Stabilité du processus lors de l'utilisation de matériaux recyclés Comment les additifs intelligents redéfinissent les processus de fabrication

Les additifs hyperramifiés optimisent la transformation des matériaux recyclés en limitant les variations de viscosité et en élargissant considérablement les marges de manœuvre du processus. Ces adjuvants intelligents réduisent la consommation d'énergie ainsi que les taux de rebut et permettent même un surcyclage de haute qualité.

L'utilisation de matériaux recyclés s'impose de plus en plus comme une règle d'or. Alors que les entreprises misaient jusqu'à présent sur l'utilisation volontaire de matériaux recyclés post-consommation (PCR), le législateur les incite désormais activement – bien que progressivement – à boucler les cycles de recyclage. Dans les applications exigeantes, cela peut entraîner des pénuries de matériaux, comme le montre le règlement européen sur les véhicules hors d’usage. Les matériaux recyclés mécaniquement continuent de poser des défis techniques aux extrudeurs et aux mouleurs par injection.

Parmi les principaux obstacles figurent les variations de viscosité de la matière fondue, qui résultent de flux de matière non homogènes, ainsi que la dégradation thermique de la matière au cours du traitement. La stabilité du processus ne peut être garantie en raison de pressions instables et/ou d'une fluidité limitée, ce qui entraîne des taux de rebut élevés ou un débit non rentable.

Des additifs performants, qui agissent de manière ciblée sur le comportement rhéologique de la masse fondue, permettent de remédier à ce problème. Jusqu’à présent, les approches classiques consistent principalement à rompre ou à raccourcir les chaînes polymères afin d’augmenter leur mobilité et, par conséquent, leur fluidité. Il est également possible d’ajouter des structures de faible poids moléculaire qui améliorent le comportement au glissement et agissent soit intrinsèquement dans la masse fondue, soit au niveau des surfaces et des parois des machines et des outils. Si ces approches apportent des solutions à court terme, elles compliquent toutefois une manipulation durable.

Les additifs hyperramifiés : une nouvelle approche

L'approche consistant à utiliser des additifs hyperramifiés, qui préservent la structure du matériau cible et n'agissent que dans la masse fondue, poursuit également l'objectif d'une mobilité accrue des chaînes. Leur structure en forme de cime d’arbre leur permet, en tant que formations quasi-sphériques, de réduire, à l’instar d’un roulement à rouleaux, le frottement entre les chaînes polymères dans la masse fondue.

La viscosité de la masse fondue diminue ainsi, tout en conservant les autres propriétés physiques. Comme les additifs ne migrent pas, cet effet reste intrinsèquement présent lors des futurs processus de fusion. Ils ne sont pas en concurrence avec d'autres adjuvants de process (par exemple, les modificateurs de résistance au choc) et n'atténuent pas leurs effets sur le produit final. Au contraire, ils favorisent l'homogénéité de la masse fondue et garantissent également un remplissage complet du moule.

Le recyclage des pare-chocs : une étude de cas 

Voici un exemple concret à titre d'illustration :  Dans le cadre du règlement européen sur les véhicules hors d'usage, le recyclage, par exemple, de pare-chocs en polypropylène (PP) et en caoutchouc éthylène-propylène-diène (EPDM) est envisageable. Si un tel pare-chocs doit être transformé en matière recyclée, il est d’abord décapé, puis traité avec des peroxydes qui dégradent les chaînes polymères. La composante PP devient ainsi plus fluide, tandis que la composante EPDM se réticule et voit sa viscosité augmenter. Les profils de fluidité hétérogènes compliquent une combinaison judicieuse en tant que matière recyclée. Un additif hyperramifié – qui est en fin de compte un polymère – rend l’utilisation de peroxydes superflue.

Quel que soit le matériau, le réglage de profils de viscosité bien définis grâce à l'utilisation de ces additifs spéciaux permet d'élargir la fenêtre de processus, car la meilleure fluidité permet de réduire les pressions d'injection. On observe également systématiquement une baisse des températures de transformation dans les scénarios les plus divers. Ces deux effets se traduisent, selon les conditions de process et les objectifs visés, par une réduction de la consommation d’énergie et un raccourcissement de la durée du cycle. L’élargissement de la fenêtre de process permet d’utiliser de nouveaux matériaux pour des applications qui, jusqu’à présent, ne relevaient pas du spectre envisageable.

De manière générale, grâce à leur caractère intégratif, les additifs hyperramifiés permettent d'augmenter la valeur des matières vierges ainsi que des matériaux PCR et PIR. Mais c’est surtout dans le cas de matériaux tels que le rPET ou le rPMMA qu’un additif bien structuré peut compenser les différences de transformation thermique grâce à l’homogénéisation du matériau et abaisser les points de fusion élevés en augmentant la flexibilité des chaînes polymères.

Polytives mise sur les additifs polymères. En quoi vos solutions se distinguent-elles, sur le plan technologique et en termes de mode d'action, des mélanges-maîtres classiques ou des additifs à faible poids moléculaire ?

Effets mesurables : meilleure qualité, moins de rebuts

La société Polytives est leader dans la fabrication de polymères hyperramifiés et a démontré, dans plusieurs études de cas, que ses additifs permettaient d'optimiser les procédés et les matériaux. Deux de ces études seront examinées ci-après :

En collaboration avec Pekutherm Kunststoffe, Sitraplas et Polytives, le taux de volume de fusion (MVR) des plaques en PMMA destinées à une application grand public a été considérablement augmenté. Alors que la masse de rPMMA, sans ajout de l’additif bFI A 3745, ne convenait qu’aux opérations d’extrusion, l’ajout de cet additif (dosage : 3 à 5 %) a permis d’obtenir une qualité adaptée au moulage par injection. À proprement parler, il ne s’agissait pas seulement d’un recyclage, mais d’un « upcycling » – une approche particulièrement efficace lorsqu’il s’agit de minimiser l’empreinte carbone ₂ d’un produit en plastique grâce à une part de matériaux recyclés.

Dans une étude menée par les partenaires Brac-Werke, Nordmann, Rassmann et Polytives, un moule existant a pu être adapté à une utilisation avec du rPET. Dans des conditions standard, le moule n'était pas entièrement rempli. Une augmentation de la pression n’était pas envisageable, car on observait des débordements parfois importants au niveau de la carotte. Là encore, un dosage faible, à un chiffre, du polymère hyperramifié a suffi pour rendre la masse moulée suffisamment fluide afin que – tout en conservant tous les autres paramètres – la pression d’injection puisse être réduite jusqu’à 25 %.

Le recours aux matériaux recyclés comme source de matières premières va considérablement s'intensifier au cours des prochaines années. Les polymères hyperramifiés peuvent offrir un avantage décisif aux transformateurs : des fenêtres de traitement élargies grâce à des pressions et des températures plus basses, pour des processus plus doux, plus économes en énergie et générant moins de rebuts. La combinaison du plastique, des additifs et du procédé permet ainsi de développer et de fabriquer des produits durables et rentables.

Nos additifs sont eux-mêmes des polymères

Entretien avec Viktoria Rothleitner, fondatrice et directrice générale de Polytives

Polytives mise sur les additifs polymères. En quoi vos solutions se distinguent-elles, sur le plan technologique et en termes de mode d'action, des mélanges-maîtres classiques ou des additifs à faible poids moléculaire ?

Viktoria Rothleitner : Nos additifs polymères sont eux-mêmes des matériaux à haut poids moléculaire et agissent physiquement en modifiant de manière ciblée la viscosité à l'état fondu – et non par le biais de réactions chimiques. Contrairement aux mélanges-maîtres classiques, ils ne nécessitent pas de système de support, ne migrent pas et préservent intégralement les propriétés du matériau.

À partir de quand l'utilisation de vos additifs est-elle rentable d'un point de vue comptable pour une entreprise de taille moyenne spécialisée dans le moulage par injection ou l'extrusion ?

Rothleitner : On ne peut y répondre qu’en disant « cela dépend », car le calcul des coûts de chaque transformateur est très spécifique. Dans la pratique, cependant, on constate rapidement un avantage en termes de coûts unitaires, notamment grâce à des réductions du temps de cycle de 20 à 30 %, ou lorsque des matériaux deviennent pour la première fois économiquement exploitables ou peuvent être traités sur des machines et des outils existants.

Le défi du rPMMA/rPET : ces matériaux sont considérés comme les « divas » du recyclage. Quel est le levier décisif permettant d’atteindre ici une stabilité de processus proche de celle des matières premières vierges ?

Rothleitner : Le levier décisif réside dans la réduction ciblée de la viscosité de la masse fondue pendant la transformation – sans dégrader le matériau lui-même. Cela permet de traiter de manière stable des lots hétérogènes, de réduire les pressions et les températures, d’augmenter considérablement la robustesse du processus et de rendre possibles des applications qui étaient auparavant considérées comme impossibles à traiter.

Les détracteurs reprochent souvent aux additifs de risquer de contaminer le flux de matériaux recyclés. Comment vous assurez-vous que les produits optimisés grâce aux additifs Polytives ne deviendront pas eux-mêmes un problème lors du prochain cycle de recyclage ?

Rothleitner : Nos additifs sont eux-mêmes des polymères, stables à la migration et compatibles avec la matrice, de sorte qu’ils ne posent aucun problème dans les flux de recyclage existants. Les additifs n’introduisent pas de substances de faible poids moléculaire dans le mélange et ne réagissent pas au sein du système ; c’est là leur grand avantage.

En ce qui concerne le PRSE : quelle est l'évolution actuelle des possibilités technologiques en matière de traitement des matériaux recyclés ?

Rothleitner : À notre avis, la tendance s'éloigne clairement de la simple optimisation des matériaux pour s'orienter vers la maîtrise des matériaux recyclés au niveau des procédés : les variations de viscosité et de qualité sont de plus en plus compensées par le procédé plutôt qu'éliminées. Dans certaines applications, l'utilisation des matériaux recyclés devient ainsi, pour la première fois, stable et économiquement viable.