Développement de méthodologie ad-hoc d’échantillonnage de plastiques en vue d’augmenter le taux d’incorporation et de recyclage : analyse de variabilité et plan d’expérie

Le sujet de cette thèse entre dans le cadre du projet INTERREG FRANCE-WALLONIE-VLANDEREN RE-ASSIGN  Approche Transfrontalière vers une Économie Circulaire, démarré au 1^er Avril 2024.

En ligne avec le pacte vert européen, ce projet transfrontalier vise à supporter les entreprises de la zone Interreg France-Wallonie-Vlaanderen dans leur transition vers une économie circulaire par le développement de produits intégrant un taux maximal de matières recyclées (Design from recycling) à partir de flux post-consommateurs ou pré-consommateurs. L’intégration de matières plastiques recyclées dans des boucles circulaires nécessite de connaître et de maîtriser la composition des gisements tout au long de la chaîne de procédés appliqués (collecte, tri, lavage, broyage, recyclage, compoundage …). Pour cela, il est primordial d’assurer la maitrise des processus de prélèvements et de conservation de la représentativité jusqu’à la réalisation de l’analyse. Ces méthodologies bien établies pour l’industrie minière, restent à mettre en place/valider pour des matières recyclées, a fortiori des matières plastiques. C’est à cette problématique que le projet RE-ASSIGN consacrera son action pilote.

L'accent est mis sur les gisements de plastique post-consommation, collectés, triés, lavés et broyés. Ces gisements, sous forme de paillettes ou de broyat, doivent être intégrés dans des boucles circulaires de recyclage. Cela nécessite une maîtrise rigoureuse de leur composition tout au long de la chaîne de traitement. La performance des procédés de recyclage dépend largement du type de plastique, de leur composition et de la pureté du gisement (Chancerel et Rotter, 2009).

Les plastiques post-consommation doivent souvent être séparés avant recyclage en raison de l'immiscibilité entre certains polymères (Froelich et al., 2007 ; Maris et al., 2018) ou en raison de la présence de substances dangereuses (Directive RoHS 2002/95/CE). Même après lavage et tri, les gisements peuvent contenir des polymères indésirables ou du même type mais de structure chimique différente, affectant leur recyclabilité (Antonopoulos et al., 2021). La connaissance des taux de pureté acceptables pour un gisement reste variable entre les pays de l'UE (Marris et al., 2018, Faraca et al., 2019) et sera aussi appréhendée par RE-ASSIGN.

Les gisements d’intérêt pour RE-ASSIGN seront évalués selon la taille des particules, le type de polymère, et la quantité d'ignifugeants et autres additifs. La méthodologie d'échantillonnage, la répétabilité et la reproductibilité des mesures sont cruciales pour l'étude des déchets en particules mélangées (Khodier et al., 2019). En plus de la caractérisation physico-chimique, il est essentiel de comprendre le comportement à la transformation (rhéologie, indice de fluidité à chaud, résistance aux contraintes). Ces comportements, mesurés à l'échelle de laboratoire, dépendent de la composition de l'échantillon du gisement. La variabilité des lots sera gérée et conservée, réduisant ainsi le nombre d'échantillons à garder pour les études ultérieures, grâce à des plans d’expériences et analyses multivariées.

RE-ASSIGN vise à développer des méthodes proches de celles développées pour les DEEE par Maris et al. (2015) qui se sont appuyés sur la théorie d’échantillonnage de GY (1976, and 2004a) qui permettent de passer de la tonne à quelques grammes pour analyse. Les méthodologies d’échantillonnage sont nombreuses et les résultats varient finalement selon la composition et les caractéristiques des gisements considérés. Ainsi les gisements entre pays inter-régions européenne sont-ils homogènes ou non et nécessitent-ils des méthodologies d’échantillonnages identiques ou non seront des réponses qui seront apportées par RE-ASSIGN.  

Les recommandations Européennes et les normes d’échantillonnages Françaises seront également intégrées et prises en compte dans notre étude afin de voir si elle nécessite ou non adaptations aux gisements de plastiques destinés à être recyclés. La mise en place d’une méthodologie d’échantillonnage et appliquée pour un gisement de plastiques post-consommation à destination du recyclage dédiée pour un type de valorisation matière devrait permettre d’augmenter son taux d’incorporation tout en diminuant le nombre d’analyses physico-chimiques et en augmentant la maîtrise de la pureté du gisement considéré. Un des résultats attendus de l’approche RE-ASSIGN serait d’identifier dans quelle mesure ces méthodologies (valables chacune pour un gisement pour une valorisation) peuvent être homogénéisées, par gisement de polymères, par procédés et entre les pays inter-régions européenne.

École sous tutelle du ministère de l’économie, des finances et de la souveraineté industrielle et numérique, IMT Nord Europe est née en 2017 de la fusion de Télécom Lille et de l’École des Mines de Douai. Elle compte aujourd’hui parmi les plus Grandes Écoles d’ingénieurs au Nord de Paris avec plus 2200 élèves, dont un quart d’apprentis, plus de 600 diplômés par an et un réseau de 15 000 diplômés. Elle fait partie de l’Institut Mines Télécom, premier groupe public de Grandes Écoles d’ingénieurs et de management de France, et est partenaire de l’université de Lille.

IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXIème siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1H30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20 000 m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les trois domaines « Systèmes Numériques », « Energie Environnement » et « Matériaux et Procédés ».

Pour plus de détails, consulter le site internet de l’École : www.imt-nord-europe.fr

Présentation du laboratoire : Le Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation Matériaux et Procédés (CERI MP) d’IMT Nord Europe positionne sa recherche sur trois domaines scientifiques : Technologies & Matériaux Avancés, Économie Circulaire & Éco-Matériaux, et Mécanique, Matériaux & Procédés Numériques. Principalement actif dans les domaines des transports et du génie civil, le CERI MP couvre des applications aussi variées que l’agro-alimentaire, le médical ou encore les énergies renouvelables. Le le CERI MP est actif sur des matériaux aussi diversifiés que ceux du génie civil, les polymères et les matériaux composites.

Le couplage procédé de mise en œuvre / propriétés finales est abordé de manière systématique, en ajoutant une forte dimension environnementale, depuis la valorisation de déchets et autres matériaux alternatifs jusqu’à l’écodesign permettant d’augmenter la recyclabilité des produits, de les intégrer dans des boucles d’économie circulaire ou de favoriser des matières premières renouvelables et biosourcées.

Le CERI MP aborde également la mécanique et les matériaux numériques, avec des modélisations multi-échelles et multiphysiques des matériaux et procédés. De nouveaux outils sont développés, permettant par exemple de mieux modéliser les phénomènes complexes, d’aider à la prise de décision ou gérer les flux de déchets en vue de leur réemploi ou de leur valorisation. Enfin, l’instrumentation des pièces et structures en vue de créer leur jumeau numérique est un domaine en plein essor.

Diplôme exigé : Master en Instrumentation, Mesures (physiques), Métrologie