Des chercheurs du département de l’Énergie du Laboratoire national d’Oak Ridge ont mis au point une approche de recyclage qui ajoute de la valeur aux plastiques jetables en vue de leur réutilisation dans la fabrication additive, également appelée impression 3D. Cette méthode adoptable et évolutive introduit une stratégie de circuit fermé qui pourrait réduire mondialement les déchets plastiques et les émissions de carbone liées à leur production.
Des résultats publiés dans Science Advances décrivent le processus simple de recyclage d’un plastique courant en un matériau plus résistant compatible avec les méthodes d’impression 3D industrielles.
L’équipe a amélioré l’acrylonitrile butadiène styrène, ou ABS, un thermoplastique populaire que l’on retrouve dans des objets du quotidien allant des pièces automobiles aux balles de tennis en passant par les blocs LEGO. L’ABS est une matière première prisée pour la fabrication par fusion de filaments, ou FFF, l’une des méthodes d’impression 3D les plus largement utilisées. La version recyclée offre une résistance, une robustesse et une résistance chimique améliorées, ce qui la rend attrayante pour le FFF afin de répondre à de nouvelles applications à performances supérieures impossibles avec l’ABS standard.
Le recyclage des polymères joue un rôle important dans la résolution du problème croissant de l’accumulation mondiale de déchets plastiques. Environ 400 millions de tonnes de déchets plastiques sont générées chaque année, principalement sous forme d’articles à usage unique qui finissent dans les décharges ou dans l’environnement. À l’échelle mondiale, moins de 10 % des déchets plastiques sont recyclés.
“Nous aurons besoin de découvertes fondamentales pour surmonter les défis liés à l’augmentation des coûts et à la dégradation des propriétés des matériaux associées au recyclage”, déclare l’auteur principal Tomonori Saito de la division des sciences chimiques d’ORNL. “Notre objectif était de développer une stratégie facilement adoptable qui réutilise les déchets plastiques pour créer un matériau plus précieux au lieu de produire du plastique neuf.”
L’équipe s’est intéressée à la fabrication additive, qui est plus économe en ressources que la fabrication conventionnelle et permet de réaliser des structures 3D utiles et complexes difficiles à obtenir par moulage ou coulée. Le FFF représente la plus grande part de ce marché avec près de 70 % du marché mondial.
“Le développement de nouveaux matériaux recyclables aux propriétés supérieures pour le FFF offre des opportunités de réduire considérablement la production de plastique et d’élargir les capacités de fabrication additive ayant le potentiel de réduire notre empreinte carbone”, explique Sungjin Kim d’ORNL.
L’impression FFF nécessite des matériaux qui peuvent être extrudés, c’est-à-dire poussés, à travers une buse chauffée pour former les fils de structures 3D, construites couche par couche, comme enrouler une corde. En tant que matériau thermoplastique réagissant à la chaleur, l’ABS convient bien au processus car il peut s’écouler facilement et durcir rapidement pour former des structures solides et rigides. Cependant, il existe des faiblesses inhérentes dans la manière dont les fils s’empilent et se lient. Le développement de nouvelles matières premières aux propriétés supérieures pourrait faire progresser les applications à haute performance pour le FFF, mais cela s’est avéré difficile à concevoir.
L’équipe a utilisé une “chimie clic” pour convertir la composition chimique de l’ABS en un vitrimère, un type de polymère qui associe la processabilité et la recyclabilité des thermoplastiques aux propriétés mécano-chimiques supérieures des thermodurcissables, tels que l’époxy, qui sont généralement incompatibles avec le FFF. La synthèse utilise des composés médicamenteux largement disponibles qui sont mélangés en une seule étape dans des conditions douces, suivie d’une polymérisation à chaud.
Les résultats montrent que l’ABS recyclé a atteint une résistance et une robustesse environ deux fois supérieures à celles de l’ABS standard, avec une résistance accrue aux solvants.
Les chercheurs ont démontré l’excellente résistance à la compression du matériau grâce à des structures géométriques 3D complexes reproduisant les ailes de scarabées.
“La résistance aux solvants a une valeur ajoutée car elle nous permet de séparer facilement l’ABS modifié des déchets plastiques mélangés et non triés couramment rencontrés dans les scénarios de recyclage”, explique Saito.
L’équipe a dissous des déchets plastiques mélangés dans divers solvants, et dans chaque expérience, l’ABS recyclé a conservé sa structure, tandis que tous les autres plastiques, y compris l’ABS, se sont complètement dissous.
“L’approche est extrêmement polyvalente”, déclare Kim. “L’ABS recyclé récupéré peut être réutilisé à plusieurs reprises pour le FFF avec une perte minimale de ses propriétés. Il peut également être combiné avec de l’ABS mélangé et standard, et directement imprimé sous forme de mélange.”
L’approche multi-chemin permet à la fois le recyclage et le recyclage des déchets ABS mélangés contenant n’importe quelle combinaison d’ABS standard, recyclé ou mélangé. Tous sont compatibles avec le FFF et n’ont pas besoin d’être séparés avant d’être réimprimés, mais la séparation peut facilement être effectuée pour offrir une sélection de matériaux utiles pour des applications de fabrication plus larges.
“Cet effort démontre une boucle fermée pour la fabrication d’objets en plastique, potentiellement avec une valeur et des performances supérieures, en utilisant uniquement des déchets plastiques existants dans l’un des domaines les plus accessibles de la fabrication additive”, déclare Saito.
L’article du journal est publié sous le titre “Closed-loop Additive Manufacturing of Upcycled Commodity Plastic through Dynamic Crosslinking”.
Ce travail a été soutenu par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire d’ORNL et le Bureau des sciences.
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