Développement de polymères recyclés avancés : donner une nouvelle vie aux déchets plastiques
Cette année, 100 ans se sont écoulés depuis que Hermann Staudinger a publié son premier ouvrage sur les macromolécules, qui a initié la science des polymères. Actuellement, les polymères, y compris les plastiques, ont une importance capitale, car ils sont utilisés dans de nombreux domaines, et même certains progrès ne seraient pas possibles sans ces matériaux. Cependant, à l'occasion du 100e anniversaire, les polymères sont confrontés à un grand défi : la grande quantité de déchets générés par leur utilisation, ce qui a généré une grande préoccupation sociale. Pour relever ce défi, en plus de réduire l'utilisation de polymères en général, les scientifiques doivent étudier de nouvelles façons de recycler ces matériaux et chercher des solutions aux problèmes et aux obstacles qui se présentent. Cela a été précisément le but de cette thèse.
Polymères : matériaux multifonctionnels
Aujourd'hui, les polymères, y compris les plastiques, sont utilisés dans de nombreux domaines et sont fondamentaux dans la vie quotidienne. Les polymères sont constitués d'unités répétitives qui sont caractérisées par être des molécules géantes à haut poids moléculaire, les macromolécules. Ces macromolécules sont obtenus par la réaction de petites molécules, à savoir monomères. Par exemple, vous pouvez facilement comprendre : si le monomère est un clip, le polymère est une longue chaîne de liens entre les clips (figure 1). Il existe plusieurs types de polymères qui se fondent et se solidifient lors du refroidissement, et le processus peut être répété encore et encore.
Les polymères ont remplacé différents types de matériaux, comme le métal, le bois et le verre, pour leurs avantages d'être bon marché, léger et facile à traiter, c'est-à-dire qu'ils sont facilement formés en dissipant peu d'énergie. XX. Depuis l'apparition des premiers polymères synthétiques au 20e siècle, plusieurs polymères ont été développés pour répondre à tous les besoins des applications. Les polymères peuvent présenter une grande variété de propriétés, de sorte qu'ils sont utilisés dans de multiples applications, principalement dans l'emballage, la médecine ou les énergies renouvelables (Figure 1).
Le problème des déchets plastiques
Au cours des dernières années, l'utilisation de polymères a suscité beaucoup de débats et d'inquiétudes dans la société, générant une grande quantité de déchets et les finissant dispersés dans l'environnement. Selon les données de l'Union européenne (Figure 2), 29,1 millions de tonnes de déchets plastiques ont été générées en 2018 : 32% ont été recyclés et 43% ont été envoyés aux incinérateurs pour récupérer de l'énergie, tandis que 25% ont été déposés dans des décharges. Ces données révèlent la nécessité d'encourager le recyclage des plastiques, donc il est absolument nécessaire de rechercher le recyclage des matériaux et de rechercher des applications possibles. Cela a été l'un des objectifs de cette thèse.
Téréphtalate de polyéthylène: embouteillage
Si toutes les industries sont considérées, l'emballage est le secteur qui recycle le plus de matériaux. Différents polymères sont utilisés dans l'emballage, notamment les polyoléfines, c'est-à-dire le polypropylène (PP), certains types de polyéthylène (PE) et le téréphtalate de polyéthylène (PET). Le PET est très utilisé dans la fabrication de bouteilles par ses caractéristiques mécaniques et sa résistance chimique. Étant donné l'importance de ce matériau dans ce secteur et la courte durée de vie de l'utilisation de ces emballages, la manière de les recycler a beaucoup évolué. La figure 3 montre le processus de recyclage du PET, ramassant les bouteilles et les transportant à l'entreprise, les broyant, les nettoyant et les séchant et procédant finalement à leur traitement, obtenant des plaques ou des fils.
Actuellement en France, les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) sont ajoutées au PET pour la fabrication de bouteilles de lait. En fait, le dioxyde de titane protège le contenu du rayonnement ultraviolet (lait) et empêche le filtrage des gaz. Mais ces nanoparticules empêchent le recyclage du matériau. D'une part, l'incorporation des nanoparticules entraîne une perte de transparence, tandis que le PET transparent est le plus recherché sur le marché. En outre, le PET au dioxyde de titane doit contenir moins de 15% du matériau recyclé, sinon des problèmes de bobinage se produisent (Figure 3). Par conséquent, dans les usines de recyclage, le PET avec du dioxyde de titane est réparti, ce qui rend le processus intéressant. Notez également que les bouchons des bouteilles sont fabriqués en polyéthylène ou en polypropylène, donc avant leur recyclage, il est nécessaire de séparer le corps des bouteilles et des bouchons, ce qui rend également le processus intéressant.
Comme le PET/TiO2 ne peut pas être recyclé, il peut être amené à des décharges ou à des incinérateurs pour récupérer l'énergie, mais ces options ne sont pas durables. Du point de vue environnemental, le recyclage des bouteilles avec bouchons et le développement de matériaux avancés sont une option plus durable, de sorte qu'un résidu non recyclable puisse être utilisé comme matière première, donnant une nouvelle vie au matériau.
Recyclage de la bouteille entière: Composite de mélange PET/PE/TiO2
En recyclant la bouteille entière avec des bouchons on obtient le composite de mélange PET/PE/TiO2. Même si le recyclage de masse est l'option la plus économique, vous devez analyser les caractéristiques de ce système si vous voulez donner différentes applications. Tout d'abord, un mélange de composition similaire au matériau recyclé sera préparé, en utilisant des matériaux commerciaux, qui sera utilisé pour effectuer la recherche. Pour connaître la composition du matériau recyclé, diverses techniques ont été utilisées, comparant les données à une bouteille de lait française. Une fois la composition connue, les quantités appropriées de PET, de PE et de dioxyde de titane ont été ajoutées dans le mélangeur. Le matériau est chauffé pour être fondu et mélangé.
Une fois préparé le composite de mélange il faut étudier sa morphologie, c'est-à-dire comment est organisé le PET, le PE et le TiO2. Pour cela, la microscopie électronique a été utilisée. Ainsi, on a observé que dans les composites de mélange PET/PE/TiO2 les gouttes de PE sont dispersées par la matrice PET, puisque ces deux polymères sont inmiscibles. Le dioxyde de titane est placé dans l'interface entre les deux phases de polymère (figure 4). Les nanoparticules de TiO2 réduisent la taille des gouttes de polyéthylène, ce qui est bénéfique car elles améliorent leurs propriétés physiques, notamment mécaniques.
La capacité de déversement du matériau, c'est-à-dire la réponse réologique, a également été analysée. L'étude de cette caractéristique est d'une importance vitale, car il est nécessaire de chauffer les polymères et de les verser correctement pour remplir le moule en prenant sa forme. Dans ce travail, il a été démontré que les nanoparticules ont augmenté leur capacité d'émission, de sorte que le traitement des polymères nécessitera moins d'énergie que le traitement PET.
Enfin, certaines des propriétés de fin de vie du matériau ont été étudiées. On a mesuré, entre autres, la perméabilité de certains gaz et vapeurs. Selon les résultats obtenus, le composite de mélange PET/PE/TiO2 présente de bonnes propriétés barrière pour l'oxygène et la vapeur d'eau.
En ce qui concerne les caractéristiques mécaniques, le mélange PET/PE/TiO2 présente une rigidité adéquate, tandis que la déformation de rupture présente une déformation supérieure à celle du PET recyclé.
Selon ces études, le matériau issu du recyclage de toute la bouteille pourrait être utilisé pour l'emballage en raison de ses propriétés barrière et caractéristiques mécaniques appropriées. En outre, il peut être utilisé pour la fabrication de panneaux en plastique intérieurs et autres pièces dans les voitures pour leurs caractéristiques mécaniques.
Développement de matériaux recyclés intelligents: Effet Joule
Au-delà d'une étape, des matériaux intelligents ont été développés en incorporant des nanoparticules conductrices dans le processus de recyclage. Les matériaux intelligents sont des matériaux capables de répondre à un stimulus externe, en changeant leurs caractéristiques physiques ou chimiques. Dans la thèse, l'effet de chauffage de Joule a été utilisé, en appliquant un courant électrique à un matériau semi-conducteur, la température augmente.
Dans ce cas, on a opté pour une autre polyoléfine très utilisée dans l'emballage, le polypropylène. Le polypropylène (PP) neuf et recyclé ont été utilisés et des nanotubes de carbone (KNT) ont été ajoutés pour obtenir des matériaux semi-conducteurs. La figure 5 montre le système utilisé pour mesurer l'effet Joule. Un dispositif électrique qui applique un courant continu a été connecté à l'échantillon et une caméra infrarouge a été utilisée pour mesurer la température. Une tension électrique différente a été appliquée aux échantillons, obtenant les résultats affichés dans la figure 5. Pour les PP neufs et KNT, la température peut atteindre près de 90°C en appliquant une tension de 20V. Dans le cas de PP recyclé et de KNT, au contraire, l'augmentation de la température est inférieure (pour les raisons exposées ci-dessous): L'application de 50V entraîne une augmentation de température d'environ 40ºC.
Selon les analyses en laboratoire, le PP recyclé contient des impuretés, principalement du dioxyde de titane et des traces de talc et d'autres composés inorganiques. Ces particules ne sont pas des conducteurs et entravent la conductivité entre nanotubes. Cependant, les résultats montrent que même dans le PP recyclé un effet Joule significatif se produit.
Ainsi, il a été démontré qu'une voie appropriée pour l'obtention de matériaux semi-conducteurs est l'ajout de nanotubes de carbone au polypropylène recyclé. Ces matériaux sont intelligents, car en appliquant la tension électrique ils sont chauffés et peuvent avoir de multiples applications, comme l'utilisation du courant comme adhésif détaché dans un ou sur les couvertures thermiques. Une autre application intéressante est le développement de membranes, car la perméabilité varie beaucoup avec la température, c'est à dire changer la quantité d'un gaz ou de la vapeur qui traverse une membrane. Cela a été l'application qui a été étudiée dans ce travail. Selon la tension appliquée, nous pouvons contrôler la température de la membrane. Ainsi, on peut obtenir différentes valeurs de perméabilité en fonction de la tension appliquée, comme on peut le voir dans la figure 5. Ces matériaux peuvent avoir des applications dans des capteurs ou des processus de dessalement de l'eau, entre autres.
Bibliographie Bibliographie
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