Stabiliser les performances et la qualité du PEHD recyclé

Ian Requête | 15 juil. 2021

La dégradation du polyéthylène haute densité (HDPE) peut être un problème important pour les recycleurs. Bien que le PEHD soit l'un des plastiques les plus couramment recyclés et qu'il puisse être séparé à l'aide de diverses méthodes, le recyclage de ce polymère n'est pas totalement efficace dans la pratique. Voici des moyens d'ajuster le traitement pour faire face à la dégradation des performances et de la qualité et répondre à la forte demande pour ce matériau, qui avait une valeur de marché mondiale de 68 milliards de dollars en 20191

La chaleur et le cisaillement du processus de recyclage du PEHD peuvent exacerber toute usure existante due à une utilisation antérieure. Cette dégradation peut modifier la structure de la résine en introduisant des gels et des taches, déclencher des réactions secondaires qui modifient la couleur du polymère ou provoquer des variations de fluidité, ce qui peut avoir un impact négatif sur les performances et la qualité du recyclat.

Les contaminants du flux de recyclage tels que les espèces acides peuvent également initier la dégradation, ce qui en fait des "pro-dégradants". Ils peuvent être présents en raison de résidus de catalyseur provenant de la production de polymères, provoquant des réactions secondaires qui créent des acides, ou ils peuvent être introduits à partir du flux de recyclage. Les acides dégradent la structure des chaînes polymères HDPE et diminuent l'efficacité des antioxydants à moins qu'un antiacide ne soit également présent.

Il existe une forte demande mondiale de contenu recyclé post-consommation (PCR), stimulée par les engagements de durabilité des grandes marques et les nouvelles réglementations encourageant la réutilisation des plastiques pour soutenir la circularité. En particulier, le marché du PEHD recyclé de couleur naturelle s'est développé en 2020,2 principalement en raison de la demande croissante des entreprises de biens de consommation emballés (CPG).

Pour approvisionner le marché, il est important que les recycleurs conservent les propriétés du PEHD post-consommation, y compris la couleur, tout au long du processus de recyclage. Une stratégie éprouvée consiste à ajouter des stabilisants au contenu PCR avant qu'il ne soit soumis à des contraintes de chaleur et de cisaillement.

La stabilisation chimique du contenu de la PCR HDPE peut :

Comment fonctionnent les stabilisants avec le HDPE

Les producteurs de résine contrôlent étroitement la structure de leurs matériaux vierges pour assurer une excellente cohérence des propriétés physiques et visuelles. Ils ajoutent souvent un niveau de base de mélanges de stabilisants pour éviter que ces propriétés ne soient affectées par des conditions de traitement difficiles lors de la conversion en produit final.

Ces mélanges de stabilisants sont généralement composés de plusieurs composants, y compris:

Si le niveau de base de stabilisant dans le PEHD n'est suffisant que pour une utilisation limitée (conversion de résine) et a été épuisé au moment où le produit final est collecté pour recyclage, le contenu de PCR manquera de protection contre la dégradation due aux conditions de recyclage difficiles. C'est pourquoi certains recycleurs ajoutent des stabilisants à la masse fondue lors de la conversion des déchets en contenu PCR. Ils ont constaté que la stabilisation offre un rapport avantages-coûts attrayant. Le PEHD recyclé qui conserve ses propriétés, sa couleur et sa capacité de traitement d'origine peut souvent entraîner des prix plus élevés.

Quantifier la stabilisation du PEHD

L'effet des stabilisants sur le HDPE recyclé peut être déterminé en testant le temps d'induction oxydative (OIT), l'écoulement à l'état fondu et la rétention de couleur.

Le temps d'induction oxydative est une mesure de la résistance d'un polymère à la décomposition oxydative. Il indique dans quelle mesure les pièces fabriquées à partir du matériau peuvent résister au vieillissement (comme la fissuration, la fissuration, l'affaiblissement ou la défaillance) sous l'exposition à des éléments environnementaux tels que la chaleur, l'oxygène, la lumière et les radiations.

Les tests d'OIT caractérisent la stabilité thermo-oxydative des polyoléfines, en particulier du polyéthylène (PE). C'est une mesure sensible du niveau d'additifs antioxydants dans le polymère. La norme ASTM D3895 spécifie une méthode de test pour l'OIT utilisant la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). En bref, il s'agit d'un test de vieillissement thermique accéléré.

Au cours de ce test, la résine subit un chauffage contrôlé au dessus de sa température de fusion sous atmosphère d'azote. Une fois fondue, la résine est exposée à de l'oxygène pur et une minuterie démarre lorsque l'antioxydant principal est consommé au fil du temps. Lorsque l'antioxydant primaire est entièrement consommé, cela se traduit par une modification du flux de chaleur et le temps d'induction est déterminé. En général, des temps OIT plus longs suggèrent un niveau de stabilisation plus élevé. En pratique, l'OIT est une bonne option pour un test rapide lorsque le vieillissement thermique n'est pas pratique. Il est préférable de l'utiliser en conjonction avec le vieillissement thermique, car différentes applications peuvent avoir des résultats OIT identiques mais des résultats de vieillissement thermique différents. Dans le recyclage, des résultats OIT proches de zéro sont souvent observés.

Certaines spécifications exigent des numéros OIT minimum. Selon l'American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), "les tuyaux fabriqués à partir de matériaux PE recyclés (contenu PCR ou PIR, ou les deux) doivent avoir un temps d'induction d'oxydation (OIT) de 20 minutes.3"

Dans un exemple, Baerlocher USA a démontré par des tests OIT comment ses stabilisateurs Baeropol® T-Blend pouvaient augmenter la stabilité des flocons PCR HDPE. Après plusieurs extrusions du matériau, les niveaux d'OIT sont restés élevés au-dessus de la lecture initiale du flocon non stabilisé, offrant une durée de vie plus longue au polymère et prolongeant sa recyclabilité.

Un argument contre l'utilisation du contenu PCR est l'impact potentiel sur les processus de moulage, de soufflage et d'extrusion à grande vitesse. Un matériau recyclé post-consommation avec un écoulement de fusion irrégulier peut réduire le débit et entraîner un remplissage incomplet du moule et des taux de rebut élevés.

La fluidité à l'état fondu peut être impactée par les contraintes du processus de recyclage mécanique. Au cours de la dégradation oxydative, qui peut se produire lors du recyclage, les chaînes polymères changent de différentes manières négatives. Les polymères comme le HDPE peuvent se réticuler, augmentant la viscosité à l'état fondu, ce qui ralentit l'écoulement à l'état fondu. L'ajout d'un stabilisateur peut aider à prévenir ce problème.

La norme pour mesurer l'indice de fluidité est la norme ASTM D1238. La résine est fondue dans une goulotte et extrudée à une vitesse contrôlée en appliquant une pression constante via un poids et un piston. La vitesse à laquelle la résine est extrudée est mesurée. La réticulation se produit en particulier pendant les processus de fusion (re-pelletisation et traitement). Le principal problème est que lorsque les débits de fusion changent, il est difficile pour les transformateurs de maintenir la qualité car ils doivent modifier les conditions du processus.

La stabilité de la couleur des flux de recyclage de PEHD est souvent considérée comme plus importante dans les qualités naturelles que dans les flux mixtes, car les utilisateurs de PEHD recyclé naturel veulent souvent un meilleur contrôle. Le contrôle de la couleur dans des flux mélangés avec différents pigments n'est pas pratique. Les grades naturels, d'autre part, peuvent potentiellement permettre aux clients de produire plus d'options de couleurs. Ils ont besoin de qualités naturelles pour être cohérents afin d'obtenir systématiquement les résultats de couleur souhaités. Dans les qualités naturelles, le jaunissement peut se produire en raison de mécanismes de dégradation qui créent des corps de changement de couleur. L'incorporation de piégeurs d'acides dans un mélange de stabilisants peut empêcher ces corps de changer de couleur.

Les changements de couleur peuvent être mesurés à l'aide d'un colorimètre. Les données sont souvent rapportées à l'aide de plusieurs valeurs, telles que L* (une mesure de luminosité/obscurité), a* (une mesure de rouge/vert) et b* (une mesure de jaune/bleu).

Avantages des mélanges de stabilisants

Il y a plusieurs avantages à travailler avec des ensembles d'additifs prémélangés. Les composants synergiques sont plus efficaces lorsqu'ils sont mélangés avant la composition. L'option d'emballages à faible poussière/sans poussière peut être nécessaire pour les clients qui ne peuvent pas utiliser de mélanges de poudres pour des raisons de sécurité ou de propreté. Les mélanges peuvent également réduire les erreurs des utilisateurs et offrir des avantages en termes de coûts, car ils contribuent à simplifier la chaîne d'approvisionnement par rapport à l'utilisation d'additifs individuels.

Les mélanges binaires de stabilisants traditionnels (antioxydants primaires et secondaires) se présentent sous des formes de produits limitées.

Le HDPE recyclé peut être utilisé pour une gamme d'applications4, y compris les bouteilles non alimentaires, les tuyaux, les palettes et les terrasses. Bien que le PEHD soit raisonnablement facile à recycler, sa couleur et ses performances peuvent être affectées négativement par la chaleur, le cisaillement et la contamination pendant le processus de recyclage. L'ajout de stabilisants chimiques, en particulier de mélanges de stabilisants, à la masse fondue pendant le recyclage peut aider à prévenir la dégradation du produit final, à améliorer la régularité de l'écoulement à l'état fondu et à conserver la couleur naturelle souhaitée. Les T-Blends de Baerlocher, qui sont préformulés pour des synergies et des performances optimales, peuvent améliorer la stabilité de la fusion, minimiser le jaunissement et améliorer les performances du produit final pour prolonger la durée de vie utile de la pièce.

Ian Query est spécialiste technique au sein de la division Special Additives de Baerlocher USA.

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