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17 décembre 2020

Les bonnes pratiques pour la mise en œuvre de matières plastiques recyclées

L'utilisation des matières plastiques recyclées devient de plus en plus d’actualité, mais des freins persistent ! Découvrez 5 bonnes pratiques pour la mise en œuvre de ces matières, proposées par le service performance industrielle de Polyvia

Le recyclage des matières plastiques est un enjeu fort. Plusieurs facteurs en sont à l’origine à commencer par la réglementation qui pousse et va pousser davantage à l’utilisation de MPR (Matières Plastiques Recyclées). Les autres facteurs, tels que le souci de valoriser les matières plastiques dans le cadre d’une économie circulaire, la préservation de l’environnement et la pression sur les prix font petit à petit prendre conscience que les rebuts PIR (Post Industrial Resin) et PCR (Post Consumer Resin) représentent une ressource aujourd’hui incontournable. Elles peuvent représenter une source d’innovation, un formidable potentiel de croissance durable et de développement, mais il y a des freins à leur utilisation.

L’appréhension, l’inexpérience, la méconnaissance, le manque d’informations techniques sur des points tels que la disponibilité, les propriétés, la répétabilité des lots, l’aspect des pièces et la précision du dimensionnel sont des questions qui se posent régulièrement. Faisons le point sur les bonnes pratiques pour la mise en œuvre des matières plastiques recyclées.

1. Comprendre que les MPR sont des matières comme les autres

Au niveau chimique, on ne relève aucun écart avec le polymère d’origine. Nous avons à faire au même motif de base. La différence va essentiellement porter sur la structure du polymère qui présente des chaines macromoléculaires plus courtes et une distribution de celles-ci plus large (courbe en pointillés sur le schéma ci-dessous).

courbe de distribution des masses macromoléculaires MPR

Courbe de distribution des chaines macromoléculaires d’une MPR par rapport à une matière initiale

Cette caractéristique aboutit à une température de fusion plus basse, une matière plus fluide et par conséquent un écoulement matière différent pendant sa transformation, ceci par rapport à la matière initiale. Les propriétés mécaniques pourront éventuellement être impactées dans une certaine mesure, ce qui ne constituera pas un obstacle à son utilisation à partir du moment où elles correspondent au cahier des charges du produit. L’avantage final est que les pièces fabriquées à partir d’une MPR auront une empreinte carbone plus faible.

2. Identifier la matière plastique recyclée adéquate

Un produit doit répondre à un cahier des charges qui doit être définit. En effet, ce sont les caractéristiques matière qui vont guider le choix, pas son origine. Notons au passage que la MPR pourra plus facilement s’adapter à ce cahier des charges, mais, en contrepartie, pardonnera moins les approximations de réglage, la fenêtre de tir étant plus étroite. Les metteurs au point se retrouvent alors dans une situation moins confortable mais malgré tout gérable.

Les qualités de MPR disponibles portent sur plusieurs familles de matières : polyoléfines (LDPE, HDPE, PP, compounds PP/PE), styréniques (PS, HIPS, ABS), acryliques (PMMA), polyamides (PA chargés à différents pourcentages), polycarbonates (PC), vinyliques (PVC), polyesters (PET) et alliages (ABS/PC), ceci pour des grades extrusion et injection, dans des gammes de teintes allant du naturel au coloré selon les types de matières.

Il existe deux types de recyclés :

  • Ceux issus d’une boucle que nous pouvons qualifier « interne ». Les produits provenant d’une entreprise sont triés et regranulés soit par un recycleur, soit en interne dans l’entreprise.
  • Ceux de provenance de rebuts industriels (PIR) et post consommation (PCR). L’identification et la sécurisation de leur sourcing relève du savoir-faire exclusif du recycleur.

Le recycleur va apporter une valeur ajoutée en filtrant, triant et orientant en fonction des origines, traçant et contrôlant la qualité et les caractéristiques thermomécaniques des entrants. Il va ensuite formuler la matière en fonction d’un cahier des charges défini et en faire un compound pour obtenir des granulés. Ceci va permettre la personnalisation du mélange pour une application précise. La matière sortante est ensuite contrôlée, puis des certificats et fiches matières sont édités.

Un véritable traitement est appliqué à la matière. Citons les différentes étapes conduites par le recycleur :

  • Contrôle à plusieurs niveaux de la matière livrée en balles : type de matière, existence ou non de pollution, grade (ou MFR, ou indice de fluidité), contrôle visuel global.
  • Débit automatique des balles avec tri optique (proche IR et autres techniques) pour obtenir 90 à 95 % de pureté minimum, sinon retraitement des entrants.
  • Broyage.
  • Centrifugation et lavage pour séparer polluants éventuels (étiquettes, particules lourdes, …).
  • Séchage et centrifugation pour éliminer autres polluants résiduels solides.
  • Séchage des paillettes en silo mélangeur.
  • Assemblage de différentes qualités pour obtenir les propriétés souhaitées.
  • Compoundage, extrusion, filtration à plusieurs niveaux et granulation.
  • Contrôle qualité.

L’édition d’une fiche matière va comporter au minimum :

  • MFR pour avoir une idée de la fluidité du mélange,
  • Module de flexion et quelque fois le module de traction,
  • HDT et Vicat,
  • Taux de charges,
  • Colorimétrie.

Certaines fiches peuvent être beaucoup plus complètes avec la masse volumique, l’élongation à la rupture, la dureté, la tenue au feu et propriétés électriques.

3. Maîtriser la température de mise en œuvre des MPR

Une attention particulière doit être portée à la température de mise en œuvre d’une MPR. Elle est systématiquement plus basse que pour une matière vierge du même type sous peine de rencontrer quelques difficultés liées à une matière trop chaude. Il va falloir réapprendre à travailler en fonction des caractéristiques réelles de la matière et abandonner les copier-coller d’une gamme à l’autre. Dans la plupart des cas, on travaille la matière entre -5°C et -20°C en dessous des températures préconisées.

Retours d’expérience pour l’injection de MPR

Nous avons étudié le comportement de quelques références de MPR, PP, ABS et PA6 de différents grades, non chargés pour éliminer l’influence des charges, ceci dans un moule instrumenté avec deux capteurs de pression empreinte Kistler : le premier en début de remplissage et le second en fin de remplissage. La courbe de pression empreinte obtenue permet de visualiser ce qui se passe au niveau du comportement matière pendant les phases de remplissage, commutation, densification et refroidissement. On obtient une véritable empreinte digitale de chaque processus d’injection. Les réglages injection sont conventionnels, sans sur-compactage.

MPR

Courbe de pression empreinte

Pour les PP, nous avons observé un remplissage, une commutation et un refroidissement superposable. Seule la pression au niveau de la densification est apparue plus importante, indiquant de fait une température matière plus importante. En baissant ce paramètre, nous avons pu obtenir une superposition des courbes donc un processus d’injection identique.

Le même phénomène s’est déroulé également pour les ABS avec cependant une cinématique de refroidissement légèrement plus longue.

De très faibles variations des paramètres de surveillance du procédé d’injection ont été observées et les dimensions des pièces en matière vierge et MPR sont identiques, voire voisines selon les grades testés. La dispersion des résultats sur 50 échantillons consécutifs est identique. La maitrise de la température de mise en œuvre des MPR est donc un point majeur.

Les PA restent un cas particulier avec une courbe d’injection rétrécie sur les 2 axes du graphique selon une homothétie. Ceci s’explique par la composition des PA qui sont fortement lubrifiés et stabilisés thermiquement pour permettre leur transformation. Ce système ayant été fortement sollicité lors des mises en œuvre précédentes (granulation, injection, puis re-granulation), il est moins actif. Nous avons obtenu cependant un dimensionnel pièce identique et des dispersions statistiques parfois meilleures. La qualité de la stabilisation des PA et celle de l’étuvage restent des points de vigilance importants.

5 conseils pour l’injection de matières plastiques recyclées sur un moule existant :

  • Utiliser un profil de température adapté,
  • Porter une attention particulière à la qualité de la plastification,
  • Rééquilibrer le remplissage des empreintes,
  • Revalider le point de commutation et le temps de maintien,
  • Ajuster le profil de pression de maintien si nécessaire.

Signalons également le cas particulier du rPET issu du recyclage d’emballages. Son process d’injection est différent des autres matières à cause de sa structure et grade particuliers. Il fait ainsi appel à une démarche de réglage personnalisée.

4. Optimiser l’état de surface des pièces injectées

Certaines matières, en particulier les polyoléfines, peuvent présenter un état de surface manquant de finition. Ceci provient d’une répartition très large des masses macromoléculaires, cas de plus en plus fréquent avec l’utilisation croissante de PCR.

Une solution passe par l’utilisation d’une température d’outillage plus importante. Cette dernière augmentera de fait le temps de cycle, mais un process « Heat & Cool » peut offrir un bon compromis.

Nous avons testé avec succès cette solution avec un outillage équipé d’un procédé 3iTechÒ de Roctool qui chauffe l’empreinte par induction et une matière PP chargé d’origine PIR : disparition de défauts d’aspect et obtention d’une belle reproduction de la surface des empreintes.

Un webinaire a été animé dernièrement pour expliquer le fonctionnement de ce procédé Heat & Cool et des résultats obtenus dans le cadre de cet essai :

5. Sécuriser et fiabiliser la mise en œuvre de MPR sous forme de paillettes

Certains industriels ont fait le choix d’utiliser directement des paillettes. Cette solution nécessite cependant de prendre un certain nombre de précautions pour prendre en compte les corps étrangers qui ne manqueront pas de polluer la matière. L’attention est alors portée sur le dimensionnement de l’entrée vis pour faciliter l’avalement des paillettes. A terme, un profil de vis adapté peut s’avérer utile car les différentes fonctions ne seront pas assurées de la même façon qu’avec des granulés. Elles ne seront donc pas optimales. Il y a nécessité de dimensionner également la buse d’injection, les canaux d’alimentation des outillages et les seuils d’injection pour faciliter le passage d’éventuels polluants. Pour réduire les risques, l’usage d’une buse filtrante est utile. En conséquence, il faut s’attendre à une augmentation du nombre de rebuts sur le plan qualité.

En résumé, sauf cas particulier, les MPR sont bien des matières comme les autres avec leurs propres caractéristiques. C’est à partir de ces dernières qu’il faut construire sa démarche de mise en œuvre et se garder des à priori.

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