Reutilização de resíduos de filtro de carvão ativado como carga de semireforço em compósitos de borracha vulcanizada

Resumo A crescente geração de resíduos sólidos urbanos, aliada à necessidade de reduzir o uso de insumos petroquímicos na indústria de polímeros, impulsiona a busca por alternativas sustentáveis de aproveitamento de materiais descartados. Neste contexto, esta dissertação investigou a viabilidade técnica e ambiental da reutilização de carvão ativado residual (CA), proveniente de filtros de água saturados, como carga funcional em compósitos de borracha natural (BN) vulcanizada. A metodologia envolveu a preparação de formulações com diferentes teores de CA (5, 10, 15 e 20 phr), bem como a realização de análises físico-químicas (XRF e pH), morfológicas (MEV) e mecânicas (resistência à tração, dureza Shore A, massa específica, reometria e resistência à abrasão). Os resultados indicaram que a adição de CA promoveu reforço mecânico até 10 phr, com aumento de densidade de ligações cruzadas, sem grandes alterações no tempo de cura. A caracterização elementar revelou que o resíduo é composto principalmente de carbono contendo baixas concentrações de metais, alguns potencialmente tóxicos, reforçando a importância do reuso do resíduo. Amostras com 10 phr de resíduo atingiram 13,9 Mpa no ensaio mecânico de tração vs. deformação, comparado a 11,4 MPa da goma pura (sem resíduo) e 14,4 MPa para os compósitos contendo BN e 5 phr de N330, carga comercial tradicionalmente empregada como reforçante. Os resultados indicam que o CA residual é uma alternativa viável, eficiente e ambientalmente estratégica para o desenvolvimento de materiais elastoméricos sustentáveis, sugerindo potencial para uso em sistemas híbridos com o N330, substituindo parcialmente a carga comercial. Palavras-chave: carvão ativado residual; borracha natural; compósitos elastoméricos; sustentabilidade; reaproveitamento de resíduos.

Resumo (inglês)

ABSTRACT The increasing generation of municipal solid waste, combined with the need to reduce petrochemical inputs in the polymer industry, drives the search for sustainable alternatives for the reuse of discarded materials. In this context, this dissertation investigated the technical and environmental feasibility of reusing residual activated carbon (AC), obtained from saturated water filters, as a functional filler in vulcanized natural rubber (NR) composites. The methodology involved the preparation of formulations with different AC loadings (5, 10, 15, and 20 phr), as well as physicochemical (XRF and pH), morphological (SEM), and mechanical analyses (tensile strength, Shore A hardness, specific gravity, rheometry, and abrasion resistance). The results indicated that the addition of AC provided mechanical reinforcement up to 10 phr, with increased crosslink density and no significant changes in cure time. Elemental characterization revealed that the residue is composed mainly of carbon with low concentrations of metals, some potentially toxic, reinforcing the importance of reuse. Samples containing 10 phr of AC achieved 13.9 MPa in the tensile test compared to 11.4 MPa for pure gum (without filler) and 14.4 MPa for composites with 5 phr of carbon black (NF 330), a conventional commercial reinforcing filler. It is concluded that residual AC is a viable, efficient, and environmentally strategic alternative for the development of sustainable elastomeric materials and can be used in hybrid systems with carbon black, partially replacing this conventional filler. Keywords: residual activated carbon; natural rubber; elastomeric composites; sustainability; waste reuse.

Resumo (espanhol)

Resumen El aumento en la generación de residuos sólidos urbanos, junto con la necesidad de reducir el uso de insumos petroquímicos en la industria de polímeros, impulsa la búsqueda de alternativas sostenibles para el reaprovechamiento de materiales descartados. En este contexto, esta disertación investigó la viabilidad técnica y ambiental de la reutilización de carbón activado residual (CA), obtenido de filtros de agua saturados, como carga funcional en compuestos de caucho natural (CN) vulcanizado. La metodología incluyó la preparación de formulaciones con diferentes contenidos de CA (5, 10, 15 y 20 phr), así como análisis fisicoquímicos (XRF y pH), morfológicos (SEM) y mecánicos (resistencia a la tracción, dureza Shore A, densidad específica, reometría y resistencia a la abrasión). Los resultados indicaron que la adición de CA proporcionó refuerzo mecánico hasta 10 phr, con aumento de la densidad de reticulación y sin cambios significativos en el tiempo de curado. La caracterización elemental reveló que el residuo está compuesto principalmente por carbono, con bajas concentraciones de metales, algunos potencialmente tóxicos, lo que refuerza la importancia de su reutilización. Las muestras con 10 phr de CA alcanzaron 13,9 MPa en el ensayo de tracción, en comparación con 11,4 MPa para la goma pura (sin carga) y 14,4 MPa para compuestos con 5 phr de negro de humo (NF 330), una carga reforzante comercial convencional. Se concluye que el CA residual es una alternativa viable, eficiente y ambientalmente estratégica para el desarrollo de materiales elastoméricos sostenibles, pudiendo emplearse en sistemas híbridos con negro de humo, sustituyendo parcialmente esta carga convencional. Palabras clave: carbón activado residual; caucho natural; compuestos elastoméricos; sostenibilidad; reutilización de residuos.

Resumo (francês)

Résumé L’augmentation de la production de déchets solides urbains, associée à la nécessité de réduire l’utilisation d’intrants pétrochimiques dans l’industrie des polymères, stimule la recherche d’alternatives durables pour la valorisation des matériaux rejetés. Dans ce contexte, cette dissertation a étudié la faisabilité technique et environnementale de la réutilisation du charbon actif résiduel (CA), issu de filtres à eau saturés, en tant que charge fonctionnelle dans des composites de caoutchouc naturel (CN) vulcanisé. La méthodologie a consisté à préparer des formulations contenant différentes teneurs en CA (5, 10, 15 et 20 phr), ainsi qu’à réaliser des analyses physicochimiques (XRF et pH), morphologiques (MEB) et mécaniques (résistance à la traction, dureté Shore A, masse volumique, rhéométrie et résistance à l’abrasion). Les résultats ont montré que l’ajout de CA a permis un renforcement mécanique jusqu’à 10 phr, avec une augmentation de la densité de réticulation et sans modification significative du temps de vulcanisation. La caractérisation élémentaire a révélé que le résidu est principalement composé de carbone, avec de faibles concentrations de métaux, dont certains potentiellement toxiques, soulignant l’importance de sa valorisation. Les échantillons contenant 10 phr de CA ont atteint 13,9 MPa lors de l’essai de traction, contre 11,4 MPa pour la gomme pure (sans charge) et 14,4 MPa pour les composites contenant 5 phr de noir de carbone (NF 330), une charge renforçante commerciale conventionnelle. Il est conclu que le CA résiduel constitue une alternative viable, efficace et stratégiquement intéressante sur le plan environnemental pour le développement de matériaux élastomériques durables, et qu’il peut être utilisé dans des systèmes hybrides avec le noir de carbone, en remplaçant partiellement cette charge conventionnelle. Mots-clés : charbon actif résiduel ; caoutchouc naturel ; composites élastomériques ; durabilité ; valorisation des déchets.

Palavras-chave

Resíduos industriais, Carvão ativado residual, Compósitos de borracha, Carga de semi-reforço, Vulcanização, Sustentabilidade, Reaproveitamento de resíduos, Industrial waste, Residual activated carbon, Rubber composites, Semi-reinforcing filler, Vulcanization, Sustainability, Residuos industriales, Carbón activado residual, Compuestos de caucho, Carga de semirrefuerzo, Vulcanización, Sostenibilidad, Déchets industriels, Charbon actif résiduel, Composites de caoutchouc, Charge semi-renforçante, Vulcanisation, Durabilité, Industrieabfälle, Aktivkohlerückstände, Gummiverbundstoffe, Teilverstärkender Füllstoff, Vulkanisation

Idioma

Português

Citação

SOUZA, Viviane Chaves de. Reutilização de resíduos de filtro de carvão ativado como carga de semireforço em compósitos de borracha vulcanizada. 2025. 122 f. Dissertação (Mestrado em Ciência dos Materiais) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista - UNESP, Ilha Solteira, 2025.