Study of compatibilization methods for high density polyethylene and ground tyre rubber : exploring new route to recycle scrap tyres
Authors:   , Casas Carné María del Pilar 
Published: September 2023

Cotxes, camions, tractors, avions... tots necessiten els neumàtics com a component imprescindible per al seu funcionament. Malauradament, degut al desgast per ús, els neumàtics tenen una vida útil limitada que obliga a renovar-los cada cert temps passant a ser Neumàtics Fora d'Ús (NFU). Paradògicament, els neumàtics són formulats per a suportar condicions extremes d'ús i, entre d'altres matèries primeres contenen cautxú vulcanitzat, una elevada quantitat d'estabilitzants i d'altres additius que fan dels neumàtics un material no biodegradable. Fins al 2006, era possible desar els NFU en abocadors però aquesta pràctica va ser prohibida per la Comunitat Europea (directiva 1993/31/EC). Aquesta directiva conjuntament amb la creixent consciència mediambiental ha potenciat la investigació per a trobar noves aplicacions per les 3.4milions de tones de NFU que es generen a l'any a Europa. Els NFU són emprats com a font d'energia o en aplicacions civils, però cada vegada més, són emprats en autopistes o per usos decoratius després de patir un procés de separació i trituració (NFU triturat). Les propietats físico-químiques dels NFU en fan un material molt interessant per la comunitat científica internacional que es centra en buscar noves vies de reciclatge mitjançant aplicacions d'alt valor afegit.<br/><br/>Una opció per reciclar grans volums de NFU és utilitzar-los granulats com a càrrega en matrius termoplàstiques, encara que aquesta és una tasca difícil degut a la baixa compatibilitat entre aquests dos materials. Les seves característiques superficials són les responsables d'aquesta baixa compatibilitat. Cal afegir també que el tamany de les partícules de NFU obtingudes a partir de processos industrials és entre 400 and 600&#956;m, sent aquest un tamany massa gran per poder ser fàcilment embolcallades per qualsevol matriu. D'altra banda, el cautxú dels neumàtics és troba altament vulcanitzat i, per tant, aquest reaccionarà químicament amb dificultats amb d'altres materials. Totes aquestes propietats fan dels NFU un material difícil de treballar-hi. <br/><br/>La present tesis estudia diferents mètodes de compatibilització d'un Polietilè D'alta Densitat (PEAD) de grau d'injecció i NFU triturat obtingut a partir de processos estàndards de molturació. La resina de PEAD va ser escollit com a matriu degut al seu ampli rang d'aplicacions d'injecció. L'objectiu principal és explorar diferents mètodes de compatibilització d'aquests dos materials per obtenir òptimes propietats mecàniques, tèrmiques i morfològiques en aplicacions d'injecció. Els composites són optimitzats per a que continguin la màxima quantitat de NFU, una adequada transformació i el mínim cost. <br/><br/>Després d'un estudi preliminar de composites basats en NFU i PEAD s'han estudiat tres mètodes diferents per millorar l'adhesió entre aquests dos materials. El primer mètode consisteix en oxidar la superfície de les partícules de NFU granulat amb tractament basats en àcids, amb l'objectiu de proporcionar rugositat per a un anclatge mecànic. En el segon mètode s'han emprat additius humectants i ceres, ja que aquestes substàncies redueixen la tensió interfacial entre les partícules de NFU i la matriu de PEAD. En l'últim mètode, es va estudiar la influència de l'Etilè Propilè Diè Monòmer (EPDM). Amb aquest mètode, les partícules de NFU són embolcallades per l'EPDM, aquest efecte pot ser millorat amb l'ús de peròxids. Les propietats dels "composites" són bastant diferents en funció del mètode emprat.<br/><br/>Després d'una comparació dels "composites" obtinguts pels tres mètodes, s'ha trobat que el que conté 30% d'EPDM i dos peròxids, corresponent a la formulació:: <br/><br/>30% NFU + 40% PEAD + 30% EPDM + 0.5% Trigonox 311 + 0.1% Peròxid de Dicumil<br/><br/>compleix els objectius fixats en la tesis: bona adhesió entre les partícules de NFU i el PEAD on l'elevat valor d'elongació n'és una conseqüència directa, la seva obtenció mitjançant un procés de compatibilització de cost reduït, un nou material amb una elevada quantitat de NFU (30%), la seva facilitat de transformació,, i el més important, una nova via de reciclatge dels NFU per a una aplicació d'alt valor afegit.

Cars, trucks, tractors, airplanes. all need tyres as essential component to work. Unfortunately, due to its continuous use, tyres suffer from wear and have a limited lifetime; therefore, they must be changed every certain time becoming end of life tyres (EOL tyres). Paradoxically tyres are formulated to withstand difficult conditions and among other raw materials, they contain vulcanizated rubbers, high amount of stabilizers and other additives that turn tyres into non biodegradable material. Until 2006, disposal of EOL tyres in landfills was a common practice but it was banned by the European Community (directive 1993/31/EC). This European legislation together with an increasing environmental consciousness has instigated researchers to find applications for 3.4million tonnes of used tyres generated per year in Europe. Some extended uses for EOL tyres are energy recover and civil applications but the use of tyres after separation and grinding processes (material know as Ground Tyre Rubber - GTR), has increased during the last decade. Physical and chemical properties of EOL tyres make them an interesting material for the international research community focused today on finding new ways to recycle tyres for value added applications. <br/><br/>A good option to recycle big volumes of discarded tyres is using GTR particles as filler in thermoplastic matrixes, although this is a difficult task due to the low compatibility between the two materials. The surface characteristics of the GTR particles are responsible of this low compatibility. Despite these facts, the particle size obtained from standard industrial grinding processes is between 400 and 600&#956;m. These particles are too large to be entrapped easily in polymeric matrixes. These characteristics in conjunction with the fact that GTR is made of highly crosslinked rubber with difficulties to react chemically to other materials, make GTR a material very difficult to work with.<br/><br/>The present thesis deals with the study of different compatibilization methods for an injection moulding grade of High Density Polyethylene (HDPE) and GTR obtained from standard industrial grinding process. The HDPE resin was chosen due to its wide range of injection moulding applications. The aim is to explore different methods to mix these two materials and obtain optimum mechanical, thermal and morphological properties for injection moulding applications. The composites are optimized to obtain the highest GTR amount, adequate processability and minimum cost. <br/> <br/><br/>After a preliminary study of the composites based on GTR and HDPE, three different methods to improve the adhesion between these two materials are studied. The first method consists in an oxidizing treatment on GTR particles surface in order to promote mechanical anchoring. In the second method the influence of wetting additives and waxes is studied. These substances reduce interfacial tension between GTR particles and HDPE matrix. The third and last method, study the influence of Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) addition with and without peroxides. In this method, GTR particles are encapsulated by EPDM and this effect can be boosted by the use of peroxides. The composites properties are quite different depending on the used method.<br/><br/>After a comparison of the composites obtained by the three different compatibilization methods, it is found that the one with 30% of EPDM plus two peroxides, corresponding to<br/><br/>30% GTR + 40% HDPE + 30% EPDM + 0.5% Trigonox 311 + 0.1% Dicumyl Peroxide<br/><br/>fulfil the objectives of the thesis. This composite has good adhesion between GTR and HDPE that results in high elongation, it is obtained by a cheap compatibilization process and contains a high amount of recycled tyres (30%), it is easy to process, and the most important thing, it represents a new route to recycle scrap tyres for a value added application.