Nuevo método químico convierte el caucho usado en resinas de alto valor

El caucho es un material de gran valor con un enorme mercado global. Aunque su uso se remonta a cientos de años, estaba principalmente limitado al caucho natural de los árboles. El proceso moderno de vulcanización, que hace que el caucho sea duradero y versátil, no se desarrolló hasta 1839.

El químico Charles Goodyear inventó el caucho vulcanizado, que es caucho natural o sintético mejorado mediante su tratamiento con azufre, entre otros químicos, y calor.

Propiedades únicas como elasticidad, flexibilidad, resistencia, resistencia a la tracción, resistencia al envejecimiento, impermeabilidad, absorción de impactos y resistencia al calor son las que hacen que el caucho sea tan valioso en la automoción, la construcción, la industria, la salud, los bienes de consumo y el embalaje.

Sin embargo, los desechos de caucho son un problema importante que contribuye a la enorme crisis de residuos, lo que plantea desafíos para el medio ambiente, la salud humana y la economía. El creciente problema de generación de residuos es producto de la urbanización, el desarrollo económico y el crecimiento poblacional.

Los neumáticos, en particular, son el principal contribuyente de los desechos de caucho. La producción total mundial de neumáticos desechados representa el 2 % del total de residuos sólidos anuales.

El grave problema de los desechos de caucho 

Alrededor de mil millones de neumáticos se desechan cada año en todo el mundo, y millones terminan en vertederos. En el Reino Unido solo, se estima que 37 millones de neumáticos de automóviles y camiones se desechan anualmente. Mientras tanto, en EE. UU., más de 274 millones de neumáticos fueron desechados en 2021, con aproximadamente el 20 % de ellos arrojados a sitios de eliminación.

No se trata solo de un problema de espacio. La acumulación de estos materiales de desecho introduce peligros ambientales.

Los productos de caucho contienen varios químicos, incluidos antioxidantes y antiozonantes, que pueden filtrarse al medio ambiente y representar riesgos para la salud. La eliminación inadecuada de los desechos de caucho, especialmente los neumáticos, en los vertederos puede incluso provocar la contaminación del agua subterránea por filtración de sustancias nocivas y metales pesados.

Al ser no biodegradable por naturaleza, persisten en el medio ambiente durante períodos prolongados, contribuyendo a la contaminación y al deterioro visual durante siglos. Además, el caucho es altamente inflamable, y los acumulados de neumáticos desechados pueden representar un riesgo significativo de incendio, liberando contaminantes nocivos al aire.

Un estudio de investigación financiado por el gobierno del Reino Unido sugirió que las partículas de neumáticos son una fuente importante y adicional de microplásticos y podrían, de hecho, ser una fuente de microplásticos en cuerpos de agua.

El estudio fue el primero en identificar esto, demostrando que las partículas de neumáticos pueden ser transportadas directamente al océano a través de la atmósfera o llevadas a alcantarillas y ríos por el agua de lluvia, donde pueden pasar por el proceso de tratamiento del agua.

«Los científicos sospechan desde hace tiempo que los residuos de neumáticos representan una amenaza oculta para el medio marino», pero pocos estudios han medido su abundancia en entornos acuáticos, dijo el profesor Richard Thompson OBE. El estudio brinda «una visión real de la importancia del desgaste de neumáticos como fuente de microplásticos».

Todos estos factores exigen una acción urgente y un cambio hacia prácticas sostenibles de gestión de residuos.

Necesidad de soluciones eficientes para la gestión de desechos de caucho

Los desechos de caucho, particularmente de los neumáticos, son un problema creciente a nivel mundial debido al aumento de la producción y a la vida útil limitada, lo que crea la necesidad de soluciones efectivas de gestión y reciclaje de residuos.

«Se piensa que las partículas de neumáticos están entre las mayores fuentes de contaminación por microplásticos en todo el mundo», y necesitamos «soluciones más sistémicas quizás a través de un diseño mejorado de los neumáticos de los vehículos», dice el profesor Richard Thompson OBE FRS, Director del Marine Institute.

Investigaciones del año pasado, realizadas por la Universidad de Plymouth y la Universidad de Newcastle y financiadas por UK National Highways, muestran que los estanques de retención pueden ayudar a abordar la contaminación de neumáticos. El estudio también señaló que las partículas de desgaste de neumáticos superaban a otras formas de microplásticos y fueron eliminadas en cantidades mucho mayores.

Ahora, se ha encontrado que la presencia de estanques de retención y humedales reduce la cantidad de partículas liberadas por los neumáticos que ingresan a las aguas en un promedio del 75 %, ofreciendo así protección a los ríos y al océano.

Por lo tanto, los investigadores recomendaron que el mantenimiento de humedales y estanques de retención sea una prioridad importante para reducir el flujo de partículas de neumáticos de las carreteras a los ríos.

«Los estanques de retención y los humedales se construyen como parte de proyectos de carreteras principalmente para atenuar el flujo y prevenir inundaciones aguas abajo, pero también para eliminar contaminantes. Estas medidas de drenaje existentes a lo largo de partes de la red estratégica de carreteras del Reino Unido tienen el potencial de detener la propagación de la contaminación por neumáticos.»

— Sra. Florence Parker-Jurd, Investigadora Asociada

Para obtener datos precisos sobre la cantidad total de partículas de desgaste de neumáticos recogidas en la corriente de entrada, salida y sedimentos de los humedales y estanques de retención, el estudio utilizó el método de pirólisis-cromatografía de gases-espectrometría de masas (Py‑GC‑MS) desarrollado por Geoff Abbott de la Universidad de Newcastle. El método se desarrolló para identificar partículas derivadas de neumáticos en el medio ambiente.

Otra solución prometedora es el reciclaje, que puede reducir el impacto ambiental de la eliminación de desechos de caucho y crear nuevos productos a partir de materiales reciclados.

Una aplicación del caucho reciclado es la construcción, donde puede usarse en mezclas de asfalto y hormigón, adoquines y superficies de parques infantiles. Otras aplicaciones incluyen relleno de césped artificial, superficies deportivas, baldosas y aislamiento acústico. Mediante procesos térmicos, el caucho desechado incluso puede convertirse en combustible u otras fuentes de energía.

La pirólisis es un proceso popular que convierte los desechos de caucho en algo útil. En este proceso químico, el caucho se recicla mediante descomposición a alta temperatura. Se separan los enlaces covalentes de la materia orgánica en ausencia de oxígeno.

Al someter los desechos de caucho a descomposición térmica, se producen nanopartículas de negro de carbono reciclado (RCBN) y aceite/gas, que pueden usarse como combustible alternativo en los hornos de cemento.

Los desechos de caucho reciclado obtenidos por pirólisis de neumáticos desechados también pueden usarse para producir hormigón eléctricamente conductor. El caucho conductor se está utilizando en las industrias aeroespacial, militar y automotriz.

Sin embargo, la gestión de desechos de caucho enfrenta serios desafíos. En primer lugar, el enorme volumen de desechos de caucho generado a nivel mundial lo hace extremadamente difícil de gestionar y reciclar de manera eficiente.

Luego está la variedad de productos de caucho y sus complejas composiciones químicas que dificultan el reciclaje y la reutilización. Incluso el proceso ampliamente usado (pirólisis) tiene sus desventajas: genera subproductos nocivos como dioxinas y benceno que representan riesgos para la salud y el medio ambiente.

También existe una falta de infraestructura y tecnología para la recolección, clasificación y reciclaje efectivos de desechos de caucho. Los métodos tradicionales de gestión de residuos se centran en recolectar, quemar y disponer de los desechos de caucho en vertederos.

En este contexto, es esencial que desarrollemos técnicas de gestión de residuos eficientes para abordar el creciente problema de los desechos de caucho de manera efectiva.

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Un nuevo proceso químico para reutilizar los desechos de caucho

Un nuevo estudio, financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y publicado en Nature¹, ha introducido una nueva técnica para abordar los desechos de caucho.

Debido a la falta de estrategias para el reciclaje químico de polímeros dieno de uso común, como los que se encuentran en los neumáticos, se ha desarrollado un nuevo método químico para descomponer los desechos de caucho.

Un equipo de investigadores liderado por el Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy, profesor asistente del Departamento de Química de la UNC‑Chapel Hill, aplicó aminación C‑H junto con una estrategia de reordenamiento de la columna vertebral del polímero para transformar el caucho desechado en precursores para resinas epoxi.

Esta deconstrucción de materiales ofrece una alternativa innovadora, práctica y sostenible a los métodos tradicionales de reciclaje. También pretende superar los desafíos de los enfoques tradicionales para descomponer el caucho.

El caucho está compuesto por polímeros que están entrecruzados formando una red tridimensional. Este extenso entrecruzamiento dentro de la estructura del polímero hace que el caucho sea un material resistente, flexible y duradero, pero también lo vuelve resistente a la degradación.

Existen dos técnicas convencionales principales para descomponer el caucho: la devulcanización, un proceso que rompe los enlaces de azufre pero erosiona las propiedades mecánicas del polímero, y la escisión de las columnas vertebrales del polímero mediante métodos catalíticos u oxidativos, que tiende a producir subproductos de bajo valor.

Ninguno de los métodos brinda una solución eficiente y escalable para reutilizar los desechos de caucho. Para superar estos obstáculos, la investigación desarrolló “un método que descompone el caucho en materiales funcionales que poseen valor incluso como mezcla”, dijo el autor principal, el Dr. Zhukhovitskiy.

Para ello, los investigadores desarrollaron un reactivo de diimida de azufre, que es una imina de dióxido de azufre, que permite hasta un 35 % de aminación alílica de polímeros dieno y caucho. Luego se aplicó el reordenamiento catiónico 2‑aza‑Cope para deconstruir los polímeros.

La introducción del reactivo de diimida de azufre permite la colocación de grupos amina en ubicaciones específicas de las cadenas poliméricas y prepara el escenario para el posterior reordenamiento de la columna vertebral. La reacción química es lo que reestructura la columna vertebral del polímero. Esta reorganización implica la deconstrucción del caucho en materiales solubles funcionalizados con amina. Este proceso de dos pasos, como mostraron los investigadores, funciona de manera sobresaliente.

Al probarse en un polímero modelo, los investigadores lograron descomponerlo considerablemente. El peso molecular del polímero se redujo a aproximadamente 400 g/mol desde 58 100 g/mol.

Al aplicar su método al caucho usado, pudieron descomponerlo por completo en cuestión de seis horas. El caucho post‑consumo aminado se transformó en un material soluble con grupos amina que pueden utilizarse para producir materiales como resinas epoxi.

Las resinas epoxi son conocidas por sus excelentes propiedades de unión. Se utilizan en adhesivos, recubrimientos, selladores, aislamiento eléctrico y reparaciones de ingeniería civil. Las resinas epoxi se fabrican típicamente a partir de productos químicos derivados del petróleo, como el bisfenol A y los agentes de curado.

Según la investigación, los termofijos epoxi preparados con los polímeros funcionalizados con amina resultantes tienen una resistencia similar a las resinas comerciales derivadas del bisfenol A.

«En momentos como este, llego a apreciar el poder de la síntesis orgánica. Es fascinante ver la facilidad con la que la secuencia desarrollada de transformaciones orgánicas simples pero poderosas puede atacar un vínculo C—C obstinado y convertir cauchos basados en polibutadieno y poliisopreno en resinas epoxi potencialmente valiosas.»

Además, el novedoso reciclaje químico de materiales post‑consumidor es altamente eficiente en comparación con los métodos de reciclaje convencionales, que a menudo requieren catalizadores costosos o temperaturas extremas.

En este estudio, los investigadores obtuvieron sus resultados a temperaturas suaves, 35‑50 °C (95‑122 °F) en medio acuoso, lo que hace que el proceso sea rentable y respetuoso con el medio ambiente.

El impacto ambiental del proceso se evaluó utilizando el Factor de Impacto Ambiental (E‑factor), “una métrica simple pero poderosa”, que calcula la cantidad real de residuos midiendo los desechos generados en relación con el rendimiento del producto.

Además de comparar el impacto de un proceso nuevo con los existentes, el Dr. Geoff Lewis, especialista en investigación en el Center for Sustainable Systems de la Universidad de Michigan, explicó que el E‑factor también destaca “pasos del proceso que pueden mejorarse mientras trabajamos para trasladar este proceso del laboratorio a la práctica.”

El E‑factor completo del proceso, que incluye el uso de solventes, fue alto. Sin embargo, su E‑factor simple fue mucho más bajo, excluyendo los solventes. Esto resalta las áreas del proceso que pueden optimizarse para la sostenibilidad.

Así que el equipo está ahora explorando sistemas de solventes más verdes y condiciones de reacción alternativas para reducir la generación de residuos.

«Al aprovechar el poder de la aminación C‑H y el reordenamiento de la columna vertebral, este método brinda una nueva vía para transformar el caucho post‑consumidor en materiales de alto valor, reduciendo la dependencia de los vertederos y minimizando el daño ambiental.»

Empresa innovadora

Goodyear Tire & Rubber Co  

Fundada en 1898, Goodyear es un importante fabricante de neumáticos que está invirtiendo en alternativas sostenibles de caucho e iniciativas de reciclaje.

En enero de 2022, la compañía lanzó un neumático de demostración fabricado con material sostenible. El neumático incluye 13 ingredientes destacados en nueve componentes diferentes y ofrece un rendimiento general sólido.

Esto incluye negro de carbono, que se usa para aumentar la vida útil del neumático y se produce quemando varios tipos de productos petrolíferos. Sin embargo, para reducir la circularidad y las emisiones de carbono, ahora se presentan cuatro tipos de derivado, producidos a partir de aceite vegetal, dióxido de carbono, metano y materias primas de aceite de pirólisis de neumáticos al final de su vida (TPO).

El aceite de soja en el neumático sostenible ayuda a mantener la flexibilidad de su compuesto de caucho en temperaturas cambiantes, mientras que la sílice de alta calidad, fabricada a partir de residuos de cáscara de arroz, mejora el agarre y reduce el consumo de combustible.

El poliéster usado en los neumáticos se recicla a partir de botellas post‑consumidor, mientras que las resinas de pino, que son bio‑renovables, han reemplazado a las tradicionales basadas en petróleo.

En ese momento, el contenido de material sostenible de los neumáticos de Goodyear era del 70 %, y se informó que aumentaría al 90 % en 2023, acercándose a su objetivo de crear el primer neumático fabricado completamente con materiales sostenibles.

La compañía ha informado que el neumático de demostración superó todas las pruebas regulatorias e internas aplicables. En comparación con los neumáticos fabricados con materiales tradicionales, se encontró que el neumático de demostración también tiene una resistencia a la rodadura más baja, lo que significa un mayor ahorro de combustible y una huella de carbono reducida.

Hace unos meses, la compañía presentó un neumático ElectricDrive Sustainable‑Material (EDS), lo que marca un paso fundamental en su objetivo de introducir el primer neumático de la industria 100 % sostenible para 2030.

En medio del auge de los vehículos eléctricos (EV) y el enfoque en la sostenibilidad, estos neumáticos EDS están diseñados específicamente para EV, ofreciendo gran autonomía, menor resistencia a la rodadura, reducción del ruido y un frenado y manejo en mojado superiores.

En cuanto a las finanzas de la empresa, Goodyear, con una capitalización de mercado de 2,5 mil millones de dólares y cuyas acciones cotizan actualmente a 8,85 $, con una caída del 2,33 % en lo que va del año, anunció un ingreso neto de 76 millones de dólares o 26 centavos por acción, en comparación con una pérdida neta de 291 millones de dólares hace un año, y 114 millones de dólares en ingreso neto ajustado o 39 centavos por acción para el cuarto trimestre de 2024.

Durante este período, las ventas de la compañía fueron de 4,9 mil millones de dólares, con un volumen de unidades de neumáticos de 43,6 millones. Para el año completo, las ventas fueron de 18,9 mil millones de dólares, con un volumen de unidades de neumáticos de 166,6 millones.

En 2024, Goodyear reportó un ingreso neto de 70 millones de dólares o 24 centavos por acción, en comparación con una pérdida neta de 689 millones de dólares hace un año, y un ingreso neto ajustado de 302 millones de dólares o 1,05 $ por acción.

Los flujos de efectivo de actividades operativas durante este período fueron de 698 millones de dólares, una disminución respecto a 1,032 mil millones del año anterior. El mes pasado, la compañía cerró con éxito la venta de su negocio de neumáticos off‑the‑road a The Yokohama Rubber Company, mientras que se anticipa que la venta de la marca Dunlop a Sumitomo Rubber Industries se cierre a mediados de año.

Al hablar de su primer año en Goodyear, el CEO Mark Stewart expresó satisfacción con el progreso logrado en 2024, durante el cual la compañía superó las expectativas, aumentó las ganancias y alcanzó acuerdos para desinvertir en activos no esenciales.

«De cara al futuro, seguimos comprometidos a alcanzar nuestros objetivos ampliados de Goodyear Forward, incluyendo una mayor expansión de márgenes y una reducción significativa de la deuda.»

– CEO Stewart

Para 2025, la compañía espera una “desapalancamiento significativo”, expansión de márgenes y optimización de su cartera para impulsar el valor para los accionistas. Se proyecta que Goodyear genere ingresos brutos superiores a 2 mil millones de dólares y una razón de apalancamiento neto de 2,0 x a 2,5 x para fin de año.

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Conclusión

Los desechos de caucho, principalmente de los neumáticos, presentan un gran desafío que exige nuestra atención urgente y soluciones eficientes. Los métodos existentes como la pirólisis, aunque se usan ampliamente, generan subproductos peligrosos. Mientras tanto, los métodos tradicionales de reciclaje luchan con la eficiencia y la escalabilidad.

Dado que los desechos de caucho son un problema creciente y crítico, los investigadores están explorando nuevas vías, como los estanques de retención para la filtración de microplásticos y procesos químicos que implican aminación C‑H y reordenamiento de la columna vertebral para la deconstrucción del caucho, ofreciendo soluciones prometedoras y más verdes.

Con la investigación continua y la adopción por parte de la industria, estos avances pueden ayudar a minimizar la contaminación por caucho, reducir los residuos en vertederos y transformar los desechos de caucho en materiales valiosos.