Bio sourced step-growth polyesters as ingredients for elastomeric composites

This PhD thesis explores the development of renewable polymeric materials for tyre composites, with a focus on bio/waste-derived polyesters designed to partially replace traditional fuel-derived rubber components. Addressing both environmental concerns and material performance requirements, the research investigates the synthesis, functionalization, and application of bio-based polyesters in rubber formulations, particularly for tyre tread and sidewall applications. A series of polyesters were synthesized using bio-sourced monomers, including furan and pyrrole derivatives, selected for their potential to enhance compatibility with reinforcing fillers and reactivity during sulphur vulcanization. Monomers composition and chain architecture of the polyesters were studied and tuned in order to enhance their compatibility with other ingredients and deepen their influence on final composite properties. Experimental work demonstrated that pyrrole-functionalized polyesters significantly accelerated vulcanization kinetics and improved thermo-mechanical and dynamic properties, even when incorporated at relatively low loadings. These materials also contributed to enhanced ozone resistance under dynamic conditions, highlighting their multifunctional role as both performance enhancers and potential replacements for controversial antidegradants like 6PPD. The study further examined the interplay between molecular structure, filler interaction (silica vs. carbon black), and composite performance, providing insights into the structure–property relationships crucial for the design of next-generation tyre materials. Overall, the findings validate the feasibility of integrating renewable polyesters into industrial rubber composite materials, supporting a more circular and environmentally responsible approach in the tyre industry.

La presente tesi di dottorato esplora lo sviluppo di materiali polimerici rinnovabili per compositi per pneumatici, con particolare attenzione ai poliesteri derivati da biomasse/rifiuti progettati per sostituire parzialmente i tradizionali componenti in gomma derivati dal combustibile. Affrontando sia le preoccupazioni ambientali che i requisiti di prestazione dei materiali, la ricerca studia la sintesi, la funzionalizzazione e l'applicazione dei poliesteri a base biologica nelle formulazioni della gomma, in particolare per le applicazioni su battistrada e fianchi degli pneumatici. È stata sintetizzata una serie di poliesteri utilizzando monomeri di origine biologica, tra cui derivati del furano e del pirrolo, selezionati per il loro potenziale di migliorare la compatibilità con i riempitivi rinforzanti e la reattività durante la vulcanizzazione con zolfo. La composizione dei monomeri e l'architettura della catena dei poliesteri sono state studiate e ottimizzate al fine di migliorare la loro compatibilità con altri ingredienti e approfondire la loro influenza sulle proprietà finali del composito. Il lavoro sperimentale ha dimostrato che i poliesteri funzionalizzati con pirrolo hanno accelerato significativamente la cinetica di vulcanizzazione e migliorato le proprietà termomeccaniche e dinamiche, anche quando incorporati in quantità relativamente basse. Questi materiali hanno anche contribuito a migliorare la resistenza all'ozono in condizioni dinamiche, evidenziando il loro ruolo multifunzionale sia come potenziatori delle prestazioni che come potenziali sostituti di antidegradanti controversi come il 6PPD. Lo studio ha inoltre esaminato l'interazione tra struttura molecolare, interazione dei rinforzi (silice vs. nerofumo) e prestazioni dei compositi, fornendo approfondimenti sulle relazioni struttura-proprietà fondamentali per la progettazione dei materiali per pneumatici di prossima generazione. Nel complesso, i risultati confermano la fattibilità dell'integrazione di poliesteri rinnovabili nei materiali compositi industriali a base di gomma, sostenendo un approccio più circolare e responsabile dal punto di vista ambientale nell'industria degli pneumatici.