leading society to develop more responsible consumption habits. One of the most serious environmental problems facing society today is the accumulation of large quantities of end-of-life tires (ELTs) in landfill sites, and the increasing automotive production over the years continuously aggravates it. Therefore, it is essential to reduce this contribution through strategies framed within the circular economy model. The circular economy (CE) model aims at extending the lifetime of resources through their rational and efficient use in order to generate value repeatedly, reducing costs and waste. The main principles of the CE (Redesign, Renew, Reduce, Reuse, Repair, Recover and Recycle). The main objective of this Doctoral Thesis is the development of sustainable styrene-butadiene rubber (SBR) composites, since SBR is one of the main elastomers used in tires, combining self-healing properties, and with the inclusion of rubber tire waste as a sustainable alternative to traditional reinforcing fillers, to address the tire waste management issue, and following the CE principles of Repair, Recycle and Reduce. In this work, the self-healing capacity of the SBR was systematically studied. The healing mechanism arises from the combination of two different physical and chemical processes, which leads to the restoration of cross-links across damaged surfaces and extends the rubber lifetime and reducing rubber waste. Additionally, the incorporation of rubber tire waste and hybrid reinforcing systems into the self-healing matrix resulted in a positive balance between tensile strength and healing capability. This result provides an alternative use of ELTs, reducing the demand of non-renewable resources and contributing to the restoration of degraded ecosystems. Finally, an exhaustive study of the molecular dynamics of the developed composites, allowed to establish correlations between the dynamics and the molecular structure of the composites, the physical properties and the possible repair mechanism. Hybrid composites in presence of a coupling agent (CA) resulted in the improvement of two main factors in the tire industry, rolling resistance related to fuel consumption and wet grip related to driving safety. This Doctoral Thesis serves as a starting point for the development of new economically, energetically and environmentally convenient elastomeric systems, with potential use in the tire industry, where technological and sustainability demands are growing every day, and at the same time, defines an environmentally friendly scenario for addressing the rubber waste disposal issue.