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L’innovation au service de la valorisation matière des plastiques en mélange : le nouveau mélangeur-réacteur METEOR

Michel BOUQUEY (ICS-ECPM) et Skander MANI (CT IPC) Strasbourg, 29 Mars 2018 – Colloque National Recyclage

Institut Charles Sadron

About 215 people~ 53 academics (CNRS researchers and University teachers )~ 39Technical and administrative staff~ 75 PhD students, post-doc fellows, ~ 30/40 Master Students, visitors,..~ 25 nationalities

1st CNRS-owned laboratory

1947 founding by Charles Sadron

1954 1st dedicated building

2008 move to new building at CNRS campus

A lab devoted to polymers and self-assembled systems

where chemists, physical chemists and physicists work together

What is Charles Sadron Institute?

7 teams and 4 main topics- Functional Macromolecular Materials- Self-assembling systems- Basics of Polymer Science- Polymers at interfaces

Along the years, this Institute has developed a network of- academic relationships (PICS, IRTG "Soft Matter Sciences“…)- contractual relationships with many industrials partners (Solvay, ARKEMA, BASF, L'OREAL, ESSILOR...)

and is the host of a national scientific society (French Polymer Group)

A lab devoted to polymers and self-assembled systems

where chemists, physical chemists and physicists work together

What is Charles Sadron Institute?

ICS : repères

5ième ou 6ième plus gros labo d’Alsace, 1ière UPRIGBMC – ICube – IPHC, IPCMS, ICS - Dynamiques Européennes

175 personnes hors stagiaires dont 92 permanents

3,8 M€ Budget non consolidé

3 Plateformes technologiques. Certifiées ISO 9001 en juin 2016.

Environ 140 étudiants formés chaque année• 75 doctorants et post-doctorants• 65 stagiaires

7 équipes

• Chimie Macromoléculaire de Précision• Synthèse et Auto-assemblages Moléculaires et Supramoléculaires

• Polyelectrolytes, Complexes et Matériaux• Systèmes Complexes Moléculaires et Macromoléculaires Organisés

• Membranes et Microforces• Théorie et Simulation des Polymères• Mécanique Physique et Tribologie des Polymères

Centre de Recherche sur les Macromolécules et Systèmes Auto-assembléstraitant 4 thèmes impliquant des chimistes, physico-chimistes et physiciens

Aspects fondamentauxdes polymères

Polymères aux interfaces

Systèmes auto-assemblés

Matériaux macromoléculaires

fonctionnels

4 plateformes

• Caractérisation• Microscopie électronique• µ et nanomécanique

• MICASOL installée sur SOLEIL

Organisation scientifique revue

Effectifs

Evolution personnel non permanent 2012/2015

• 75 Doc et Post Doc : 53 Doctorants et 22 post doc de moyenne par année

• 65 stagiaires.

IndicateursEvolution du nombre de thèses soutenues : +23

(+57%)

du 01 janvier 2007 au 30 juin 2011 : 40du 01 juillet 2011 au 31 déc. 2015 : 63

Post doc et autres visiteurs de plus de 3 mois : +22 (+33%)

du 01er janvier 2007 au 30 juin 2011 : 66du 01er juillet 2011 au 31 déc. 2015 : 88

+ 6 HdR

Positionnement institutionnel

Convention d’accueil des ECet de mise en commun d’équipement scientifique (2012)

…

…

…

Environnement scientifique local

Convention à venir avec l’INSERM pour - échange personnel - salle bio ICS à l’INSERM

Fédération Recherche MNA & MICA

FR 3627 Matériaux et Nanosciences d’Alsace

UdS – UHA – CNRS – INSERM –ISL 10 laboratoires

562

7 laboratoires

7 CRT / CTI

Chercheurs, ECIngénieurs etPersonneltechnique597 Chercheurs, EC Ingénieurs et

Personnel technique


29/03/2018 www.ct-ipc.com 12

INNOVATION PLASTURGIE COMPOSITES

CENTRE TECHNIQUE INDUSTRIEL

Notre expertise est dédiée à l’innovation plastique et composite en France.

Depuis 2016, la profession a ainsi de nouveaux moyens pour accompagner

toutes les entreprises (notamment TPE et PME), quel que soit le procédé

utilisé, grâce à une contribution instituée pour financer la R&D, l’innovation, le

transfert de technologies et de compétences.

NOTRE OBJECTIF :

Améliorer la compétitivité de l’industrie nationale par l’innovation et la mise à

disposition de moyens technologiques pour les industriels bénéficiaires.


29/03/2018 www.ct-ipc.com 13

IPC dispose actuellement de 7 sites :

Oyonnax, Chambéry, Alençon, Laval, Clermont-Ferrand, Sainte-Sigolène et Paris

NOS SITES


Choixdes

matériaux

Etudedes

concepts

Approchedesign &

finalisation 3D

Validationtechnico-

économique

Calculs&

validation

Développementoutillages

& procédés

Mise au pointcomplète

produit/process

Transfertvers

l’industrie

NOTRE DÉMARCHE

EXPERTISES PLASTIQUES ET COMPOSITES

NOS COMPÉTENCES

29/03/2018


Nos moyens : plateforme technologique pour l’extrusion et le recyclage des déchets plastiques

Nos compétences Validation à l’échelle pilote du process de traitement de déchets

plastiques (broyage, lavage, criblage, enlèvement métal, séchage, tri) Régénération et formulation (compoundage, compatibilisation, extrusion

réactive / Formulation pour atteindre un CDC) Transformation en Injection et Extrusion

Nos équipements pour le tri et le recyclage des déchets plastiques Broyeur Bac de flottaison statique (batch de 5 à 10kg) Sécheur Crible (séparation par taille des broyats) Tri électrostatique : séparateur HAMOS EKS (30kg/h) Tri triboélectrostatique : Séparateur HAMOS KWS (750kg/h) Silo d’homogénéisation Extrudeuse bivis (100kg/h - clextral Evolum 32) 5 doseurs granulés/poudres/fibres/additifs/liquide Changeur de filtre et pompe à engrenage Plateforme de dosage : 5 doseurs granulés/poudres/fibres/additifs/liquide

www.ct-ipc.com 1529/03/2018


Notre programme R&D RecyclageLa volonté d’IPC de faire de la Plasturgie une industrie éco-responsable a permis de

lancer des projets sur cette activité qui devient un des axes stratégiques d’IPC

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VALLEE VERTE (CCHB) – Analyse

quantitative et qualitative des déchets de post-

production de la Plastic Vallée

EDEN (INTERREG) – Ecoconception et

transformation des matières premières de

recyclage

ENOLIBIO (ADEME) – Etude de la fin de vie

des bio-composites

REMIX (EU) - Projet pilote pour le recyclage

des plastiques en mélange – choix des DEEE

pour le pilote

METEOR-PLAST (DGE) - Développement d’un

mélangeur-réacteur pour le recyclage de

mélanges plastiques recyclés – Déchets

d’emballages ménagers

29/03/2018


LE PROJET METEOR-PLAST


1) CONTEXTE ET MOTIVATION


Limites de la stratégie du « tri maximum » Le « tri maximum » se heurte à 2 types de déchets:

Les mélanges de complexité trop élevée (mélanges de différents grades d’un même polymère,

polymères chargés, problème de couleur …) et dont le coût de tri est prohibitif

Des pièces plastiques de plus en plus « multi-matières » dont le démontage et la séparation

sont impossibles ou extrêmement coûteux

www.ct-ipc.com 19

Le rejet par les filières de tri de près de 55% des déchets collectés indique clairement l’incapacité actuelle

des technologies de tri à traiter efficacement les déchets plastiques.


Refus de tri = déchets plastiques en mélange ?

www.ct-ipc.com 20

??

?

4) Présenced’impuretés : bois, élastomère, métal,

mousse PU, …

3) Composition incompatible et variable

en fonction des gisments, …

2) Mélange avec un large rapport de viscosités :

grade injection, extrusion, charges …

1) Polymères vieillis : scission,

réticulation, hydroperoxydes,...

29/03/2018


Le procédé d’extrusion réactive pour le recyclage desplastiques en mélange

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Réacteur chimique

A

AB

Compatibilisation in-situ (réaction chimique)

Dégazage

Greffage de nouvellesfonctions

Homogénization

Initiateur

Greenlene : une nouvelle matière première de recyclage issue de la

valorisation d’un mélange PP/PE des RBA

Brevet n°WO2013093364 A1-2013,

Skander Mani, Frédéric Viot, Philippe Cassagnau et Valérie Massardier.


Les limites des technologies conventionnelles

www.ct-ipc.com 2229/03/2018

Elles sont basées essentiellement sur des écoulements de cisaillement.

Elles générent de fortes contraintes mécaniques et thermiques.


Les avantages de l’écoulement élongationnel

Limite la vorticité (coalescence des phases en présence), le cisaillement et la

degradation themomécanique..

Une meilleure dispersion pour une large gamme de rapports des viscosités.

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H.P. Grace, Chem. Eng. Commun., 14, 2225 (1971)


Les technologies existantes à base d’écoulementsélongationnels

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« Extensional flow mixer » L. A. Utracki et al. National Research Council of Canada (NRC) U.S. Patent, 6, 550,

956 B1 22/04/2003

Ram-stat MiXer (RMX) : René Muller et al.

Mélangeurs qui fonctionnent en mode batch à

l’échelle de laboratoire

Représentation schématique du mélangeur RMX®A : Vérins actionneurs, C : chambres d’accumulation du

polymère, EM : élément de mélange, P : pistons

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A A C C P P

EM

A A C C P P

EM

Innovative and advanced processing for polymers, Lyon 2017

RMX fundamentals

Main characteristics of RMX extensional flow mixer

25

- Variable mixing volume (5 to 100cm3) depending on piston displacement

- Hydraulically driven pistons: power of hydraulic pump: 2kW

- Maximum pressure in chambers: 300 bars

- Typical frequency at 100 bars: 1 cycle in 2s


RMX fundamentals

Specifications of RMX device

26

Criteria: Feeding of components (including liquids under pressure)Direct moulding of specimensLiquid- and gas tightnessAllow to associate several mixing units in series

Feeding of melt or liquid

Mixing

Towards mould or next mixing unit

Bouquey M., Patent WO 142234 (A1), 2008


RMX fundamentals

Schematic view of mixer

27

Mixing element(different geometries

available)

Teflon or metal seals between

pistons and chambers

Chambers

Mold

Feedingunit

(melts)

Feeding of liquids

Long die mixing element

L=15 mmD=3mm L/D=5

Short die

mixing element L=2 mm

D=2mm L/D=1


RMX previous results

Thermoplastic/Thermoplastic (TP/TP) blends (1)

Low viscosity inclusions in high viscosity matrix

28

Comparison with Brabender-type mixer (without compatibilizer)

b: RMX (long die) 200 J/ga: Rheomix Haake 630 J/g

PS / PMMA 10/90 h(PS)/h(PMMA) 0.2 T=210°C

Bouquey M. et al., Morphological study of two-phase polymer blends during compounding in a novel compounder on the basis of elongational flow, J. Appl. Polym. Sci., 119 (1) (2011) 482-490

a b


Main results

Influence of the mixing sequences (TP/TP blending)

29

PMMA/Styrene 80w/20w ; 90 cycles ; V=100 cm/min ; T= 190°C

Step 1 : Polymer Step 2 : Monomer Step 3 : Polymerization

Step 4 : Mixing10µm 10µm

Dispersion and polymerization Polymerization and dispersion

Improvment of dispersive mixing by usingin situ polymerization process


Objectifs et caractère novateur du projet

www.ct-ipc.com 30

METEOR-PLAST avait pour ambition de déveloper un nouveau procédé permettant

de combiner le recyclage et le compoundage des déchets plastiques en mélange en

une seule étape.

Développer une technologie innovante, basée sur l’écoulement élongationnel,

afin de :

Réduire la consommation d’énergie,

Reduire le cisaillement et la degradation thermomécanique,

Obtenir une fine dispersion et une distribution homogène des constituants du

mélange pour une large gamme de rapports des viscosités,

Convertir des déchets plastiques en mélange en nouvelles matières premières

de recyclage pour des applications à haute valeur ajoutée.

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2) APPROCHE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE DU PROJET


Notre approche scientifique et technique

32

Mélanges modèles Extrusion RMX Nouveaux

matériaux

Caractérisations de laboratoire

Conception

Simulation 3D

Fabrication

METEORDéchets en

mélange

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Matériaux utilisésMélange modèle de déchets : 50%PE, 40%PP et 10% PS

Viscosités à T= 200°C (en Pa.s) :

η (PEHD) = 54200 (MFI = 0.3),

η (PP) = 2010 (MFI = 12),

η (PS) = 3070 (MFI = 11)

=> η (PP)/η (PE) ≈ 0.03 et η (PS)/η (PE) ≈ 0.05 << 0.1 – 1 => mélange critique pour les

technologies d’extrusion conventionnelles

www.ct-ipc.com 33

Deux échantillons de déchets plastiques d’emballages rigides issus du tri des emballages ménagers

29/03/2018


28/03/2018www.ct-ipc.com

34

Broyage, extrusion, filtration et granulation à IPC


Injection d’éprouvettes normalisées et de pièces modèles

Presse à injecter électrique - Engel 150 T

www.ct-ipc.com 35Pièces modèles en utilisant de la matière vierge

et recyclée


Les caractérisations de laboratoire

28/03/2018 www.ct-ipc.com 36

DSC

ATG IRTF

Microscope à force atomique (AFM)

Rhéométriecapillaire

Traction sur jonc

d’extrusion


3) RÉSULTATS SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES


Fourreau

réservoir

Filière

Piston

𝜂𝑒 =9

32∙𝑛 + 1 2

𝜂∙Δ𝑃𝑒ሶ𝛾

2

𝜎𝑒 =3

8𝑛 + 1 Δ𝑃𝑒

ሶ𝜀 =𝜎𝑒𝜂𝑒

Application de l’approche de Cogswell

ሶ𝛾 =4𝑄

𝜋𝑅3∙3𝑛 + 1

4𝑛

𝜏𝑤 =∆𝑃 − ∆𝑃𝑒 𝑅

2𝐿

𝜂 =𝜏𝑤ሶ𝛾

RhéométrieCapillaire

38

Méthode expérimentale pour l’estimation des tauxde cisaillement et d’élongation dans le RMX

28/03/2018


Estimation des paramètres rhéologiques dans le RMX

www.ct-ipc.com 39

Taux de cisaillement et le taux de deformation élongationnelle en fonction de la

vitesse d’écoulement et la gémétrie du RMX

28/03/2018


Une nouvelle technologie …

28/03/2018 www.ct-ipc.com 40

Extrudeuse

Derrière version de METEOR testéeà un debit de 70kg/h

Longueur x Largeur x Hauteur

2 x 1 X 1.2 m3

Dépôt de brevet n°16/56930. Juillet 2016, Skander Mani, Laurent Pivard, et Henri Duthel.


www.ct-ipc.com 41

M

Gear pump

Melt filter

Material & Additivedosing device

Granulatehopper dryer“Green”

compound material

Water

cooling bath

Granulation

Degassing device

M

Extensional flowReactor and Mixer device

Deg

assi

ng

devi

ce

Single or Twin-screw extruder

… et un nouveau procédé d’extrusion & recyclage

en « one Step »


www.ct-ipc.com 42

Un automate de pilotage et exploration du procédé entemps réel

29/03/2018

Un automate pour le pilotage de l'ensemble de la machine avec un synoptique de fonctionnement,

Une interface homme/machine simple et conviviale pour accéder à un maximum de réglages et une exploration en

temps réel du procédé (profil de pressions, profil de températures, débit, rotation de vis…..).

Différents types de capteurs pour visualiser les données et constituer une base de données exploitables par

l’utilisateur.


www.ct-ipc.com 43

Conditions process:Débit = 36 kg/h

Température = 220°CVitesse de lavis de METEOR = 36 rpm

Evolution des pertes de charges : bonne corrélation entre les résultats expérimentaux et les

résultats de la simulation numérique 3D avec Ximex

Optimisation de la conception des éléments du mélangeurpar la simulation numérique 3D des écoulements

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44Les essais de validation de la conception du nouveau mélangeur ont montré une amélioration très significative de la dispersion à l’échelle microscopique et une « compatibilisation physique »

des mélanges PE/PP/PS vierges et recyclés.

Conditions process:Débit = 10 kg/h

Température = 220°CVitesse de lavis de METEOR = 12 rpm

Caractérisations morphologique et mécanique

www.ct-ipc.com


45

Perspectives

www.ct-ipc.com

29/03/2018

METEOR est une nouvelle technologie qui présente un fort potential pour redonner

de la valeur aux mélanges de déchets plastiques et rendre les matières premières de

recyclage compétitives aux matières vierges.

Les axes de travail

Développement de nouvelles strategies de compatibilisation et de stabilisation de

la morphologie des mélanges de matières recyclées (IPC et ICS)

Optimisation de la conception du mélangeur-réacteur METEOR à l’échelle pilote

(à 100kg/h) (IPC et ICS)

Préparer le changement d’échelle et le basic design d’une ligne industrielle de

valorisation matière de haute performance (à 1Tonne /h)


www.ct-ipc.com 46

o Coordinateur SERRAND SAS ( Coralie et Johany Serrand)

Collecteur, trieur et conditionneur de déchets plastiques

o Partenaires DMM (Henri Duthel)

Spécialiste dans l‘étude et la réalisation d’outils destinés à la

transformation des matières plastiques

SISE (Pascal Viel et Najim Jebari)

Spécialiste dans le contrôle des procédés de transformation

des matières plastiques

CT IPC (Laurent Pivard, Franck Vuaillat et Jérôme Piejak)

Centre technique industriel de la plasturgie et des composites

ICS (Pr René Muller, Pr Michel Bouquey et Rigoberto Ibrara

Gomez) Institut Charles Sardon de l’université de Strasbourg

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Remerciements


Documents

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