Mélanges de polymères à gouttes composites : application recyclage

Cette étude aborde deux axes de recherche. Le premier traite du recyclage des mélanges de polymères et constitue le pilier principal de ce projet. Le deuxième axe effectue l'analyse de l'effet de la viscoélasticité et des forces interfaciales sur l'établissement du mouillage dans les systèmes ternaires HDPE/PP/PS et HDPE/PP/PC. Le recyclage des mélanges de plastiques de compositions différentes a été limité par le fait que les polymères forment des phases immiscibles démontrant une faible compatibilité et adhésion interfaciale. Pourtant, les produits de consommation impliquent de plus en plus de systèmes complexes (résines d'ingénierie, mélanges) et le procédé de séparation devient difficile et même parfois impossible. Le problème relié au recyclage des mélanges de polymères est principalement dû au fait de la présence de plusieurs interfaces, dont chacune est potentiellement une zone de fragilité mécanique. Ceci a pour effet de générer de faibles propriétés mécaniques. Chaque interface nécessite son agent interfacial et le coût global de compatibilisation d'un système multi composants peut devenir coûteux. Ici, un concept nouveau est employé où une ségrégation contrôlée des phases non recyclables est réalisée dans l'une des deux phases majeures : le polyéthylène de haute densité (HDPE) et le polypropylène (PP). En se basant sur un mélange co-continu HDPE/PP, un système à cinq phases constitué du HDPE, PP, PS, PMMA et PC est préparé. Des gouttes composites PS/PMMA/PC sont générées exclusivement dans la phase de PP lorsque l'interface HDPE/PP est compatibilisée. Cette approche réduit le problème d'un système présentant plusieurs interfaces à une seule interface dominante HDPE/PP qui peut être par la suite compatibilisée en employant un copolymère pratique. Les interfaces secondaires relèvent d'un rôle mineur dans la structure de goutte composite. La caractérisation par MEB combinée à l'emploi de recuits statiques permet de mettre clairement en évidence la microstructure du système. Le triplet PS/PMMA/PC forme des gouttes composites où le PS encapsule le PMMA qui enveloppe à son tour le polycarbonate. Ceci est un processus thermodynamique contrôlé par la théorie d'encapsulation et est apparemment indépendant de l'étape de mélange (mélangeur interne ou extrusion/injection). Puisque le système HDPE/PP correspond à la tension interfaciale minimale dans la littérature, cette approche est très robuste et serait applicable à un vaste spectre de résines. L'ordonnancement des phases est spontané lorsqu'un compatibilisant EPDM est utilisé en provoquant la ségrégation complète des gouttes composites PS/PMMA/PC dans la phase de polypropylène. De plus, les propriétés mécaniques de telles structures sont très bonnes en termes de module et de résistance à la traction. En employant les conditions de mélange adaptées lors de l'injection, un matériau ductile avec un bon allongement à la rupture peut être obtenu. Cette approche pourrait être d'une importance significative dans le milieu industriel du recyclage.

Abstract

This study investigates two axis of research. The first one is about comingled plastic recycling and constitute the core of this project whereas a second and more fundamental work analyzes the effect of viscoelasticity and interfacial driven forces on ternary polymer blends wetting. The recycling of multiple plastics of different composition has been limited by the fact that plastics form immiscible phases with poor compatibility and interfacial adhesion. Due to the complexity of new plastic products which involve speciality resins and polymer blends, the separation process can be costly and recycling sometimes impossible. The problem of recycling co-mingled plastics is principally related to the problem of multiple interfaces in multicomponent immiscible polymer blends. Those interfaces present a locus for failure and hence very poor mechanical properties. Multiple interfaces require multiple interfacial modifiers and the cost becomes prohibitive. Here we study a new concept where controlled polymer segregation is used to locate multiple non-recyclable phases within one of two major phases: high density polyethylene (HDPE) and polypropylene (PP). Starting from a co-continuous blend of HDPE and PP, a multiple 5 component system comprised of HDPE, PP, PS, PMMA and PC is prepared in which PS/PMMA/PC composite droplets are all exclusively located within PP when the HDPE/PP interface is compatibilized. This approach reduces the problem of multiple interfaces to one principal interface (HDPE/PP) which can be compatibilized. The other interfaces are relegated minor roles as parts of the composite droplet system. From SEM characterization and annealing procedures, it can be clearly seen from this work that the PS/PMMA/PC forms a hierarchical structure where PS encapsulates PMMA which in turn engulfs the PC. This is a thermodynamically driven process which is controlled by spreading theory and appears to be independent of the blending process (internal mixing-extrusion/injection). Since a compatibilized HDPE/PP system presents one of the lowest interfacial tensions in the immiscible polymer literature, this approach is highly robust and would be applicable to a wide range of plastics. The approach is highly robust since the system segregates and assembles spontaneously: the compatibilizer for the HDPE/PP interface drives specifically to that interface while the composite droplet comprised of all other polymeric moieties assembles in an ordered fashion exclusively within the PP phase. Moreover, the tensile mechanical properties of the structures prepared above demonstrate very good and even improved tensile strength and modulus. Using the appropriate processing conditions, ductile materials with good elongation at break can also be achieved. This approach could lead to promising industrial applications for mixed plastic waste.