New insights in vulcanization chemistry using microwaves as heating source

Abstract

La vulcanització per microones és un procés madur i no hi ha dubte sobre la seva eficiència per produir articles de cautxú d'alta qualitat. Les microones són conegudes no només per la seva capacitat d'accelerar els processos i augmentar la eficiència de la transferència energètica, sinó que també són capaces en certs casos de canviar els camins de reacció. Hi ha evidències, basades en canvis en propietats físiques al comparar productes vulcanitzats amb el mètode convencional i amb microones, que indiquen que alguns canvis poden succeir al treballar amb diferents fonts d'escalfament. No obstant això, hi ha una falta d'informació sobre els efectes que les microones tenen en la química de la vulcanització. Per tant, el principal objectiu d'aquesta tesi es basa en estudiar la vulcanització assistida amb microones des d'una nova perspectiva, centrant-se en els efectes d'aquesta radiació en els ingredients principals de les formulacions de cautxú, en el mecanisme de vulcanització, en la reticulació de la xarxa polimèrica i també en el procés de devulcanització.<br/><br/>La primera part de la feina va consistir en desenvolupar i optimitzar tots els mètodes analítics necessàris per explorar totes les etapes del procés de vulcanització i identificar tots els intermedis formats. Estudis de Model Compound Vulcanization (MCV) utilitzant esqualè com a molècula model s'han realitzat per entendre millor la influència d'aquesta radiació en el mecanisme de la reacció, encara que alguns experiments també s'han realitzat amb mostres de cautxú natural. Tècniques com HPLC-MS, MALDI-TOF o GPC s'han utilitzat per caracteritzar les mostres de MCV, mentre que mesures d'inflament, de tensió-elongació, compressió i duresa s'han realitzat per caracteritzar les mostres de cautxú natural.<br/><br/>Dos dels sistemes de vulcanització més comuns han estat estudiats (sulfenamides i tiurams). A més, s'ha donat un especial èmfasi a l'estudi de la influència de les microones en el sistema activador, intentant reduir el contingut de ZnO i cercar, a través de diverses estratègies, substituts més amigables amb el medi ambient. Finalment, tot el coneixement adquirit en aquests estudis s'ha utilitzat per optimitzar el comportament devulcanitzant del disulfur de difenil (DPDS) amb l'ajut de les microones, demostrant que les microones poden ajudar a avançar en la recerca d'una solució al problema del reciclatge dels residus de cautxú.

La vulcanización por microondas es un proceso maduro y no cabe duda sobre su eficiencia para producir artículos de caucho de alta calidad. Las microondas son conocidas no sólo por su capacidad de acelerar los procesos y aumentar la eficiencia de la transferencia energética, sino que también son capaces en ciertos casos de cambiar los caminos de reacción. Hay evidencias, basadas en cambios en propiedades físicas al comparar productos vulcanizados con el método convencional y con microondas, que indican que algunos cambios pueden suceder al trabajar con diferentes fuentes de calentamiento. Sin embargo, hay una falta de información sobre los efectos que las microondas tienen en la química de la vulcanización. Por lo tanto, el principal objetivo de esta tesis se basa en estudiar la vulcanización asistida por microondas desde una nueva perspectiva, centrándose en los efectos de esta radiación en los ingredientes principales de las formulaciones de caucho, en el mecanismo de vulcanización, en la reticulación de la red polimérica y también en el proceso de devulcanización.<br/><br/>La primera parte del trabajo consistió en desarrollar y optimizar todos los métodos analíticos necesarios para explorar todas las etapas del proceso de vulcanización y identificar todos los intermedios formados. Estudios de Model Compound Vulcanization (MCV) utilizando escualeno como molécula modelo se han realizado para entender mejor la influencia de esta radiación en el mecanismo de la reacción, aunque algunos experimentos también se han realizado con muestras de caucho natural. Técnicas como HPLC-MS, MALDI-TOF o GPC se han utilizado para caracterizar las muestras de MCV, mientras que medidas de inflamiento, de tensión-elongación, compresión y dureza se han realizado para caracterizar las muestres de caucho natural.<br/><br/>Dos de los sistemas de vulcanización más comunes han sido estudiados (sulfenamidas y tiuramos). Además, se ha dado un especial énfasis al estudio de la influencia de las microondas en el sistema activador, intentando reducir el contenido en ZnO y buscar, a través de diversas estrategias, substitutos más amigables con el medio ambiente. Finalmente, todo el conocimiento adquirido en estos estudios se ha utilizado para optimizar el comportamiento devulcanitzante del disulfuro de difenilo (DPDS) con ayuda de las microondas, demostrando que las microondas pueden ayudar a avanzar en la búsqueda de una solución al problema del reciclaje de los residuos de caucho.

Microwaves vulcanization is a mature process and there is no doubt about its efficiency on producing high quality goods. Microwaves are found not only to speed up the processing and increase the energy transfer efficiency, but also to be in some cases able to change reaction pathways. There are some evidences, based on changes in physical properties when comparing conventional and microwaves vulcanization, that suggest that some changes occur when working with different heating sources. However, there is a lack of information of the effects of MW in vulcanization chemistry. Therefore, the principal aim of this thesis consists of studying microwave-assisted vulcanization from a new perspective, focusing on the effects of this radiation in the main ingredients of a rubber compound, in the vulcanization mechanism, in the final crosslinked network and also in the devulcanization process.<br/><br/>The first part of the work consisted in developing and optimizing all the analytical methods necessary to explore all the steps of vulcanization process and identifying all the intermediates formed. Model Compound Vulcanization (MCV) studies, using squalene as a model molecule, have been used to understand better the influence of this radiation in the reaction mechanism, even though some tests have been also performed in natural rubber samples. Techniques as HPLC-MS, MALDI-TOF or GPC have been used to characterize the MCV samples, whereas swelling measurements, stress-strain measurements, compression set or hardness have been used to characterized natural rubber samples. <br/><br/>Two of the most common vulcanizing systems have been studied (using sulfenamide and/or thiuram accelerator types). In addition, a special emphasis has been given to the study of the microwaves influence on the activator system, trying to reduce ZnO contents and finding more environmental friendly substitutes through different strategies. Finally, all the knowledge acquired in all these studies has been used to optimize the devulcanizing behavior of diphenyl disulfide (DPDS) with the help of microwaves, proving that microwaves can help to advance in the search of a solution to the problem of waste rubber recycling.