Nanostructuration de mélanges de PC/ABS appliquée au recyclage des polymères issus des DEEE

Nanostructuring of PC/ABS blends applied to WEEE polymers recycling

• Auteur / Autrice : Xavier Mackré
• Direction : Cyrille Sollogoub, Bruno Fayolle, Matthieu Gervais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Gardette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyrille Sollogoub, Bruno Fayolle, Matthieu Gervais, Jean-Luc Gardette, Didier Perrin, Olivier Lame
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Perrin, Olivier Lame

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Nanoparticules

Thèses et écrits académiques

Recyclage (déchets, etc.)

Mots clés libres

Nanostructuration

Recyclage

Polymère

Mélange

Deee

Coextrusion

Nanostructuration

Recycling

Polymer

Blend

Weee

Coextrusion

Résumé

Les déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) connaissent une croissance importante et leur gestion constitue un enjeu environnemental et sociétal majeur. Le recyclage des polymères issus de ces déchets se heurte à de nombreux obstacles, parmi lesquels la dégradation de leurs propriétés (mécaniques principalement) après leur recyclage. Pour proposer des produits recyclés compétitifs, les recycleurs développent différentes techniques pour améliorer ou restaurer les propriétés de ces polymères (approche ''d'upgrading''). Une voie prometteuse et originale consiste à mélanger différents polymères et à générer des morphologies spécifiques et contrôlées pendant leur mise en œuvre de manière à obtenir des améliorations de propriétés finales.Dans ce contexte, les travaux de cette thèse consistent à structurer des mélanges PC (Polycarbonate) / ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène), deux plastiques couramment utilisés dans les DEEE. L’ABS, formé d'un copolymère de Styrène-Acrylonitrile (SAN) dans lequel sont dispersés des nodules de Polybutadiène réticulé (PB), est connu pour être particulièrement sensible aux phénomènes de vieillissement. La structuration utilisée dans cette thèse est obtenue à l’aide du procédé de coextrusion multinanocouche, qui permet de combiner deux polymères immiscibles dans des films composés de couches alternées, dont le nombre peut être contrôlé et atteindre plusieurs milliers. Cette structure nanostratifiée peut potentiellement conduire à de améliorations mécaniques, comme par exemple dans le cas du PC/SAN où une transition fragile-ductile est observée en traction et en impact lorsque l'épaisseur des couches devient inférieure à une certaine valeur critique (1 à 10 µm, cette valeur dépend de la composition).L'étude présentée ici explore les potentiels bénéfices de la coextrusion multinanocouche pour l'amélioration des propriétés mécaniques de l'ABS recyclé, ayant subi un vieillissement lors de sa première vie. Une première étude modèle sur du PC/SAN et du PC/ABS vierges permet d'étudier les apports de la technique sur des polymères vierges. L'étude de la morphologie développée dans les couches révèle que des agglomérats de nodules de PB dans l'ABS provoque des distorsions ou même des ruptures dans les couches sub-microniques. Les propriétés d'élongation à la rupture ainsi que de résistance à l'impact de tels films s’en trouvent dégradées et sont inférieures à celles des films ayant des couches d'épaisseur supérieures au micron.Pour simuler la dégradation des polymères lors de leur cycle de vie, l’ABS et le SAN sont soumis à un vieillissement thermo-oxydatif dont l’impact sur les propriétés mécaniques est étudié. Enfin, des films multicouches contenant ces matériaux oxydés sont fabriqués avec l’objectif de déterminer le potentiel ''d'upgrading'' de la technique dans le cadre du recyclage des plastiques issus des DEEE.L'oxydation de l'ABS cause des chutes d'élongation à la rupture très importantes dans les mélanges non structurés, c’est-à-dire de ceux obtenus par extrusion bivis ayant une morphologie classique nodulaire. En revanche, les films multicouches contenant de l'ABS oxydé ne subissent pas cette chute de propriété. Une mitigation de l'effet de l'oxydation de l'ABS est rapportée et une explication basée sur les observations morphologiques est proposée pour ce phénomène de mitigation.

Waste electrical and electronic equipment (WEEE) is growing fast, and its management is a major environmental and societal challenge. The recycling of polymers derived from WEEE faces a number of obstacles, including the degradation of their properties (mainly mechanical) after being recycled. To offer competitive recycled products, recyclers are developing various techniques to improve or restore the properties of these polymers (''upgrading'' approach). One promising and original approach consists in blending different polymers and generating specific, controlled morphologies during processing, in order to obtain improvements in final properties.In this context, the work of this thesis involves structuring PC (Polycarbonate) / ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) blends, two plastics commonly used in WEEE. ABS, a Styrene-Acrylonitrile (SAN) copolymer in which cross-linked Polybutadiene (PB) nodules are dispersed, is known to be particularly sensitive to ageing phenomena. The structuration applied in this thesis is obtained using the multi-nanolayer coextrusion process, which enables two immiscible polymers to be combined in films composed of up to several thousand alternating layers. This nanostratified structure can potentially lead to mechanical improvements, as in the case of PC/SAN where a brittle-ductile transition is observed in impact and tensile tests when the thickness of the layers falls below a certain critical value (1 to 10 µm, this value depending on the composition).The study presented here explores the potential benefits of multilayer coextrusion for improving the mechanical properties of recycled ABS, which has undergone aging during its first life. An initial model study on virgin PC/SAN and PC/ABS allows to evaluate the benefits of the technique on virgin polymers. A examination of the morphology developed in the layers reveals that agglomerates of PB nodules in ABS cause distortion and even breakups in the sub-micron layers. The elongation-at-break and impact resistance properties of such films are diminished, and are inferior to those of films with layers thicker than a micron.To simulate the degradation of polymers during their life cycle, ABS and SAN are subjected to thermo-oxidative aging, the impact of which on mechanical properties is studied. Finally, multilayer films containing these oxidized materials are manufactured, with the aim of determining the upgrading potential of the technique in the context of recycling plastics from WEEE.Oxidation of ABS causes very sharp drops in elongation at break in unstructured blends obtained by twin-screw extrusion with a classic nodular morphology. Multi-layer films containing oxidized ABS, on the other hand, do not suffer this sharp drop in property. A mitigation of the effect of ABS oxidation is reported and an explanation based on morphological observations is proposed for this mitigation phenomenon.