Optimisation et valorisation du noir de carbone de la pyrolyse des pneus usés dans un composite polymère pour une application en climat tropical

La quantité de pneumatiques usés dans le monde est une situation très préoccupante avec chaque année plus d’un milliard de pneus mis au rebus. Si une partie de ces pneus est recyclée ou valorisée dans les pays industrialisés, des millions sont également stockés en décharge, ce qui crée des catastrophes environnementales. Cette étude s’inscrit dans l’enjeu mondial du recyclage des pneumatiques et le besoin de produire de nouveaux matériaux écoresponsables. Elle consiste à valoriser le noir de carbone récupéré des pneus usés; un pneumatique en contenant 25-30 % massique. Ce noir de carbone est récupéré par la pyrolyse des pneumatiques, un processus de décomposition autothermique, sans effluents et générant une empreinte carbone négligeable. Le noir de carbone valorisé par pyrolyse peut alors servir de charge dans les polymères pour des applications extérieures; le noir de carbone étant un matériau couramment utilisé dans la protection UV des polymères. Ce projet de thèse a pour objectif d’optimiser le noir de carbone de pyrolyse et de réaliser un composite polymère de qualité commerciale pour une application en climat tropical. L’objectif environnemental est que le noir de carbone d’origine fossile soit remplacé par du noir de pyrolyse recyclé d’un déchet, favorisant ainsi une circularité économique. Dans cette étude, le noir de carbone a été recyclé des pneus avec le procédé de pyrolyse sous vide du partenaire industriel Pyrovac Inc. Ce noir de carbone présente une qualité de particules récupérées avec des propriétés similaires à celles du noir commercial en termes de porosité et d’activité de surface. La matrice polymère utilisée dans cette étude est un polyéthylène haute densité (HDPE), un thermoplastique très utilisé dans l’industrie et recyclable. Le noir de carbone de pyrolyse a été amélioré par des processus physiques et chimiques : les agglomérats ont été réduits par broyage et une fonctionnalisation de surface par voie gazeuse a permis de favoriser les interactions particules-polymère. Des études de vieillissement accéléré avec exposition UV ont été réalisées. La fabrication additive a également été explorée comme une voie alternative à l’extrusion thermoplastique.

Abstract

The quantity of end-of-life tires generated worldwide every year is dramatic. More than a billion tires are thrown away every year and even if recycling and recovery are performed in developed nations, millions are still dumped in landfills leading to environmental disasters. This study is part of the global issue of tire recycling and the need to produce new eco-responsible materials. The carbon black contained in tires (25-30 % weight) is recovered by waste tire pyrolysis. This process is thermo-sufficient, eco-friendly, has no effluent and a low carbon footprint. The pyrolytic carbon black can be used as a filler in polymers for outdoor applications; carbon black is known to be a strong UV protector. This PhD thesis aims to optimize the pyrolytic carbon black to produce a commercial grade plastic composite for outdoor application in tropical climate. The environmental objective is to replace the carbon black of fossil origin by pyrolytic carbon black ultimately. This would promote a product recovered from a waste favoring the circular economy. In this study, the vacuum pyrolysis process from Pyrovac Inc. was used, their recovered carbon black exhibiting particle quality close to commercial black. The polymer matrix is a high density polyethylene (HDPE), a thermoplastic commonly used in industry. The choice of a thermoplastic matrix makes it possible to remain at the level of a recyclable material. Physical and chemical processes were used to improve the pyrolytic carbon black quality. Agglomerates were reduced by grinding and particle-polymer interactions were promoted by mild-air surface functionalization. UV accelerating aging studies were carrying out. Additive manufacturing has also been explored as an alternative route to thermoplastic extrusion.