Fabrication additive en boucle fermée alimentée par du plastique recyclé

Fabrication additive en boucle fermée alimentée par du plastique recyclé

Une stratégie de l’ORNL pour les déchets plastiques recyclés propose des matériaux imprimables et performants pour faire progresser la fabrication additive. Crédit : Geneviève Martin/ORNL, Département américain de l’énergie

Des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont mis au point une approche de recyclage qui ajoute de la valeur aux plastiques mis au rebut pour les réutiliser dans la fabrication additive ou l’impression 3D. La méthode facilement adoptable et évolutive introduit une stratégie en boucle fermée qui pourrait réduire globalement les déchets plastiques et réduire les émissions de carbone liées à la production de plastique.

Résultats publiés dans Avancées scientifiques détaillez le processus simple de recyclage d’un plastique de base en un matériau plus robuste compatible avec les méthodes d’impression 3D de l’industrie.

L’équipe a amélioré l’acrylonitrile butadiène styrène, ou ABS, un thermoplastique populaire que l’on trouve dans les objets du quotidien allant des pièces automobiles aux balles de tennis en passant par les blocs LEGO. L’ABS est une matière première populaire pour la fabrication de filaments fondus, ou FFF, l’une des méthodes d’impression 3D les plus largement utilisées. La version recyclée offre une résistance, une ténacité et une résistance chimique améliorées, ce qui la rend attrayante pour FFF pour répondre à de nouvelles applications plus performantes non réalisables avec l’ABS standard.

Le recyclage des polymères joue un rôle important pour relever le défi croissant de l’accumulation mondiale de déchets plastiques. Environ 400 millions de tonnes de déchets plastiques sont générés chaque année, principalement sous forme d’articles à usage unique qui finissent dans les décharges ou dans l’environnement. Dans le monde, moins de 10 % des déchets plastiques sont recyclés.

“Nous aurons besoin de découvertes fondamentales pour surmonter les défis de l’augmentation des coûts et de la détérioration des propriétés des matériaux associées au recyclage”, a déclaré l’auteur principal Tomonori Saito de la division des sciences chimiques de l’ORNL. “Notre objectif était de développer une stratégie facilement adoptable qui réutilise les déchets plastiques pour créer un matériau plus précieux au lieu de générer du plastique frais.”

L’équipe a ciblé la fabrication additive, qui est plus économe en ressources que la fabrication conventionnelle et peut réaliser des structures 3D utiles et complexes qui seraient difficiles à produire par moulage ou moulage. FFF représente la plus grande part de cette industrie avec près de 70 % du marché mondial.

« Le développement de nouveaux matériaux recyclables dotés de propriétés supérieures pour FFF crée des opportunités d’avoir un impact important sur la production de plastique et d’étendre les capacités de fabrication additive qui ont le potentiel de réduire notre empreinte carbone », a déclaré Sungjin Kim de l’ORNL.

L’impression FFF nécessite des matériaux qui peuvent être extrudés ou poussés à travers une buse chauffée pour former les fils de structures 3D, construites couche par couche, comme l’enroulement d’une corde. En tant que matériau thermoplastique qui réagit à la chaleur, l’ABS fonctionne bien pour le processus car il peut s’écouler facilement et durcir rapidement en structures solides et rigides. Cependant, il existe des faiblesses inhérentes à la façon dont les threads s’empilent et se lient. Le développement de nouvelles matières premières avec des propriétés supérieures pourrait faire progresser les applications hautes performances pour les FFF, mais celles-ci ont été difficiles à concevoir.

L’équipe a appliqué la chimie “clic” pour convertir la composition chimique de l’ABS en un vitrimère, un type de polymère qui combine la transformabilité et la recyclabilité des thermoplastiques avec les propriétés mécanochimiques supérieures des thermodurcissables, tels que l’époxy, qui ne sont généralement pas compatibles avec le FFF. La synthèse utilise des composés médicaux largement disponibles qui sont mélangés en une seule étape dans des conditions douces, suivis d’un durcissement à la chaleur.

Les résultats montrent que l’ABS recyclé atteint environ le double de la ténacité et de la résistance de l’ABS standard, avec une résistance améliorée aux solvants.

Les chercheurs ont démontré l’excellente résistance à la compression du matériau avec des structures géométriques complexes imprimées en 3D modélisées sur des ailes de coléoptère.

“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”, a déclaré 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”, a déclaré Kim. “L’ABS recyclé peut être réutilisé encore et encore pour le FFF avec une perte minimale de propriétés. Il peut également être combiné avec de l’ABS mixte et standard, et directement imprimé en tant que mélange.”

L’approche multi-voies 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 FFF et n’ont pas besoin d’être séparés avant la réimpression, mais la séparation peut facilement être effectuée pour offrir une sélection de matériaux utiles pour de larges applications de fabrication.

“Cet effort démontre une boucle fermée pour la fabrication d’articles en plastique, potentiellement avec une valeur et des performances supérieures, en utilisant uniquement les déchets plastiques existants dans l’un des domaines les plus accessibles de la fabrication additive”, a déclaré Saito.


Le recyclage polymère du plastique commun ajoute de la ténacité et de la recyclabilité aux adhésifs structuraux


Plus d’information:
Sungjin Kim et al, Fabrication additive en boucle fermée de plastique de base recyclé par réticulation dynamique, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn6006

Fourni par le laboratoire national d’Oak Ridge

Citation: Fabrication additive en boucle fermée alimentée par du plastique recyclé (13 juin 2022) récupéré le 13 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-closed-loop-additive-fueled-upcycled-plastic.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.