Etude et adaptation des propriétés des noirs de carbone récupérés à partir de pneumatiques usagés dans un contexte d'économie circulaire

Improving circularity of recovered carbon blacks from waste tyres : investigating and tailoring their properties

• Auteur / Autrice : Petros Kasaira Mubari
• Direction : Elsa Weiss-Hortala, Pascal Puech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Alain Celzard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elsa Weiss-Hortala, Pascal Puech, Guillain Mauviel, Cécile Zakri, Brigitte Caussat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillain Mauviel, Cécile Zakri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Pneumatique

Économie circulaire

Éco-matériaux

Noir de carbone

Mots clés libres

Noir de carbone récupéré

Thermoconversion

Dispersibilité

Fonctionnalisation

Matériaux biosourcés

Economie circulaire

Recovered carbon black

Thermoconversion

Dispersibility

Functionalisation

Bio-based materials

Circular economy

Résumé

La gestion des pneumatiques en fin de vie reste un sujet critique en raison des réglementations imposant la récupération puis le réemploi et la valorisation des pneumatiques usagés. Le noir de carbone, un produit manufacturé d'origine pétrochimique et dont la voie de production est énergivore et polluante, constitue le renfort mécanique principal du caoutchouc dans le pneumatique. Sa récupération et sa réintroduction dans la fabrication de nouveaux pneumatiques constituent un enjeu d'économie circulaire. Seules des techniques chimiques (solvants organiques toxiques) ou thermochimiques sont à même d'isoler le noir de carbone du caoutchouc vulcanisé. Dans la fabrication des pneumatiques, la tenue mécanique est assurée par les noirs de carbone tandis que l'adjonction croissante de silice réduit la résistance au roulement et augmente la durée de vie. A l'issue du procédé de pyrolyse en présence de vapeur d'eau, l'élastomère est dégradé et la phase solide est constituée de noir de carbone, de silice et de cendres (zinc, soufre). Dans cette thèse, les propriétés physiques et chimiques des noirs de carbone récupérés dans des mélanges modèles sont analysées avec plusieurs techniques complémentaires. En effet, le noir de carbone récupéré n'a actuellement pas les propriétés suffisamment proches du matériau d'origine pour servir l'industrie des élastomères car sa dispersion est limitée. Afin de mieux évaluer les modifications induites par le procédé thermochimique mais aussi le rôle des cendres provenant de la formulation, les techniques physiques comme la diffraction des rayons X, qui montre la fraction du dépôt carboné supplémentaire, ont été utilisées. Des techniques chimiques comme l'adsorption de gaz ou la désorption en température programmée ont mis en évidence la modification de porosité et le gain de fonctions oxygénées de surface. Il a ainsi été possible de différencier plus nettement le noir de carbone N330 d'origine et le noir de carbone récupéré. D'autres expériences axées sur la dispersibilité du matériau récupéré dans divers liquides ont mis en évidence la complexité du comportement du matériau. Afin d'améliorer l'incorporation des noirs de carbones récupérés dans l'élastomère, des tests de fonctionnalisation par dépôt de nano-cellulose cristalline et par réduction des fonctions oxygénées par traitement hydrogène ont été réalisés. L'ensemble des résultats constitue une contribution importante à la compréhension physico-chimique des noirs de carbone récupérés et s'insère dans un objectif vertueux d'économie circulaire et de réduction des émissions polluantes.

The management of end-of-life tyres remains a critical issue, given the regulations requiring used tyres to be recovered, reused and recycled. Carbon black is a manufactured product of petrochemical origin whose production process is energy-intensive and polluting, it is the main mechanical reinforcement filler of rubber in tyres. Recovering carbon black and reintroducing it into the formulation of new tyres is a major challenge for the circular economy. Currently, only chemical (toxic organic solvents) or thermochemical techniques are capable of isolating carbon black from vulcanised rubber. In the manufacture of tyres, carbon blacks ensure mechanical strength, while the increasing addition of silica reduces rolling resistance and increases service life. At the end of the pyrolysis process in the presence of steam, the elastomer is degraded and the solid phase is made up of carbon black, silica and ash (zinc, sulphur). In this thesis, the physical and chemical properties of carbon black recovered from model tyre tread mixtures are analysed using several complementary techniques. At present, recovered carbon black does not have properties close enough to those of the original material that is used in the elastomer industry, because it is not sufficiently dispersed. In order to better assess the modifications induced by the thermochemical process, as well as the role of ash from the formulation, physical techniques such as X-ray diffraction, which shows the fraction of the additional carbon deposit, have been used. Chemical techniques such as gas adsorption and desorption at programmed temperatures have highlighted the change in porosity and the gain in oxygen-containing surface functional groups. This made it possible to differentiate more clearly between the original N330 carbon black and the recovered carbon black. Other experiments focusing on the dispersibility of the recovered material in various media highlighted the complexity of the material's behaviour. In order to improve the incorporation of the recovered carbon blacks into the elastomer, functionalisation tests were carried out by depositing crystalline nano-cellulose and reducing the oxygen-containing surface functional groups by hydrogen treatment. These results represent a major contribution to the understanding of the physico-chemical properties of recovered carbon blacks, and form part of a virtuous objective to promote the circular economy and reduce pollutant emissions.