Investigation of a thermo-mechanical recycling process for rubber waste

Le recyclage des élastomères est devenu important pour des raisons environnementales et financières. Une forme de recyclage consiste à dévulcaniser l’élastomère afin de le réintroduire comme matière première. Il s'agit d'un processus délicat car l'objectif est de rompre le réseau polymère en brisant les ponts soufre sans endommager les chaînes polymères. Ce travail vise à étudier un procédé de dévulcanisation appelé "High Shear Mixing" (HSM). Une machine a été conçue, construite et instrumentée. Dans le procédé HSM, l’élastomère est cisaillé entre deux cônes ayant des géométries spécifiques. Pendant ce cisaillement, la matière est auto-chauffée, un système de refroidissement limite l’augmentation de température. Les objectifs de l’étude étaient de mieux comprendre le procédé et les processus physiques, de déterminer un paramètre procédé pour suivre l’évolution de la matière au cours du traitement et d’optimiser le procédé. Notre analyse a mis en évidence 2 paramètres: la température de l’élastomère et l'énergie consommée au cours du procédé. Cette énergie peut être corrélée au degré de dévulcanisation qui est mesuré par des analyses physico-chimiques. L’activation des surfaces d’élastomère créées pendant le traitement a été mis en évidence. Un modèle physique de l'évolution du réseau polymère est proposé. Pour valider l'efficacité du recyclage, l'effet de l'ajout de différentes fractions de la matière traitée dans la même formulation de matière première a été testé. Une méthode Taguchi a été utilisée pour concevoir les formulations et les facteurs HSM à tester. Les mélanges reformulés ont été vulcanisés et leurs propriétés ont été analysées.The recycling of rubber in the industry has become highly important due to environmental and financial reasons. A recycling approach is to devulcanize the rubber in order to reintroduce it as a raw material. This is a challenging process since the objective is to rupture the rubber network by breaking sulfur bridges without damaging the polymer chains. This work aims to study a devulcanization process known as “High Shear Mixing” (HSM). A machine was designed, built and instrumented with the purpose of studying the different phenomena occurring during the devulcanization process. During the treatment, the rubber is sheared between two cones with special geometries. During this shearing the treated rubber is self-heated, a cooling system prevents the rubber degradation due to excessive heat. The objectives were to better understand the process and the physics behind, to determine a process parameter to follow the rubber evolution and to optimize the treatment. Our analysis highlighted 2 parameters: the rubber temperature and the specific mechanical energy consumed during the process. This energy can be correlated to the degree of devulcanization of the rubber which is measured by means of physicochemical analyses. An optimal state of surface activation on the treated rubber was also described. A physical model of the rubber network evolution along the HSM treatment is proposed. To validate the recycling efficiency, the effect of adding different fractions of treated rubber in the same raw material formulation was tested. A Taguchi method was used to design formulations and HSM factors to be tested. Reformulated mixtures were vulcanized and rubber properties were analyzed