contribution a la valorisation des dechets plastiques …
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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO
**********
MENTION INGENIERIE PETROLIERE
*********
PARCOURS PETROCHIMIE
Mémoire de fin d’études pour l’obtention du diplôme de LICENCE
Intitulé :
Présenté par : HENITSOAFIDY Rémy Onésime
Soutenu le : 09 Mai 2017
Promotion 2016
CONTRIBUTION A LA VALORISATION DES
DECHETS PLASTIQUES POUR LA
PRODUCTION DES MATERIAUX COMPOSITES
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO
**********
MENTION INGENIERIE PETROLIERE
*********
PARCOURS PETROCHIMIE
Mémoire de fin d’études pour l’obtention du diplôme de LICENCE
Intitulé :
CONTRIBUTION A LA VALORISATION DES
DECHETS PLASTIQUES POUR LA PRODUCTION
DES MATERIAUX COMPOSITES
Présenté par : HENITSOAFIDY Rémy Onésime
Soutenu le : 09 Mai 2017
Membres du Jury :
Président du jury : Docteur RARIVOSON Nantenaina
Encadreur : Professeur RANDRIANA Nambinina Richard Fortuné
Examinateur : Docteur RAHARINJATO Fanja
Promotion 2016
Je dédie cet ouvrage pour honorer
la mémoire de ma Mère
RAZANADRATSIRY Agnès Onésime G.
* * * *
* * * * µ
i
REMERCIEMENTS
J’aimerais adresser mes vifs remerciements à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à
la réalisation de ce mémoire, en particulier :
DIEU tout puissant qui, par sa grâce et sa volonté, a permis que ce mémoire puisse
être réalisé ;
Professeur ANDRIANAHARISON Yvon, Directeur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo qui a bien voulu m’autoriser à faire mes études au sein de
l’ESPA ;
Professeur ANDRIANAIVO Lala, Chef de la Mention Ingénierie Pétrolière qui a bien
voulu m’autoriser à effectuer cette soutenance ;
Docteur RARIVOSON Nantenaina, enseignante à l’ESPA qui a bien voulu Présider
cette soutenance ;
Docteur RAHARINJATO Fanja, enseignante à l’ESPA qui m’a fait l’honneur de siéger
au sein de ce jury en tant qu’examinateur ;
Professeur RANDRIANA Nambinina Richard Fortuné Chef de la Mention Génie des
Procédés Chimiques et Industriels qui m’a encadré, mais surtout n’a ménagé son temps
ni ses peines pour me prodiger tous les conseils et instructions qui m’ont permis de mener
à bien ce travail ;
Mr RANDRIAMORA Edmond, Chef principal du Bloc Technique sise à Ankatso, Mr
RANDRIANTSEHENO Jean et tout le personnel y travaillant qui m’ont offert leurs
précieux aides durant mes séances de travaux pratiques ;
Mon père, ma tante, mes frères et soeurs, qui par leur compréhension, leur sacrifice, leur
soutien moral, financier, spirituel m’ont beaucoup aidé pour l’accomplissement de ce
mémoire ;
Tous les enseignants et enseignantes de la Mention Ingénierie Pétrolière pour les
formations qu’ils ont dispensé ; toute ma famille ainsi que mes amis sans oublier ma
promotion de classe qui étaient toujours à mes côtés pour me soutenir.
A vous tous « MERCI » …
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
ii
SOMMAIRE
SOMMAIRE
REMERCIEMENTS
LISTE DES ABREVIATIONS- LISTE DES ACRONYMES
LISTE DES ANNEXES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES PHOTOS
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE 1 : SYNTHESES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 1 : Notion sur les matériaux polymères
CHAPITRE 2 : Familles des plastiques et leurs usages
CHAPITRE 3 : Valorisation des déchets plastiques
CHAPITRE 4 : Matériaux composites
PARTIE 2 : ETUDES EXPERIMENTALES
CHAPITRE 5 : Contexte de l’étude et justification des choix des matériaux utilisés
CHAPITRE 6 : Prétraitement des déchets et mise en œuvre
CHAPITRE 7 : Etude et discussion sur les résultats obtenus
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXES
TABLE DES MATIERES
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
iii
LISTE DES ABREVIATIONS ET ACRONYMES
% : pourcent
°C : Degré Celsius
µm : micromètre
ABS : Acrylonitrile Butadiène Styrène
ADN : Acide Désoxyribonucléique
Atm : Atmosphère
CD : Compact Disc
DMT : Diméthyle téréphtalate
DVD : Digital Versatile Disc
EN : Norme Européen
HAP : Hydrocarbure Aromatique Polycyclique
INSTAT : Institue Nationale de la Statistique
Kg : Kilogramme
MEG : Mono éthylène Glycol
mm : millimètre
NBN : Bureau de normalisation
PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur
PEEK : Polyéther-éther-cétone
PSE : polystyrène expansé
PEBD : polyéthylène basse densité
PEHD : polyéthylène haute densité
TPA : Acide téréphtalique
UV : Ultra-Violet
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iv
LISTE DES ANNEXES
Annexe 1 : Transformations ou mises en forme des matériaux plastiques ............................... a1
Annexe 2 : Extrait de loi sur la procédure de gestion de déchets .............................................. a3
Annexe 3 : Normes et classification Camerounaises sur les caractéristiques des éprouvettes
................................................................................................................................................... a5
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
v
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Schéma du principe de raffinage ............................................................................... 4
Figure 2 : Polymère .................................................................................................................... 6
Figure 3 : Un monomère ............................................................................................................ 9
Figure 4 : Polymérisation du styrène ........................................................................................ 11
Figure 5 : Représentation d'une chaine de polymère linéaire ................................................... 13
Figure 6 : Polymère .................................................................................................................. 13
Figure 7 : Polymère réticulé avec ponts disulfure reliant deux chaînes ................................... 13
Figure 8 : Représentation schématique d’un polymère semi-cristallisé ................................... 13
Figure 9 : Cycle de recyclage des matériaux plastiques ........................................................... 20
Figure 10 : Réaction de glycolyse du PET ............................................................................... 25
Figure 11 : Réaction de méthanolyse du PET .......................................................................... 25
Figure 12 : Résumé des différentes modes de valorisation des déchets plastiques .................. 26
Figure 13 : Classification des matériaux .................................................................................. 27
Figure 14 : Types de matrices .................................................................................................. 30
Figure 15 : Différents types de renfort ..................................................................................... 31
Figure 16 : Moulage au contact ................................................................................................ 32
Figure 17 : Moulage par projection .......................................................................................... 32
Figure 18 : Moulage par injection à basse pression de résine .................................................. 33
Figure 19 : Moulage à pression à froid à basse pression .......................................................... 33
Figure 20 : Diagramme de la cuisson ....................................................................................... 41
Figure 21 : Variation de la température pour le refroidissement de la brique ......................... 41
Figure 22 : Diagramme sur la résistance à la compression à sec des mélanges ....................... 42
Figure 23 : Diagramme sur la résistance à la compression humide des mélanges ................... 43
Figure 24 : Histogramme sur la porosité des matériaux ........................................................... 45
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vi
LISTE DES PHOTOS
Photos 1 : Unité de soufflage ou forge ..................................................................................... 36
Photos 2 : Presse de compactage .............................................................................................. 37
Photos 3 : Machine d’essai universelle Wolpest Testwell ....................................................... 37
Photos 4 : Tri, broyage, chauffage ........................................................................................... 38
Photos 5 : Moulage et compactage ........................................................................................... 38
Photos 6 : Matériaux obtenus à partie des déchets plastiques .................................................. 39
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Caractéristiques des hydrocarbures ......................................................................... 5
Tableau 2 : Polymères usuels et courants ................................................................................... 8
Tableau 3 : Famille des thermoplastiques et leurs usages ........................................................ 16
Tableau 4 : Usages des polymères thermodurcissables ........................................................... 17
Tableau 5: Quelques élastomères et leurs utilisations .............................................................. 18
Tableau 6: Marquage industriel et signification des matières plastiques ................................. 22
Tableau 7 : Composition des matériaux composites usuels ..................................................... 29
Tableau 8 : Principales différences entre matrice thermoplastique et thermodurcissable ....... 30
Tableau 9 : Caractéristiques du PET et PEHD ......................................................................... 35
Tableau 10 : Divers essais et leurs états ................................................................................... 40
Tableau 11 : Résistance à la compression à sec des essais ...................................................... 42
Tableau 12 : Résistance à la compression humide des essais .................................................. 43
Tableau 13 : Test de porosité des échantillons ......................................................................... 44
1
Actuellement, les matières plastiques ont envahi nos quotidiens : dans les
emballages, les textiles, les appareils électroménagers, en médecine et dans l’industrie
automobile. Ce succès résulte de leur faible coût de production, de l’amélioration de leur
propriété et mise en forme, mais surtout de leur durabilité par rapport aux autres matériaux.
Malgré ses atouts, l’augmentation de la consommation de ces matières s’accompagne d’une
augmentation des déchets qu’ils engendrent. Après usage, le produit est jeté par les
consommateurs et malheureusement connait plusieurs destins. Abandonnés dans la nature, ils
s’accrochent aux arbres, enlaidissent le paysage, bouchent les canaux d’évacuations des eaux
usées…Et parfois, ils sont incinérés ou même mises en décharge et ne subissent aucun
contrôle.
Pour seulement le cas de la ville d’Antananarivo, elle représente plus de 320000
tonnes de déchets ménagers par an, soit, 870 tonnes de déchets par jour (selon l’INSTAT,
2016). Une quantité qui s’avère plutôt lourde, étant donné que la plupart de ces déchets sont
des plastiques ne se dégradant qu’après plusieurs années, voir plus de 400 ans. La contribution
de l’Etat, que ce soit pour la réduction des déchets solides mais aussi pour la réduction de
l’émission des gaz toxiques dans l’atmosphère est largement insuffisante. Même en appliquant
le principe du « Pollueur payant » à travers lequel les pays les plus polluants devront payer
des taxes pour compenser leurs émissions de gaz à effet de serre, l’environnement cours
toujours le risque d’une énorme dégradation et c’est également le cas pour la santé publique.
Tous ces faits cités précédemment nous ont poussés à effectuer cette recherche
qui s’intitule : « Contribution à la valorisation des déchets plastiques pour la production des
matériaux composites ». Le présent ouvrage comprend deux grandes parties articulées en
plusieurs chapitres :
La première partie représente les recherches bibliographiques concernant, en premier
lieu, la notion sur les matériaux polymères, puis la famille des plastiques et leurs usages
respectifs, suivie de la valorisation des déchets engendrés par ces matériaux et finalement tous
sur les matériaux composites.
La deuxième partie est consacrée aux études expérimentales : de la fabrication de ces
matériaux composites en utilisant les déchets plastiques comme liant jusqu’ à l’interprétation
des résultats obtenus.
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE
ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
2
Chapitre 1 Notion sur les matériaux polymères
1.1 Matière première : Le pétrole
1.1.1 Généralités
Tous matériaux plastiques, dans la plupart des cas, sont dérivés du pétrole. Le pétrole
étant un liquide composé principalement de molécules d'hydrocarbures (formées uniquement de
carbone et d'hydrogène) et une proportion assez variable des molécules lourdes plus complexes
(incluant de l'oxygène, de l'azote et du soufre). Il ne peut pas être utilisé directement à l’état brut
mais doit être raffiné (purifié) et transformé dans une raffinerie.
1.1.2 Distillation du brut
Première étape du raffinage, la distillation permet de séparer les différentes fractions
d’hydrocarbures contenues dans le pétrole brut. On ne cherche pas à obtenir des produits purs,
mais plutôt des « coupes », c’est-à-dire des mélanges plus simples réunissant des hydrocarbures
dont le nombre d’atomes de carbone est proche.
Cette distillation se fait en deux étapes :
La distillation atmosphérique
La distillation sous vide
Le pétrole est d’abord chauffé dans la colonne de distillation atmosphérique. Grâce à la différence
de température d’ébullition des composants, la vaporisation des fractions plus ou moins légères
conduit à une distillation fractionnée. Sur toute la hauteur de la tour, on recueille à différents
niveaux une dizaine de produits plus ou moins lourds, depuis les bitumes jusqu’aux gaz.
Après cette première distillation, la partie résiduelle est envoyée dans une autre colonne,
pour subir la distillation sous vide. On y fait la séparation sous un vide relatif (c'est-à-dire à très
basse pression), ce qui permet d'abaisser la température d'ébullition plutôt que de chauffer à plus
haute température. [10]
1.1.3 Craquage catalytique
C’est un processus dans lequel les alcynes à longues chaines se brisent lorsqu’ils sont portés à
500°C environ en présence d’un catalyseur platine molybdène.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
3
1.1.4 Reformage catalytique
C’est un processus dans lequel les composés naphténiques dont le cyclohexane, sont
déshydrogénés à 550°C sous haute pression en présence de catalyseur à base de platine
1.1.5 Hydrocraquage
C’est un craquage qui se fait sous pression d’hydrogène, l’hydrogène augmente l’activité
catalytique et permet de travailler à plus basse température. L’hydrocraquage n’est pas profitable
à la production de matière première pétrochimique à cause de l’hydrogène qui diminue la
production d’oléfine. [2]
1.1.6 Viscoréduction
Ce procédé a pour but de transformer en partie les produits lourds en produits légers, réduire la
viscosité du résidu. Les divers procédés de vis_breaking opèrent en phase liquide entre 450°C et
500°C sous une pression comprise entre 5 et 20 Bar. A cette température, il y a craquage des
molécules longues et apparition des oléfiniques.
1.1.7 Vapocraquage
Le pétrole brut est raffiné et donne différentes fractions après distillation. La fraction
d’essences légères, appelée naphte ou naphta, est isolée pour être ensuite « craquée » (distillée) à
la vapeur.
Le vapocraquage est donc le procédé de base pour la pétrochimie car il représente la source
de production d’éthylène, de propylène, de butadiène et d’autres intermédiaires pétrochimiques de
première génération tel que les aromatiques. C’est un procédé thermique qui consiste à casser les
liaisons C_C ou C_H au sein des molécules d’hydrocarbures conduisant à la formation des
molécules insaturés (oléfines) et de dihydrogène. Les réactions de vapocraquage ont lieu dans des
fours appelés four de pyrolyse avec une température supérieure à 800°C, une pression légèrement
supérieure à 1 atm et une durée de cycle de 20 jours.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
4
Figure 1 : Schéma du principe de raffinage
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
5
Tableau 1 : Caractéristiques des hydrocarbures
Hydrocarbures
Types de liaisons
Formule générale
Exemple
Paraffines (alcanes)
Liaisons simples C-C
𝐶𝑛 𝐻2𝑛+2
𝐸𝑡ℎ𝑎𝑛𝑒: 𝐶2𝐻6
Oléfines (alcènes)
Au moins une liaison
double C=C
𝐶𝑛 𝐻2𝑛
𝑃𝑟𝑜𝑝𝑒𝑛𝑒: 𝐶3𝐻6
Naphtènes
(Cycloalkanes)
Base cyclique à 5 ou
6 C avec des liaisons
simples
𝐶𝑛 𝐻2𝑛
𝐶𝑦𝑐𝑙𝑜𝑝𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒: 𝐶5𝐻10
Aromatiques
Base cycle avec
alternance des
liaisons simples et
doubles benzène
_
Benzène: 𝐶6𝐻6
Source : Jean Noel Bertrand. Dossier pédagogique réalisé dans le cadre du programme de
conférence "les jeunes, la chimie et les sciences de la vie. [10]
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6
1.2 Polymères
Le mot polymère vient du grec « polus » plusieurs, et « meros » partie [W1]. Il désigne une
substance organique ou inorganique, liquide ou solide à température ambiante. Les polymères ou
aussi appelé sous le terme de macromolécules sont de grandes molécules constituées d’unités
fondamentales appelées monomères (ou motifs monomères) reliées par des liaisons covalentes.
[4] [16]
Ce sont des matériaux composés de très longues chaînes qui sont principalement constitués
d’atome de carbone sur lesquels sont fixés des éléments comme l’hydrogène ou l’oxygène, et
d’autres éléments, comme le chlore, l’azote ou le fluor.
Dans la macromolécule suivante …A-A-A-A-A-A-A..... = [-A-]n l’unité constitutive est A ; elle
est formée d’un groupe d’atomes qui se répète. A l’échelle moléculaire, quelques centaines de nm,
la plupart des macromolécules se présentent sous forme de « fils long et souples ». Les réactions
chimiques permettant de passer d’un monomère A à la macromolécule [-A-] n s’appellent
polymérisation, [W1] [19]
Figure 2 : Polymère
1.2.1 Nomenclature des matériaux plastiques
1.2.1.1 Homopolymères
Un homopolymère est un polymère qui comporte des motifs monomères tous identiques. [16]
[W1]
[-A-] n, n unités constitutives liées entre elles par des liaisons covalentes. .... A-A-A-A-A.....
A titre d’exemple, le PVC (CH2-CHCl) n peut donner lieu à des enchaînements réguliers (tête à
queue) ou irréguliers (tête à tête ou queue à queue)
« Tête à queue » : ...CH2-CHCl-CH2-CHCl...
« Queue à queue » : ...CH2-CHCl-CHCl-CH2...
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7
1.2.1.2 Copolymères
Les polymères sont constitués de deux (ou plus) unités constitutives nommées A, B, C
etc....Un copolymère est un polymère qui comporte des motifs monomères de deux ou plus
sortes différentes. [16] [W1] Cela donne une très grande variété de structures :
Le copolymère alterné : alternance entre les séquences A et B
-A-B-A-B-A-B-
Le copolymère à blocs : comporte des séquences plus ou moins longues d’A et B
Diablo: -A-A-A-B-B-B-
Tribloc: -A-A-A-B-B-B-A-A-A-
Le copolymère statistique : les séquences A et B sont « au hasard » (aléatoires). Ils se
répartissent en suivant une statique
A-A-B-A-B-A-B-B-B-A-A-A-
Le copolymère greffé : fixation latérale de blocs B sur une chaîne principale formée de
chaînons A ou l’inverse.
-A-A-B-A-B-
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
8
Tableau 2 : Polymères usuels et courants
Structure de l’unité
monomère Désignation courante Sigle
Polyéthylène PE
Polypropylène PP
poly (téréphtalate d’éthylène) PET
Polyformaldéhyde POM
Polyisobutène PIB
Polystyrène PS
Polytétrafluoroéthylène PTFE
Poly(chlorure de vinyle) PVC
Sources : Gnanou Yves, Michel Fontanille. Chimie et physico chimie des polymères. 3ème édition.
DUNOD l’usine nouvelle. Paris, 2013 [7]
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
9
1.2.2 Monomères
Constitué de molécules simples, un monomère constitue l’unité de base des polymères. C’est donc
une substance organique utilisée dans la synthèse des polymères par réaction de polymérisation. [4]
Contrairement au polymère, un monomère a une faible masse moléculaire. [16]
Figure 3 : Un monomère
1.2.3 Polymérisation
La polymérisation est le fait de lier des simples molécules ensemble pour former des plus
grandes. C’est donc une réaction qui, à partir des monomères, forme en les liants des composés de
masse moléculaire plus élevée, les polymères ou macromolécules. Les noyaux des monomères sont
le plus souvent constitués d’un atome de carbone (molécules organiques) ou d’un atome de silicium
(polymères siliconés). [16] [19]
Deux mécanismes entièrement différents sont utilisés pour la synthèse des polymères lors de la
polymérisation : la polymérisation par étape et la polymérisation en chaine.
1.2.3.1. Polymérisation par étape
La polymérisation par étape où la croissance des macromolécules est le résultat de réactions
chimiques classiques entre les groupements fonctionnels réactifs des monomères.
On assiste à une réaction de polycondensation avec libération d’un sous-produit de la réaction : les
fonctions chimiques des monomères interagissent entre elles, toutes en même temps et s’assemblent
en dégageant de petites molécules à chaque étape comme une molécule d’eau. [16] [8]
1.2.3.2. Polymérisation en chaîne
C’est dans ce type de polymérisation où les monomères réagissent sans perte de molécules. Les
monomères se soudent les uns aux autres de façon consécutive (un à un) sans élimination de résidus.
La polymérisation en chaine entraîne la formation des macromolécules pouvant se ramifier. La chaîne
ne peut croître que par réaction d’un monomère avec la fonction chimique réactive située à l’extrémité
Monomère
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
10
de la chaîne en croissance. Cette réaction résulte donc de la formation d’un centre actif A* qui fixe
de façon successive de nombreuses molécules de monomère : A* + M à AM* puis AM* + nM à
AM*n+1. Le polymère obtenu présente un degré de polymérisation n+1.
Les réactions en chaîne se font en 3 étapes :
L’initiation (ou amorçage) : désigne la formation d’un centre actif sur une molécule de
monomère M [W1]. Elle se produit en 2 temps :
Formation d’un radical libre
Addition du radical libre sur une mole de monomère M ; elle porte alors un centre
actif.
Exemple : Représentation schématique de la polymérisation radicalaire d’un copolymère d’acide
acrylique (billes oranges) et méthacrylique (billes jaunes) [16]
La propagation (ou croissance) : Il s’agit de l’étape où se répète un grand nombre d’additions
successives de molécules monomères M, sur le centre actif formé.
La terminaison : A ce stade la croissance de la chaîne de polymère s’arrête. Il y a disparition
du centre actif
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
11
1.2.4 Degré de polymérisation :
C’est le nombre total de monomères contenus dans une macromolécule. [19] Il a pour formule
1.3 Origine des polymères
Les matériaux polymères peuvent être classés en trois catégories : les polymères naturels, les
polymères artificiels, les polymères synthétiques. [16]
1.3.1 Polymères naturels
Les polymères peuvent être d’origine naturelle, c’est-à-dire : issus des règnes animaux ou
végétaux. On peut cependant mentionner, dans cette catégorie : la famille des polysaccharides
(cellulose, amidon…), celle des protéines (laine, soie…), le caoutchouc naturel, le glycogène,
l’ADN, etc…
1.3.2 Polymères artificiels :
Les polymères artificiels sont obtenus par modification chimique de polymères naturels, de
façon à transformer certaines de leurs propriétés. [7]
A titre d’exemple les esters cellulosiques (nitrocellulose, acétate de cellulose…) ont toujours
connu une certaine importance économique.
1.3.3 Polymères synthétiques :
Totalement issus du génie de l’Homme, les polymères synthétiques sont issus de la chimie
macromoléculaire, et donc, obtenus par polymérisation de molécules monomères.
Polymère Monomère
𝑛 =𝑀
𝑀𝑜
Avec :
n : degré de polymérisation
M : masse molaire du polymère
Mo : masse molaire du monomère
Figure 4 : Polymérisation du styrène
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
12
Les macromolécules synthétiques sont représentées par exemple par : le polyéthylène, le
polypropylène, le polystyrène, le PVC, les polyesters, les polycarbonates, etc...
1.4 Structure des polymères
Les polymères peuvent se présenter par des architectures extrêmement variables. Ils peuvent être
linéaires, ramifiés ou réticulés. Le plus souvent, ils sont amorphes, parfois au moins partiellement,
cristallisés. [22]
1.4.1 Polymères linéaires
Les polymères linéaires sont constitués de grandes chaînes de monomères reliés entre eux
par des liaisons covalentes ou par des liaisons secondaires qui assurent la stabilité du polymère.
L’existence de ces liaisons rend le matériau rigide en présentant également un comportement de
solide. En cas d’élévation de température, l’agitation moléculaire qui en résulte va rompre
progressivement ces liaisons secondaires. Le matériau va pouvoir s’écouler sous son propre poids.
Il présente alors le comportement d’un liquide visqueux.
1.4.2 Polymère ramifié
Des chaînes homopolymériques ou copolymériques peuvent se greffer sur d’autres chaînes
au cours de la polymérisation. Au-dessus de la température de transition vitreuse, ces matériaux
présenteront un comportement visqueux plus marqué que les polymères linéaires.
1.4.3 Polymères réticulés
La réticulation correspond à la formation de liaisons chimiques suivant les différentes
directions de l’espace au cours d’une polymérisation, d’une polycondensation ou d’une
polyaddition, et qui conduit à la formation d’un réseau.
1.4.4 Polymères amorphes et polymères cristallisés
Les chaînes macromoléculaires peuvent être organisées de façon aléatoire dans l’espace
et constituées ainsi une phase amorphe. La phase amorphe est, en théorie équivalente à un
liquide « figé », sans ordre moléculaire à grande distance.
Elles peuvent être rangées régulièrement avec la constitution d’un ordre responsable
d’une propriété caractéristique de l’état cristallin : l’aptitude du matériau à diffracter les rayons
X selon des angles définis. Dans un polymère, les deux états ordonnés et désordonnés peuvent
exister dans un même matériau qui est alors de nature semi-cristalline.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
13
Figure 5: Représentation d'une chaine de
polymère linéaire
Figure 6 : Polymère ramifié
Figure 7 : Polymère réticulé avec ponts
disulfure reliant deux chaînes
Figure 8 : Représentation schématique d’un
polymère semi-cristallisé
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
14
Chapitre 2 Familles des plastiques et leurs usages
2.1 Plastiques
Ce sont des polymères produits par modification de substances naturelles ou par synthèse directe
à partir de substances extraites du pétrole, du gaz naturel ou du charbon (ressources fossiles). [4]
[W1]
2.1.1 Résine
« Résine, du latin résina, est une substance pâteuse ou solide qu’on obtient à partir d’une sécrétion
organique de certaines plantes. » (Résine naturelle)
« Elle est également utilisée pour designer la substance synthétique, fabriquée par l’homme, ayant
des propriétés similaires aux résines végétales » (résine synthétique) [W10]
2.1.2 Adjuvants
De nombreux additifs entrent dans la composition finale des matières plastiques pour améliorer
ou adapter plus finement leurs propriétés à leur utilisation. [2]
Ces adjuvants sont de plusieurs types avec des rôles spécifiques, fonctions de la quantité
incorporée :
Les charges, améliorent la rigidité et l’adhésivité des matières plastiques mais agissent
également sur leur résistance chimique, leur isolation électrique et thermique.
Les plastifiants utilisés pour abaisser la rigidité des matières plastiques.
Les stabilisants empêchent la dégradation des polymères lors de leur transformation en les
stabilisants contre les effets de la température, de l’oxygène et du rayonnement UV.
Les lubrifiants facilitent la mise en œuvre des polymères et réduisent leur adhérence aux
parois des machines de transformation.
Les colorants et pigments permettent de donner une couleur particulière aux matières
plastiques qui sont en général incolores à l’état pur,
Matière plastique = résine de base + adjuvants + additifs
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15
Les retardateurs de flammes ou ignifugeants permettent aux matières plastiques de mieux
résister au feu
Les agents antistatiques : permettent de réduire le dépôt de poussière sur les produits finis.
2.1.3 Additifs
« Substance chimique souvent liquide ou en poudre, qui est en général introduite avant ou pendant
la mise en forme du matériau, pour apporter ou améliorer une (ou plusieurs) propriété(s)
spécifique(s) »
Remarque(s) :
Les plastiques sont des matériaux déformables : ils peuvent être moulés ou modelés
facilement, en général à chaud et sous pression. Leur facilité de mise en forme, résistance aux
chocs, aux variations de température, à l’humidité, aux détergents, les rendent utiles dans tous les
domaines : emballage, bâtiment, automobile, électricité, etc…
2.2 Famille des plastiques et leurs usages
Il existe un grand nombre de plastiques aux propriétés différentes, on les classe en trois grandes
catégories : les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères.
2.2.1 Thermoplastiques
Les polymères composés de chaînes macromoléculaires linéaires ou ramifiés avec des
molécules constituées par des longues chaînes (reliées par des liaisons faibles) sont désignés sous
le terme thermoplastique. [2]
Sous l’effet de la chaleur, les thermoplastiques deviennent souples et à l'état ramolli, il pourra être
mis en forme par injection, extrusion ou formage dans un moule.
La transformation est réversible et renouvelable un grand nombre de fois Cette propriété permet
de les recycler sous forme de matières premières. Cependant ils ne sont pas biodégradables et ont
une « durée de vie » de plusieurs centaines d’années
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
16
Tableau 3 : Famille des thermoplastiques et leurs usages
Noms Usages
Polyéthylène (PE)
PEBD
PEHD
Emballages plastiques et dans les domaines les plus divers.
produits souples : sacs, films, sachets, bidons, récipients et bouteilles
souples objets rigides : bouteilles, flacons, bacs poubelles, tuyaux,
jouets, ustensiles ménagers,…
Polypropylène (PP)
Equipements automobiles : pare-chocs, tableaux de bords, mobilier de
jardin
Fibres synthétiques (tapis, moquettes, cordes, ficelles)
Emballages alimentaires : flacons, films, pots,…
Polystyrène (PS) Usages variés: mobilier, emballages, jouets, verres plastiques, pots
de yaourt,... nombreux types de boîtes, boîtiers CD…
Polycarbonate (PC)
Casques motos, bouclier de police, CD et DVD, Phares, feux arrière,
clignotant des voitures
Vitrage des guichets a épreuve de balles
Fabrication de matériel médical et de prothèse
Polyesters et polyéthylène
téréphtalate (PE) et (PET)
fabrication de fils textiles, de films et de bouteilles d’eau et de boisson
gazeuse.
Polychlorure de vinyle (PVC)
Dans l’industrie de l'ameublement, bâtiment, le génie civil et dans
l’alimentaire : pots de margarine, blisters, bouteilles d’eau, emballage
alimentaire …
PVC rigide : utilisé pour les Tuyaux de canalisation.
PVC souple: recouvre certains manches de pince…
Polyamides (PA)
Pièces moulées dans l'appareillage ménager et automobile, tapis et
moquette, pièces de robinetterie, de serrurerie, engrenages, … Textiles
(lingerie et voilages)…
Source : Dossier Enseignant. "VOYAGE EN INDUSTRIE" CAP SCIENCES 2006 [W9]
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17
Remarque :
Les sacs plastiques en PEHD se froissent facilement sous la main, avec un bruit
craquant et reviennent spontanément à sa forme d'origine, les sacs en PEBD se froissent sans
bruit et se percent facilement et ont un toucher plus « soyeux ».
2.2.2 Thermodurcissable
Les thermodurcissables sont des matières plastiques infusibles qui ne peuvent être
recyclées sous forme de matières premières. Les molécules de ces polymères consistent en de
longues chaînes reliées par un grand nombre de liaisons fortes, ne pouvant pas être rompues
sous l’effet de la chaleur. [4]
Ces plastiques prennent une forme définitive au premier refroidissement : ils deviennent
durs et ne se ramollissent plus une fois moulés. La technique de fabrication est difficile à mettre
en œuvre mais elle produit des matériaux très solides et très résistants aux agressions chimiques
et à la chaleur.
Tableau 4 : Usages des polymères thermodurcissables
Noms Usages
Polyuréthanes PUR
Mousses souples ou rigides, matelas, sièges de voiture, tableaux de
bord, roues de patins à roulettes, chaussures de ski…
polyesters insaturés
Pièces plastiques renforcées par coulée : pales d’éoliennes, coques et
cabines de bateaux, piscines, carrosseries d'automobiles,…Textiles
(Dacron, Tergal, Térylène…)
Phénoplastes PF
Téléphones, postes de radio, pour fabriquer les poignées de
casserole,
de fer à repasser et des plaques de revêtement.
Aminoplastes MF
mobilier de cuisine, plans de travail, liants (adhésifs), moulage en
stratifiés décoratifs de revêtements, pièces moulées d’ustensiles de
cuisine (plateaux...), matériel électrique, vernis de parquets
(vitrification), apprêts pour rendre les tissus indéfroissables ou
plastifiés, peintures, etc.
Source : Dossier Enseignant. "VOYAGE EN INDUSTRIE" CAP SCIENCES 2006 [W9]
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
18
2.2.3 Elastomère
Les élastomères sont caractérisés par leur grande déformabilité (6 à 8 fois leur longueur
initiale). Les élastomères sont élastiques : ils se déforment et tendent à reprendre leur forme
initiale et supportent de très grandes déformations avant rupture.
Ils sont obtenus à partir des polymères linéaires caractérisés par des liaisons extrêmement
faibles. Ces polymères sont donc des liquides très visqueux. Pour être utilisés comme
caoutchouc, des liaisons pontales (nœuds de réticulation) doivent être introduites entre les
chaînes, conférant ainsi aux matériaux une structure tridimensionnelle qui assure la réversibilité
de la déformation mécanique. Les nœuds de réticulation sont introduits par une réaction
chimique appelée vulcanisation après la mise en forme du matériau. Les élastomères présentent
des caractéristiques bien spécifiques : grande élasticité, bonne étanchéité, fort pouvoir
amortissant [2].
Dans cette catégorie se trouvent les polymères suivants :
− le polyisoprène : NR (caoutchouc naturel) ; le polychloroprène (Néoprène) ; le
polyisoprène de synthèse ; les polysiloxanes (silicones)
Tableau 5 : Quelques élastomères et leurs utilisations
Elastomère Nature Usage
Polyisoprène Naturel Pneu d’engin et d’avion
Copolymère butadiène
Artificiel
Pneumatique des voitures
tourismes
Polychloropène
Artificiel
Caoutchouc résistant au pétrole
utilisé pour des joints d’étanchéités
tuyau des carburants
Polyisobutène
Artificiel
Chambre à air et pneu tubeless
Source : RASOLONJATOVO Henitsoa Safidy Josephson, Contribution à l’étude de
valorisation des déchets plastiques pour la production de carburant, de solvant et de fuel par
voie thermique, Mémoire de fin d’études 2009 [17]
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
19
Chapitre 3 Valorisation des déchets plastiques
3.1 Généralités
La valorisation des déchets en matière plastique est l’ensemble des opérations dont le but
consiste à donner à ces déchets une nouvelle valeur d’usage.
3.1.1 Traitement des déchets
Un déchet est « tout résidu d’un processus de production, de transformation ou
d’utilisation, toute substance, matériau, produit ou plus généralement tout bien, meuble
abandonné ou que son détenteur destine à l’abandon » [W2] [W5]
Les déchets de matières plastiques sont généralement issus des :
Ordures ménagères (bouteilles, flacons, films),
Secteurs industriels (emballages, rebuts des industries du plastique, broyage automobile,
démolition),
Secteurs agricoles (films).
3.1.2 Recyclage
Le recyclage est un procédé par lequel les matériaux qui composent un produit en fin de
vie (généralement des déchets industriels ou ménagers) sont réutilisés en tout ou en partie. Ils
seront donc réintroduits dans le cycle de production dont le produit est issu [4]. Il a pour but de
réduire, mais surtout de résoudre les problèmes de pollutions qui subsistent actuellement. La
plupart des matières plastiques sont recyclables mais cela nécessite des différents traitements
selon le type de plastique récupéré.
3.1.2.1 Procédé de recyclage
Il existe 5 grandes familles de plastiques recyclables : le PVC, le PE, le PS, le PET, le PP
Le processus de recyclage des plastiques peut se dérouler en plusieurs phases.
En général, le processus de recyclage est le même, peu importe le type de résine de plastique
tel que [18] :
3.1.2.1.1. Collecte et tri des déchets
C’est la première étape du traitement de déchets. Elle consiste à trier chaque objet et à
l’acheminer vers un centre de traitement approprié. Il est très important de trier, de classer les
déchets plastiques suivant leur nature chimique et leur origine et de stocker dans un endroit
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
20
propre et sec à l’abri de l’humidité. Plus le tri est efficace, plus le produit en sortie est de bonne
qualité [17].
3.1.2.1.2. Lavage et séchage
Le lavage consiste à purifier les déchets plastiques des impuretés qui ont pu les
contaminés. Il est nécessaire de nettoyer les déchets pour assurer la qualité des produits finis. Il
se fait avec l’eau.
Les plastiques déchiquetés sont jetés dans une cuve où l’eau est remuée vigoureusement
pour les secouer. Le mélange : eau et plastique se frottent les uns contre les autres, puis en
détache les impuretés. On laisse reposer : les saletés coulent tandis que le plastique flotte dans
l’eau et n’a plus qu’à être récupéré. Les plastiques lavés sont ensuite séchés rapidement pour
éviter les agglomérats.
3.1.2.1.3. Broyage
Le broyage est un processus sans transfert de matière qui modifie la granulométrie des
matières solides. Les déchets sont alors broyés en paillettes, puis lavés, rincés, essorés, séchés
et tamisés et régénérés pour obtention des granulés ou flocons. Enfin le matériau régénéré sous
forme de granulés ou flocons devient la matière première de la fabrication de nouveau produit.
Figure 9 : Cycle de recyclage des matériaux plastiques
Produits plastiques
Consommation
Collecte, Tri et Stockage
Lavage et Séchage
Broyage et granulation
Matière première régénérée
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21
Remarque :
Il est très souvent nécessaire d’avoir des déchets plastiques triés par type de résine
plastique. Pour des plastiques métallisés, ils sont nettoyés par des solvants comme la
soude (NaOH).
Le séchage peut se faire à l’air libre ou grâce à la chaleur générée par leur exposition au
soleil ou par leur mise en four.
3.1.2.2 Identification des produits recyclables
Le recyclage apporte une contribution importante à la baisse des quantités de déchets à
stocker ou incinérer, mais ce n’est pas tous les types de plastiques qui sont fait pour être
recyclés. En voilà quelques identifications qu’un produit recyclable devrait avoir :
Indique le pourcentage de fibres de récupérations issues du recyclage qui entrent
dans la composition du produit ou de l'emballage.
Indique que l'emballage ou le produit est composé en tout ou partie de matériaux
recyclés. Un pourcentage est indiqué au-dessus de la flèche.
Indique que le produit ou emballage est recyclable. Rien ne garantit cependant que
le produit soit recyclé.
Indique que le produit ou emballage contient des produits recyclés. Au centre du
cercle de Moebius figure un pourcentage qui mentionne la part de produits
recyclés dans le produit. Bien plus concret que le logo précédent.
Composé de plastiques recyclables. Le logo est généralement accompagné d'un
chiffre qui correspond à un type de plastique.
Logo présent notamment sur les canettes de boisson et certains sacs et matériaux
plastique, désignant que le produit est recyclable.
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22
Tableau 6 : marquage industriel et signification des matières plastiques
Marquage 2 chiffres au
centre du triangle Lettres sous le triangle Signification Exemple
01 PET Polyéthylène
Téréphtalate
02 PE-HD Polyéthylène
Haute Densité
03 PVC Polychlorure de vinyle
04 PE-LD ou PEBD ou
PEBDL
Polyéthylène
Basse Densité
05 PP Polypropylène
06 PS Polystyrène
07 O Autre Matière
(y compris mélanges)
Source : http://www.recyclage-plastiques.fr/matieres-plastiques/les-differentes-matieres-plastiques/ 19
fevrier2017 [W5]
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23
3.1.3 Méthode de valorisation des déchets plastiques
Il est possible de valoriser les déchets plastiques et Il existe trois grandes méthodes pour cela
3.1.3.1 Valorisation énergétique
La valorisation énergétique est une opération qui consiste à utiliser les calories contenues
dans les déchets en les brûlant et en récupérant l’énergie ainsi produite (par exemple pour
produire de l’électricité ou chauffer un bâtiment). Elle s'applique à tous les types de plastiques
à l’exception du PVC qui nécessite des traitements particuliers [4] [W7].
L’incinération :
Cette opération se déroule dans une unité d’incinération de déchets de matières plastiques.
Compte tenu du pouvoir calorifique élevé des polymères, le recyclage énergétique est très
efficace pour des déchets plastiques souillés ou non triés qui ne sont donc pas réutilisables.
A titre d’exemple, le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du PET est de 33 MJ.kg-1 alors que
celui du charbon est de 29 MJ.kg-1. [1]
Remarque :
En cas de mauvaise maîtrise elle peut présenter des risques majeurs pour
l’environnement et la santé des êtres vivants par l’émission de dioxines et de HAP,
molécules cancérigènes présentes dans les fumées. [20]
Ce type de valorisation conduit cependant à des émissions de gaz et de fumées
contribuant à l’effet de serre.
3.1.3.2 Valorisation matière
La valorisation de la matière est une opération qui consiste à réutiliser les déchets plastiques
avec un minimum de transformation de la matière. Cette technique est utilisée pour le traitement
des déchets thermoplastiques. Elle repose avant tout sur une collecte sélective ou un tri des
déchets plastiques à partir des ordures ménagères [20]. Il est donc alors très important de bien
trier la matière et de la séparer de tous les contaminants et de toutes les pollutions (y compris
les autres matières plastiques) pouvant impacter sa qualité [W5].
3.1.3.3 Valorisation chimique
C’est une opération qui consiste à transformer des déchets de matière plastique en
molécule, produits chimiques de base (polymère, ester...), ou en monomères de matières
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24
plastiques par voie chimique [4] pouvant servir à la synthèse d’une nouvelle matière plastique,
ou pour la pétrochimie. Cette valorisation s’applique aux matériaux thermoplastiques et
thermodurcissables et principalement utilisée pour les PET. [W6]
On casse les polymères par les méthodes chimiques et on obtient :
Soit le monomère initial pouvant à nouveau être polymérisé
Soit un pétrole de synthèse traité en raffinerie
Soit un mélange gazeux qui servira dans la fabrication d’engrais, de colle, …
Ces technologies sont encore peu développées ou limitées à certaines natures de résines
plastiques. Et pourtant, elle est la seule rentable actuellement et concerne les bouteilles et
flacons qui sont compactés après collecte et mis en balle, avant d'être dirigés vers
les unités de recyclage. Elle a lieu par chauffage ou par ajout de réactifs :
3.1.3.3.1. Thermolyse
La thermolyse s’applique aux polymères synthétisés par polymérisation en chaîne.
Comme exemples de thermolyse on peut citer :
La pyrolyse : réaction de décomposition thermique à 500 °C et sous pression réduite ;
L'hydrogénation : réaction avec du dihydrogène à 450 °C et sous une pression
de200 bar ;
La gazéification : réaction d’oxydation partielle en continu sous pression
3.1.3.3.2. Dépolymérisation par solvolyse
Elle est possible grâce à la réversibilité de la transestérification dont l’équilibre est
déplacé dans le sens de la dépolymérisation en excès de produit de la réaction. Ici, on a recours
à l’ajout de réactifs chimiques (le solvant le rôle de réactif) [5]. Différentes classes de solvolyse
peuvent être distingués en fonction de la nature du solvant, comme :
L’eau pour l’hydrolyse,
L’amine pour l’adipolyse,
L’ammoniaque pour l’ammonolyse,
L’éthylène glycol pour la glycolyse,
Le méthanol pour la méthanolyse.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
25
Figure 11 : Réaction de méthanolye du PET
Exemple [21] :
Cas de la solvolyse du polytéréphtalate d'éthylène (PET)
L’acide téréphtalique par hydrolyse en milieu basique (hydroxyde de sodium). Utilisation
de la soude et des surfactants. Cette méthode permet de récupérer le MEG par distillation et le
TPA par acidification.
Elle consiste en une hydrolyse réalisée en température et sous pression amenant la production
de glycol et d'acide téréphtalique de grande pureté. Ces derniers produits peuvent être alors
utilisés pour former une nouvelle génération de PET. Ce procédé est actuellement peu utilisé.
Le téréphtalate de bis(2-hydroxyéthyle) (en) par glycolyse ;
La glycolyse consiste à alcoolyser le PET par un polyol de faible masse molaire (comme
l’éthylène glycol). En présence de catalyseur cette réaction permet d’obtenir des oligomères de
TPA. Cette réaction s'effectue à des températures comprises entre 180 et 280 °C, en présence
d'un excès de polyol et d'un catalyseur de transestérification.
Figure 10 : Réaction de glycolyse du PET
Le téréphtalate de diméthyle (en) par méthanolyse.
Équivalente à l’hydrolyse, ce procédé provoque la dépolymérisation du PET par réaction
de méthanol gazeux sur les chaînes macromoléculaires en présence d'un catalyseur à 185 °C.
Une fois les purifications effectuées, il est possible de récupérer le DMT et le MEG. Cette
méthode possède l’avantage de ne pas être sensible à la présence d’impuretés.
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26
Remarque :
Issus des différents types de valorisation cités ci-dessus, il existe aussi une valorisation
biologique qui a lieu à partir de plastiques biodégradables. Pour que la dégradation soit
complète, le polymère doit être introduit dans un compost qui lui apporte la bonne quantité de
dioxygène et d’humidité. Cette dégradation peut avoir lieu aussi par photolyse. On parle alors
de photodégradation.
Monomères Polymères Plastique Utilisations
Réutilisations
Valorisation matière
Valorisation énergétique
Décharge
Energie Valorisation chimique
Figure 12 : Résumé des différentes modes de valorisation des déchets plastiques
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
27
Chapitre 4 Les matériaux composites
4.1 Généralités
4.1.1 Les matériaux
Les matériaux sont de la matière travaillée par l'homme pour fabriquer des objets [9]. Dans le
secteur de la construction, la gamme des matériaux utilisés est relativement vaste.
Les matériaux sont classifiés en quatre grandes catégories :
Les métaux métalliques : matériaux durs, rigides et déformable plastiquement.
Les matériaux organiques ou polymères organiques : matériaux constitués de
molécules formant de chaine longue de carbone, facile à mettre en forme, supportent
rarement les températures élevées, presque des isolants thermiques et électriques,
d’origine animale, végétale ou synthétique.
Les matériaux minéraux ou céramiques : matériaux inorganiques caractérisés par leur
résistance mécanique et thermique. Ce sont des roches, des céramiques ou des verres.
Les matériaux composites : ce sont des assemblages d’au moins deux des trois types
de matériaux déjà cités, non miscible. [W10]
Figure 13 : Classification des matériaux
4.1.2 Propriétés des matériaux
Les matériaux utilisés dans la construction d'ouvrages (ponts, viaduc, barrage,) ou dans la
construction d'habitats (maison, immeuble, collège, …) ont tous des propriétés qui les
caractérisent et qui permettront de les différencier. Le processus d'élaboration procure au
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
28
Rc =F
S
matériau une certaine microstructure qui à son tour détermine ses propriétés chimiques,
physiques, mécaniques, électriques, thermiques [9].
La plupart des matériaux sont conçus pour supporter un chargement à température ambiante en
n'accusant que de faibles déformations. C’est la raison pour laquelle on va surtout insister sur
la résistance à la compression des matériaux, ainsi que sa porosité et tendance à l’absorption de
l’eau
4.1.2.1 Résistance à la compression d’un matériau de construction
Les matériaux de construction subissent les effets du poids qu’ils supportent et en
particulier de leur propre poids. Le poids tend à écraser et à compresser les matériaux. La qualité
première des matériaux de construction est donc de résister à cette pression sans se déformer.
On peut déterminer deux différentes types de résistance à la compression, dont :
La résistance à sec : nous écrasons l’échantillon de forme géométrique bien défini
(cubique, parallélépipédique,).
La résistance humide : nous ébarbons l’échantillon dans l’eau dans les conditions
normales de la température et pression (CNTP) et puis procédons à l’écrasement.
Cette résistance à la compression est déterminée comme suit :
4.1.2.2 Porosité et absorption de l’eau
La porosité est la propriété d’un matériau qui contient des pores ou cavités de petite taille
et pouvant contenir des fluides (liquide ou gaz). Lorsque la structure poreuse est ouverte, elle
permet le passage de l’air, la progression de la vapeur d’eau ou bien l’absorption d’eau.
Elle est déterminée par la formule suivante
Nous avons cité ci-dessus les différentes classifications des matériaux, mais pour notre étude,
nous allons plutôt nous intéressés sur les matériaux composites.
Rc= résistance à la compression à sec MPa (1MPa= 106Pa)
F= force de compression en N
S= section de l’éprouvette en m2 (S= L x l)
⌽=Ph−Ps
Psx 100 Avec : ⌽= porosité Ph= masse du matériau trompé dans l’eau
Ps= masse du matériau à sec
Avec :
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29
4.2 Matériaux composites
Les matériaux composites sont des matériaux hétérogènes composés au minimum d’un
renfort et d’une matrice (résine le plus souvent) qui sert de liant et donne sa forme au matériau
[3]. Le matériau obtenu possède des propriétés nouvelles que ses constituants n’ont pas quand
ils ne sont pas associés. Lorsque le matériau composite est non endommagé, les renforts et la
matrice sont parfaitement liés et il ne peut pas y avoir ni glissement ni séparation entre les
différentes phases [3].
Il dispose d’atouts importants et apporte de nombreux avantages fonctionnels par rapport
aux matériaux traditionnels grâce à :
Sa légèreté et liberté de formes, sa grande résistance à la fatigue, sa maintenance
réduite, son faible vieillissement sous l’action de l’humidité, de la chaleur, de la
corrosion (sauf alu carbone)
Son insensibilité aux produits chimique sauf les décapants de peinture qui
attaquent les résines
Et finalement sa bonne isolation électrique. [W10]
Tableau 7 : Composition des matériaux composites usuels
Matériaux Matrices Charges Liants Renforts Adjuvants
Béton Ciments Sable Eau Fer ronds
Fibre Stabilisant
Composites
polymères Polymères
Sable
Gravillon -
Fibres de verre,
végétales, textiles
Ignifugeant
Stabilisant
Argileux Argiles Sable
Balle de riz Eau - Stabilisant
Goudron pour
route Gravillons Sable Bitume - -
Source : RASOLONJATOVO Tellie Mbola Sitraka, Contribution à la valorisation des déchets
plastiques par la fabrication des tuiles, Mémoire de fin d’études 2011 [18]
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
30
4.3 Constituant des matériaux composites
4.3.1 Matrice
C’est un liant qui assure la cohésion de la structure et transmet les efforts mécaniques au
renfort. Elle permet de donner la forme souhaitée au produit final et protège les renforts de
l’environnement extérieur. Pour les matériaux composites, la matrice est souvent une résine
polymère. [11] Les matériaux composites thermodurcissables ou thermoplastiques sont à base
d’une matrice organique. Tandis que les matériaux composites céramiques sont à base de
matrice minérale.
4.3.1.1 Résines thermodurcissables
Les résines thermodurcissables ont des propriétés mécaniques élevées. Ces résines ne
peuvent être mises en forme qu’une seule fois. Elles sont en solution sous forme de polymère
non réticulé en suspension dans des solvants. Les résines polyesters insaturées, les résines de
condensation (phénoliques, aminoplastes, furaniques) et les résines époxy sont des résines
thermodurcissables [11].
4.3.1.2 Résines thermoplastiques
Les résines thermoplastiques ont des propriétés mécaniques faibles. Ces résines sont
solides et nécessitent une transformation à très haute température. Les polychlorures de vinyle
(PVC), les polyéthylènes, polypropylène, polystyrène, polycarbonate polyamide sont quelques
exemples de ces résines thermoplastiques [11].
Tableau 8 : Principales différences entre matrice thermoplastique et thermodurcissable
Source : Glossaire des matériaux composites CARMA Actualisation Octobre 2006
Figure 14 : Types de matrices
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
31
4.3.2 Additifs
Des produits peuvent être incorporés à la résine pour renforcer les propriétés mécaniques
(charges renforçantes, ex : charges sphériques creuses 5 à 150 µm). Des charges non
renforçantes peuvent être également utilisées pour diminuer le coût des matrices en résine.
Des additifs ou autres agents de liaison sont ajoutés en fonction des propriétés recherchées
pour le matériau (résistance aux UV, ininflammabilité, conductivité, couleur, etc.). Les
propriétés mécaniques du matériau obtenu par cette association sont bien différentes des
propriétés de chaque constituant pris séparément.
4.3.3 Renforts
Les renforts assurent les propriétés mécaniques du matériau composite et un grand
nombre de fibres sont disponibles sur le marché en fonction des coûts de revient recherchés
pour la structure réalisée. Le renfort est constitué de fibres (verre, carbone, aramide,) plus ou
moins longues, continues ou non, orientées ou non, sous forme de nappe ou tissées entre elles
(tissage bidimensionnel ou tridimensionnel). [11]
Figure 15 : Les différents types de renfort
4.4 Technologies de mise en œuvre des matériaux composites
4.4.1 Moulage au contact
Le principe consiste à disposer dans un moule les renforts (sous forme de mat ou de tissu)
imprégnés manuellement d'une matrice thermodurcissable.
Les pièces de formes quelconques peuvent être réalisées avec une cadence très faible.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
32
Figure 16 : Moulage au contact
4.4.2 Moulage par projection simultanée
Le moulage est effectué par projection simultanée de fibres coupées et résine catalysée
sur un moule. C’est également un procédé manuel ou robotisé permettant la réalisation de pièces
à partir de résines, encore à l’état liquide, thermodurcissables et à température ambiante sans
pression. Les matières premières sont mises en œuvre à l’aide d’une machine dite « de
projection ».
Figure 17 : Moulage par projection
4.4.3 Moulage par injection basse pression de résine
Le procédé de moulage par injection de résine liquide RTM (Resin Transfer Moulding)
s’effectue entre moule et contre-moule, les deux rigides. Le renfort est disposé dans l'entrefer
du moule. Une fois celui-ci soit solidement fermé, la résine, accélérée et catalysée, sous injectée
sous faible pression (1.5 à 4.5 bars) et ce, à travers le renfort jusqu’à un remplissage complet
de l’empreinte adéquat. Par la suite, le durcissement de la résine, le moule est ouvert et la
pièce devrait démoulée.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
33
Figure 18 : Moulage par injection basse pression de résine
4.4.4 Moulage à la presse à froid "voie humide" basse pression
C’est un procédé de moulage à l’aide d’une presse à compression entre moule et contre moule
rigides en composite, initialement sans apport thermique extérieur. Moule ouvert, le renfort est
posé sur la partie inférieure du moule et la résine, dotée d’un système catalytique très réactif,
est versé en vrac sur le renfort. La fermeture du moule sous pression (2 à 4 bars) entraîne la
répartition de la résine dans l’empreinte et l’imprégnation du renfort. Le durcissement de la
résine est accéléré progressivement par l'élévation de température du moule due à l’exotherme
de la réaction, ce qui permet un démoulage rapide.
Figure 19 : Moulage à la presse à froid à basse pression
DEUXIEME PARTIE
ETUDES EXPERIMENTALES
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34
Chapitre 5 Objectif de l’étude et justification des matériaux utilisés
5.1 OBJECTIFS :
L’objectif de cette étude est de contribuer à la réduction de la pollution occasionnée par le
rejet des emballages plastiques dans la nature. De nombreuses pistes existent pour « donner une
valeur » à ce type de déchets et faire en sorte qu’ils soient considérés plus comme une ressource
qu’une nuisance. Nous avons choisi l’une des pistes proposées en leur utilisant comme liant,
comme le ferait du ciment, pour la fabrication de matériaux de construction comme la brique.
Différents documents scientifiques et technologiques, nationaux et internationaux ont été
utilisés pour la réalisation de ce travail. Des travaux de recherche sur terrain et aux laboratoires
ont été effectués pour la maîtrise du procédé de fabrication des matériaux.
5.2 MATIERES PREMIERES
Les matières premières utilisées pour la réalisation des essais ont été bien choisis comme :
5.2.1 Le sable
Il sera utilisé comme charge. Pour notre expérience, nous allons utiliser le sable moyen et grossier
de dimension 0,2 à 5 mm [12] [13]. Son incorporation dans le thermoplastique fondu améliore les
propriétés diélectriques, la résistance à la chaleur, la dureté, la résistance à la compression et à
l’humidité des objets moulés. Le sable joue aussi le rôle de plastifiant afin d’améliorer la fluidité
à chaud du mélange.
5.2.2 Les gravillons :
De dimension 4/14, ils vont constituer les squelettes du matériau et vont améliorer également la
résistance à la compression du mélange [12].
5.2.3 Les déchets plastiques :
Ils vont servir comme liant pour la fabrication des matériaux.
Les matières plastiques nous permettent d’avoir facilement une différente variété de
forme pour ces matériaux grâces à leurs alliages. En plus d’être des matériaux légers, très faciles
à mettre en œuvre, ils sont souvent peu couteux par rapport à ces métaux alors que leurs propriétés
sont presque semblables [13]. Dans nos travaux pratiques, on a choisi trois types de plastiques
qu’on retrouve fréquemment dans les emballages : Le PEHD, le PET et le PA.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
35
Nous avons choisi exceptionnellement le PET et le PEHD à cause de leurs
caractéristiques respectives qui seront représentés dans le tableau ci-dessous :
Tableau 9 : Caractéristiques du PET et PEHD
PET PEHD
Température de fusion
120 à 260°C
128 à 135°C
Coefficient de poisson1
0,37- 0,44
0,46
Module de tension (GPa)
2- 4
0,5-1,2
Résistance à la traction (MPa)
80
15- 40
Résistance au choc (J.𝑚−1)
13- 35
20- 210
Densité (g/𝑐𝑚3) 1,3 à 1,4 0,95
Source : Tous les matériaux pour la recherche, l’industrie et la production, goodfellow.com [W8]
1 Constante d’élasticité de 0 à 0,5
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36
Chapitre 6 Matériels et méthodes de fabrication
6.1 Matériels utilisés
Divers matériels et équipement ont été utilisés pour la réalisation de la fabrication des matériaux.
Il s’agit :
Une cuve de cuisson obtenue par l’adaptation d’une marmite métallique.
Elle est utilisée pour la préparation de la pâte composée de résine plastique et des granulats.
Une unité de souffle ou forge pour le chauffage, alimentée par du charbon de bois.
Photos 1 : Unité de soufflage ou forge
Des moules métalliques pour brique.
Une balance de précision
Une presse pour le compactage des matériaux.
Elle fonctionne avec une vis sans fin sur laquelle nous avons vissé un plateau sur son bout
inférieur. Une manivelle est placée sur son bout supérieur. Quand on la tourne, l’espace entre le
plateau sur le bout de la vis et le plateau inférieur est progressivement réduite et la densité du
matériau est de plus en plus grande, ainsi la pression effectuée sur le produit moulé augmente
progressivement. Ceci nous fournisse la pression nécessaire à la compression de la pâte dans la
moule. On tourne la manivelle jusqu’à ce que le couvercle de la moule soit placé parfaitement à
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
37
l’horizontale sur le boitier pour qu’on obtienne une pression uniforme sur la moule. Une balance
a été utilisée pour le dosage des matières premières.
Presse hydraulique multifonctionnelle utilisée pour la détermination de la résistance
mécanique des matériaux (pression d’écrasement réglée à 4000 daN). Elle permet
également le moulage des éprouvettes (pression de moulage à 6000 daN).
6.2 Prétraitement des déchets et mises en œuvre
Phase 1 – Préparation du mélange
Tri :
Les déchets plastiques sont collectés, triés et classés selon leur nature chimique et leur origine. En
fait, les thermoplastiques sont difficilement compatibles entre eux d’un point de vue structure c'est-
à-dire deux ou plusieurs plastiques de nature différent ne forme pas toujours une solution solide
homogène. Il ne sera donc pas possible de mélanger deux plastiques de nature différents.
Puis, ils vont être débarrassés de leurs impuretés :
Vider les différents emballages plastiques de leur contenu et d’enlever les étiquettes ;
Laver et sécher les déchets plastiques, déchiqueter et compacter les déchets plastiques ;
Stocker dans un endroit propre et sec à l’abri de l’humidité.
Photos 2 : Presse de compactage
Photos 3 : Machine d’essai universelle
Wolpest Testwell
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
38
Photos 5 : Moulage et compactage
Préparation des granulats :
Les déchets plastiques vont être broyés pour faciliter leur cuisson. Ici, pour le cas de la
brique, on va utiliser du sable ayant une granulométrie compris entre 0.2 mm à 5mm et des
gravillons ayant une granulométrie de 4/14.
Pour le bon dosage des mélanges, les granulats vont être pesés pour avoir une variation de la
composition des matériaux.
Phase 2 – Chauffage du mélange
D’abord on chauffe la cuve à cuisson, puis on verse petit à petit les granulats de plastiques. Lorsque
la solution est homogène, on verse progressivement le sable et les gravillons jusqu’ à l’obtention
d’un mélange homogène à nouveau.
Photos 4 : Tri, broyage, chauffage
Phase 3 – Moulage
Lorsque la pâte devient homogène, on passe tout de suite au coulage en versant
soigneusement le mélange dans une moule. Au contact des parois froides, la pâte prend la forme
du moule et se solidifie. Cette opération doit se faire le plus rapide possible pour que la pâte ne se
solidifie pas trop avant le compactage [12].
Après moulage, on presse la pâte sur la presse à vis sans fin afin d’éliminer les vides et les
pores qui pourraient emmagasiner de l’eau. Après l’opération de compactage, on retire d’abord la
base et le couvercle du moule. Ensuite, on ébarbe le matériau à l’aide d’une scie à métaux.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
39
Phase 4 – Démoulage
Pour faciliter le démoulage, la brique et le boitier du moule doivent être trempés dans du bac
d’eau froide pendant deux minutes. Le démoulage est immédiat et s’effectue, sans problème, en
retirant avec précaution le moule.
Phase 5 – Refroidissement
La brique et la plaque métallique sur laquelle ils reposent, sont placées dans un bac d’eau
froide.
Phase 6 – Finition
Les briques refroidis sont vérifiés, éventuellement ébarbés, vont subir des tests et ceux qui
ne sont pas conformes sont rejetés.
Photos 6 : Matériaux obtenus à partir des déchets plastiques
Remarque :
Il est indispensable de porter les EPI durant la réalisation de ces matériaux comme la
combinaison de travail, les gants, lunette de protection, le masque à gaz, etc…
Les gaz émis tout au long de la fabrication des matériaux peuvent être néfaste en cas
d’inhalation.
Durant la cuisson jusqu’au moulage, il y a des risques de brûlure puisque les matériaux
manipulés sont à une température très élevée.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
40
Chapitre 7 Résultats et discussions
7.1 Le comportement des essais effectués
Il est très souvent difficile d’obtenir un mélange homogène lorsque l’on mélange des
thermoplastiques de nature différente. Notre expérience consiste à étudier les comportements des
mélanges de PET, de PET+PEHD et de PA avec le sable et le gravillon selon leur composition au
cours des essais de fabrication des matériaux.
Tableau 10 : Divers essais et leurs états
Types de
plastiques
Plastiques (%) Sables
(%)
Gravillons (%) Etats
Essai n°1 PET 20,5 69,2 10,3 Très mauvais
Essai N°2 PET 25,4 59,2 16,4 Bon
Essai N°3 PET 30 59 11 Mauvais
Essai N°4 PET 35 50 15 Mauvais
Essai N°5 PET+PEHD 25,4 59,2 16,4 Bon
Essai N°6 PET+PEHD 30 59 11 Bon
Essai N°7 PET+PEHD 35 50 15 Excellent
Essai N°8 PA 25,4 59,2 16,4 Aucun résultat
Source : Auteur
NB : Nous n’avons obtenu aucun résultat avec le Polyamide (PA) puisque sa température de
fusion est très élevée. Une température que nous n’avons pas pu atteindre durant nos expériences
7.2 Diagramme de la conduite de la cuisson
La cuisson commence par la fusion des déchets plastiques dont la température varie entre la
température ambiante et 250 °C [13]. Lorsque cette température est atteinte et que le mélange est
homogène, on y ajoute le sable suivit ensuite par les gravillons.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
41
7.3 Durée de refroidissement
Le mélange met du temps à refroidir du moment de coulage jusqu’au démoulage, cette durée est
représentée par le diagramme suivant :
Figure 21 : Variation de la température pour le refroidissement de la brique [12]
7.4 Résistance à la compression
Pour le test de la résistance à la compression, nous avons préparé des éprouvettes
parallélépipédiques de dimension 59mm x 59mm x 49 mm. Les éprouvettes vont subir les essais
à l’écrasement moyennant la presse hydraulique du Bloc Technique sise à Ankatso. Le principe
Temps de refroidissement en minute
Figure 20 : Diagramme de la conduite de la cuisson [12]
Temps de cuisson en minute
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
42
consiste à positionner les éprouvettes entre les plateaux d’une presse, puis soumettre
progressivement à une charge jusqu’à la rupture par compression (écrasement sous charge axiale).
Résistance à la compression à sec Rcsec:
Nous avons effectué nos essais sur les matériaux composés des deux (02) types de plastiques
ayant respectivement leur comportement sous l’effet de la compression. Pour chaque essai, nous
avons confectionné sept (07) éprouvettes. Les résultats sont consignés dans le tableau ci- dessous.
Tableau 11 : Résistance à la compression à sec des essais
Essai
N°1
Essai
N°2
Essai
N°3
Essai
N°4
Essai
N°5
Essai
N°6
Essai
N°7
Teneur en plastique (%) 20 25,4 30 35 25,4 30 35
Force de compression (N) 39330 42500 38800 38000 45600 65600 72600
Résistance à la
compression (MPa) 11,29 12,209 11,14 10,91 13,09 18,84 20,85
2Résistance à la
compression (Bar) 112,9 122,09 111,4 109,1 130,9 188,4 208,5
Source : auteur
Figure 22 : Histogramme sur la résistance à la compression à sec des mélanges
2 1MPa= 10 Bar
20 25,4 30 35
0
5
10
15
20
25
Teneur en plastique (%)
Rés
ista
nce
à l
a co
mpre
ssio
n
(MP
A)
PET
PET+PEHD
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
43
Résistance à la compression humide 𝑅𝑐humide :
Même procédé comme celui effectué pour la détermination de la résistance à la compression
à sec. Par contre, avant d’effectuer l’écrasement, l’éprouvette a été immergée dans l’eau pour une
durée de 48 h. nos expériences nous ont donc menés aux résultats représentés sur le tableau et
traduit par la courbe ci-dessous :
Tableau 12 : Résistance à la compression humide des essais
Essai
N°1
Essai
N°2
Essai
N°3
Essai
N°4
Essai
N°5
Essai
N°6
Essai
N°7
Teneur en plastique (%) 20 25,4 30 35 25,4 30 35
Force de compression (N) 39300 42380 38220 37050 45070 65420 72450
Résistance à la
compression (MPa) 11,28 12,17 10,98 10,64 12,94 18,79 20,81
Résistance à la
compression (Bar) 112,8 121,7 109,8 106 ,4 129,4 187,9 208,1
Source : auteur
Figure 23 : Histogramme sur la résistance à la compression humide des mélanges
20 25,4 30 35
0
5
10
15
20
25
Teneur en plastique %Rés
ista
nce
à l
a co
mpre
ssio
n h
um
ide
en M
Pa
PET PET+Pehd
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
44
La figure montre que la résistance à la compression maximale obtenue est de 20,85MPa. Elle est
obtenue avec le mélange constitué de 35% de déchet plastique en PET et PEHD, 50% de sable et
15% de gravillon (essai N°7).
Pour l’éprouvette ayant une composition de 35% de plastique, la résistance à la compression est
de 10,91MPa (essai N°4). Elle est faible car la quantité de plastique PET contenue dans le mélange
est insuffisante. .
La nature du plastique utilisé a beaucoup d’influence sur le comportement des résultats obtenus.
Une même quantité de plastique ne signifie pas que nous pouvons toujours obtenir des résultats
similaires. A 35% de déchets plastiques, le matériau contenant du PET+ PEHD a une résistance
à la compression de 20,85 MPa. Par contre, le matériau contenant seulement du PET n’a une
résistance à la compression qu’à 10,91 MPa, soit presque la moitié de la résistance du mélange
cité précédemment.
Il existe alors une composition bien définie du mélange pour que la résistance à la compression
du produit final soit optimale.Rcsec et Rchumide ont des valeurs proches c’est-à-dire les
matériaux ont des comportements hydriques excellents (Cf. annexe a5)
7.5 Détermination de la porosité du produit
Le test repose sur un principe simple de comparaison de la masse du produit immergé dans
l’eau et de sa masse initiale [18]. Pour déterminer la porosité de notre matériau : nous avons tout
d’abord pesé notre matériau à sec. Puis, nous avons plongé les éprouvettes dans une cuvette
remplie d’eau pendant une durée de 48h. A sa sortie, le matériau a été pesé de nouveau. Nos
expériences ont abouti aux résultats suivants :
Tableau 13 : Test de porosité des échantillons
Essai
N°2
Essai
N°3
Essai
N°4
Essai
N°5
Essai
N°6
Essai
N°7
Teneur en plastique (%) 25,4 30 35 25,4 30 35
Masse initiale (g) 355 259 243 300 231 270
Masse finale (g) 358 263 245 302 232 271
Porosité (%) 0,84 1,54 0,82 0,66 0,43 0,37
Source : Auteur
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
45
Les résultats obtenus dans ce tableau vont être traduit par l’histogramme suivant :
Figure 24 : Histogramme sur la porosité des matériaux
La porosité du matériau fabriqué à partir des déchets de PET+PEHD est de 0,37% tandis que
celle du matériau fabriqué à partir des déchets de PET est de 0,82%.
Grace à la très bonne adhérence entre les charges et les matrices de nos produits, le test de porosité
a donné des résultats très satisfaisants variant de 0,37 à 0,84%. Le rôle des liants est de faire en
sorte que le matériau n’absorbe pas l’eau. De plus, le compactage à l’aide de la presse élimine les
vides et les pores qui pourraient emmagasiner l’eau. Donc on peut dire que la pression que nous
avons soumise au moule est suffisante.
PET PET+PEHD
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Type de plastiques
Po
rosi
té (
%)
Inf à 25,4% Entre 25,4% et 30% Entre 30% à 35%
46
CONCLUSION
Ce mémoire sur la contribution à la valorisation des déchets plastiques pour la production des
matériaux composites consiste à faire recours à la méthode de la valorisation des matières
plastiques pour la fabrication de certains matériaux de construction comme : les pavés
autobloquants, les parpaings, les briques. Ainsi, à l’issue de ce travail, nous pouvons retenir les
points suivants :
Premièrement, le recours au tout plastique nous rend dépendants d’une matière
première non renouvelable : le pétrole, qui par la suite subira divers traitements, élaboration et
transformations avant d’être utilisés et commercialisés sur le marché.
Deuxièmement, les matériaux plastiques sont des déchets non biodégradables et
posent néanmoins la question de la gestion des déchets qu’ils engendrent, alors qu’ils sont
omniprésents dans presque tous les domaines et secteurs d’activités existantes. Il y a donc lieu
d’encourager leur recyclage et leur valorisation. Pour cela, il existe trois grandes méthodes de
valorisation des matières plastiques comme la valorisation énergétique, la valorisation chimique
et la valorisation de la matière incluant la fabrication des matériaux composites.
Troisièmement, nous avons effectués des travaux expérimentaux au bloc technique
sis à Ankatso et au laboratoire de la Mention Génie Chimique de l’ESPA. Les échantillons
recueillis ont révélé que le mélange constitué de 35% de déchets plastiques + 50% de sable + 15%
de gravillon, soit l’essai N°7 présentait le résultat le plus satisfaisant avec : une résistance à la
compression de : 20,85 MPa et un test de porosité de : 0,37%. Ce résultat nous a révélé que nous
avons abouti à la réalisation d’un produit de qualité. Non seulement il respecte les normes sur les
caractéristiques des matériaux de constructions mais aussi peut rivaliser les autres matériaux qu’on
trouve sur le marché de construction avec un prix intermédiaire.
Et finalement, la réalisation de ce mémoire nous a permis d’approfondir nos connaissances et
d’obtenir plus d’expériences. Tous les travaux effectués aussi bien au bloc technique qu’au
laboratoire nous ont offert l’opportunité de s’initier à l’application des études théoriques dont nous
disposons mais aussi de faire part à la réduction de la pollution et la préservation de
l’environnement grâce à la réutilisation de ces déchets en tant que liant.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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polyéthylène téréphtalate et d'alliage polyéthylène téréphtalate/polycarbonate
recyclés… Thèse de Doctorat, Université Montpellier II. 20 Novembre 2007
[2] Cercle National du recyclage. Les emballages plastiques: de la fabrication à la
valorisation. Avril 1999
[3] Département développement économique, Compétitivité et International (DECI). Etude
de la filière des matériaux composites thermoplastiques. Mai 2014
[4] Ensemble scolaire. Pas de fin pour les plastiques. Faculté de Science Didactique de
sciences naturelles. Université Catholique de Couvain. 2007
[5] Erdyn Consultants, recyclage chimique des matières, Juin 2002
[6] Frédéric Ruch. Point sur le recyclage des composites thermodurcissables. Nouveaux
matériaux: les composites thermoplastiques structuraux.5 Octobre 2011
[7] Gnanou Yves. Michel Fontanille. Chimie et physico-chimie du polymère. 3ème édition.
DUNOD L'USINE NOUVELLE. Paris, 2013
[8] Guidoum A. Polymère et composite. Matériaux de construction.
[9] Jean Claude Charmet. Supports de l'enseignement de mécanique des solides. Mécanique
du solide et des matériaux, élasticité – plasticité – rupture.
[10] Jean Noel Bertrand. Dossier pédagogique réalisé dans le cadre du programme de
conférence "les jeunes, la chimie et les sciences de la vie".
[11] Laurent Gornet. HAL, archive-ouverte, Généralité sur les matériaux composites. 28
Septembre 2008
[12] Mada_Hary. Valorisation à l'échelle pilote des déchets plastiques pour la fabrication
des matériaux de construction. Vol 2. 2014
[13] Mandimbisoa Maholy. Installation d'une unité pilote de valorisation de déchet plastique
en matériaux de construction: tuile et brique. 2012
[14] Marc Carrega. Matériaux polymères. Aide-mémoire, matières plastiques. 2ème édition.
DUNOD L'USINE NOUVELLE. 2007
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
[15] Michael Erikson. Détermination des propriétés et applications des composites.
Novembre 2009
[16] P. Weiss. Chimie des polymères. Société Francophone de Biomatériaux Dentaires.
2009_2010
[17] RASOLONJATOVO Henitsoa Safidy Josephson. Contribution à l’étude de valorisation
des déchets plastiques pour la production des carburants, de solvant et de fuel par voie
thermique. Mémoire de fin d'étude. 2009
[18] RASOLONJATOVO Tellie Mbola Sitraka. Contribution à la valorisation des déchets
plastiques par la fabrication des tuiles. Mémoire de fin d'études. 2011
[19] RAVAOAVY Mahary Sambany Bien Aimé. Recyclage des déchets film plastiques de
la société JB. Mémoire de fin d'étude. 2016
[20] Roselyne Messal, la valorisation des déchets plastiques en Europe et en France, encore
des progrès à faire… L'actualité chimique, 2013
[21] Vincent Chaffraux. Etude de l'extrusion du PET et ses mélanges non comptabilisés avec
le PEhd. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2002
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES [W1] Cour_polym.pdf/ Cours polymères. 18 Février 2017
[W2] www.futura-sciences.com/sciences/definitions/chimie-polyethylene-2889/
[W3] www.recyclage-plastiques.fr/dechets-plastiques/quest-ce-quun-dechet-
notamment-plastiques/ Consulté le 9 Février 2017
[W4] www.energieplus-lesite.be/index.php?id=10444
[W5] www.recyclage-plastiques.fr/matieres-plastiques/les-differentes-matieres-
plastiques/ Consulté le 19 fevrier2017
[W6] www.recyclage-plastiques.fr/recyclage-plastique/la-valorisation-chimique/
Consulté le 19 Février 2017
[W7] http://www.recyclage-plastiques.fr/recyclage-plastique/la-valorisation-energetique
/Consulté le 19 Février 2017
[W8] Tous les matériaux pour la recherche, l’industrie et la production, goodfellow.com
[W9] Dossier enseignant. « VOYAGE EN INDUSTRIE » CAP SCIENCES 2006. 3 Mars
2017
[W10] www.wikipedia.org. Les matériaux. Consulté le 15 Février 2017
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
a 1
ANNEXES
Annexe 1 : Transformations ou mises en forme des matériaux plastiques
Une fois synthétisés, les polymères se présentent sous forme de poudres ou granulés, prêts
à être transformés en demi -produits ou en produits finis. Il existe également de nombreux procédés
de transformation adaptés à la nature du polymère à mettre en œuvre et à la forme finale souhaitée :
Injection
Ce procédé permet de donner aux matières plastiques une fois ramollies la forme simple ou
complexe du moule dans lequel elles ont été injectées.
Ex : palettes, coques de télévisions, boites, pots, tableaux de bord, ...
Extrusion
Cette méthode permet de fabriquer des produits en continu.
Ex : profilés, tubes, films, feuilles, sacs, plaques, ...
Extrusion-Soufflage
Les matières plastiques extrudées cette fois en discontinu (préformes) sont ensuite soufflées dans
un moule pour en prendre la forme.
Ex : bouteilles, flacons, bidons, réservoirs, conteneurs, ...
Rotomoulage
La matière plastique en poudre est introduite dans un moule clos puis est centrifugée sur les parois
chaudes. On obtient par cette méthode des corps creux de gros volume.
Ex : cuves, réservoirs, conteneurs, ...
Expansion
Le moussage ou expansion des polystyrènes et des polyuréthannes permet de fabriquer des
produits alvéolaires.
Ex : calage, sièges automobiles, ameublement, caissettes, ...
Compression
Cette méthode sert à mettre en forme les polymères thermodurcissables.
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
a 2
Ex : pièces plates (vaisselle, accessoires électriques, ...)
Calandrage
Ce procédé permet d’obtenir des produits plats de grande largeur par laminage de la matière
plastique entre plusieurs séries de rouleaux.
Ex : feuilles, plaques, films, sols plastiques, ...
Enduction
Couplée au calandrage, cette méthode permet de déposer une résine plastique sur un support
continu (papier, carton, tissu) en décoration ou en protection.
Ex : revêtement de sols, de murs, mobilier, ...
Thermoformage
Après avoir été ramollis sous la chaleur, les demi-produits thermoplastiques (plaques ou feuilles)
sont emboutis sur une forme.
Ex : gobelets, pots de yaourts, cuves, ...
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
a 3
Annexe 2 : Extrait de loi sur la procédure de gestion de déchets
Article 3 : Tout Investisseur, promoteur et operateur œuvrant dans le domaine de
l’importation, l’exportation, les transports, la valorisation, le recyclage et l’élimination des
produits en fin de vie, sources de déchets et des déchets dangereux nuisibles à
l’Environnement doit déposer une demande d’autorisation adressée à l’Autorité Compétente
National et au Point Focal National pour orientation des directives techniques, évaluation et
approbation.
Article 4 : Toutes exportations, importations et/ou transit de déchets ou produits dangereux
nécessitent un document de notification et un ou plusieurs documents de mouvement. Ces
documents sont disponibles et à retirer auprès du Bureau National de la Convention de Bâle
(BNCB).
Article 5 : Pour le cas de l’élimination de déchets dangereux, le Ministère chargé de
l’Environnement par le biais du Bureau National de la Convention de Bâle et le Comité
National de la Mise en œuvre doit assister à l’opération afin de constater, contrôler la
conformité de la procédure d’élimination, d’établir un procès-verbal et de délivrer une
attestation d’élimination.
Article 6 : Toute personne, qui produit ou détient des déchets, doit en assurer elle-même
l’élimination ou le recyclage ou les faire éliminer ou recycler auprès des entreprises agréées
par le Ministère chargé de l’Environnement et vertu du Principe de Pollueur-Payeur.
Article 7 : Le présent décret s’applique :
a. Aux produits en fin de vie et substances suivantes :
Les pneus,
Les matières premières des objets plastiques,
Les matières premières des accumulateurs électriques (batteries et piles),
Les Equipements Electro-Electroniques,
b. Aux déchets suivants :
Les déchets médicaux et des services de santé,
Les huiles et hydrocarbures usagées et les objets contaminés
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
a 4
Les accumulateurs plomb-acide usagés,
Les déchets des biocides,
Le papier autocopiant, les mastics et les matières plastiques,
Les déchets chimiques produits par les industries et d’autres secteurs,
Les déchets métalliques (Zinc, cuivre, aluminium, fer)
Les déchets contenant des métaux lourds (plomb, cadmium, mercure, arsenic, étain,
chrome, nickel)
Les déchets électroniques et électriques (téléphones portables, ordinateurs et ses
accessoires, unités centrales, imprimantes, photocopieurs, onduleurs, téléviseurs, antennes,
micro-ondes, fer à repasser, gadgets/jouets, appareils photos, appareil d’éclairage).
Les déchets d’emballages plastiques,
Les cendres volantes,
Les déchets valorisables.
Article 8 : Origines des produits prévus à l’article 7
Les produits sont importés par voie maritime et/ou aérienne et sont également issus de la
production locale.
Article 9 : Tout Investisseur ou promoteur œuvrant dans le domaine de l’importation,
l’exportation, les transports, la valorisation, le recyclage et l’élimination des produits en fin
de vie, sources de déchets et des déchets dangereux nuisibles à l’Environnement est tenu
d’appuyer financièrement le BNCB dans l’accomplissement de ses tâches dont la modalité
sera fixée par voie règlementaire.
Article 10 : Le non-respect des règlementations nationales en vigueur et des dispositions du
présent décret par les investisseurs, les promoteurs ou à la suspension de l’activité suivant le
cas.
Entre deux ou plusieurs Pays Parties à la Convention de Bâle et en cas d’exportation et
d’importation illicites des produits en fin de vie, sources de déchets et des déchets dangereux,
les frais relatifs aux réexpéditions seront supportés par le propriétaire.
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a 5
Annexe 3 : Normes et classification Camerounaises sur les caractéristiques des éprouvettes
Caractéristiques S(âge) U (unité) Classe A :
EXCELLENT Classe B : BON
Absorption totale : p
( 24 heures d’immersion) 28 jours % poids < 5 % [ 5, 10 ]
Résistance à la compression
à sec : RCsec
28 jours bar 120 [ 50, 120 ]
Classe C : MOYEN
Absorption totale : p
( 24 h d’immersion ) 28 jours % poids [ 10, 20 ]
Résistance à la compression
sec : RCsec
28 jours bar [ 20, 50 ]
Résistance à la compression
humide : RChumide ( 24 heures
d’immersion )
28 jours bar [ 5, 10 ]
CLASSE D : FAIBLE
Absorption totale : p ( 24 h d’ immersion )
28 jours % poids 20
Résistance à la compression
sec : RCsec
28 jours bar < 20
Résistance a la compression
humide : RChumide (24 heures
d’immersion) 28 jours bar < 5
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
Table des matières
REMERCIEMENTS ................................................................................................................. i
SOMMAIRE ........................................................................................................................... ii
LISTE DES ACRONYMES, ABREVIATIONS .................................................................. iii
LISTE DES ANNEXES .......................................................................................................... iv
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. v
LISTE DES PHOTOS ............................................................................................................. vi
LISTE DES TABLEAUX ..................................................................................................... vii
INTRODUCTION .................................................................................................................... 1
PREMIERE PARTIE : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre 1 Notion sur les matériaux polymères ....................................................................... 2
1.1 Matière première : Le pétrole .................................................................................... 2
1.1.1 Généralités .......................................................................................................... 2
1.1.2 Distillation du brut .............................................................................................. 2
1.1.3 Craquage catalytique .......................................................................................... 2
1.1.4 Reformage catalytique ........................................................................................ 3
1.1.5 Hydrocraquage.................................................................................................... 3
1.1.6 Viscoréduction .................................................................................................... 3
1.1.7 Vapocraquage ..................................................................................................... 3
1.2 Polymères ................................................................................................................... 6
1.2.1 Nomenclature des matériaux plastiques ............................................................. 6
1.2.1.1 Homopolymères ................................................................................................. 6
1.2.1.2 Copolymères ....................................................................................................... 7
1.2.2 Monomères ......................................................................................................... 9
1.2.3 Polymérisation .................................................................................................... 9
1.2.4 Degré de polymérisation : ................................................................................ 11
1.3 Origine des polymères ............................................................................................. 11
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
1.3.1 Polymères naturels ............................................................................................ 11
1.3.2 Polymères artificiels : ....................................................................................... 11
1.3.3 Polymères synthétiques : .................................................................................. 11
1.4 Structure des polymères ........................................................................................... 12
1.4.1 Polymères linéaires ........................................................................................... 12
1.4.2 Polymère ramifié .............................................................................................. 12
1.4.3 Polymères réticulés ........................................................................................... 12
1.4.4 Polymères amorphes et polymères cristallisés ................................................. 12
Chapitre 2 Familles des plastiques et leurs usages ................................................................. 14
2.1 Plastiques ................................................................................................................. 14
2.1.1 Résine ............................................................................................................... 14
2.1.2 Adjuvants .......................................................................................................... 14
2.1.3 Additifs ............................................................................................................. 15
2.2 Famille des plastiques et leurs usages ...................................................................... 15
2.2.1 Thermoplastiques ............................................................................................. 15
2.2.2 Thermodurcissable............................................................................................ 17
2.2.3 Elastomère ........................................................................................................ 18
Chapitre 3 Valorisation des déchets plastiques ...................................................................... 19
3.1 Généralités ............................................................................................................... 19
3.1.1 Traitement des déchets ..................................................................................... 19
3.1.2 Recyclage.......................................................................................................... 19
3.1.3 Méthode de valorisation des déchets plastiques ............................................... 23
Chapitre 4 Les matériaux composites ..................................................................................... 27
4.1 Généralités ............................................................................................................... 27
4.2 Matériaux composites .............................................................................................. 29
4.3 Constituant des matériaux composites ..................................................................... 30
4.3.1 Matrice .............................................................................................................. 30
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
4.3.2 Additifs ............................................................................................................. 31
4.3.3 Renforts ............................................................................................................ 31
4.4 Technologies de mise en œuvre des matériaux composites ...................................... 31
DEUXIEME PARTIE : ETUDES EXPERIMENTALES
Chapitre 5 Objectif de l’étude et justification des matériaux utilisés .................................... 34
5.1 OBJECTIFS : ............................................................................................................. 34
5.2 MATIERES PREMIERES .............................................................................................. 34
5.2.1 Le sable ............................................................................................................. 34
5.2.2 Les gravillons : ................................................................................................. 34
5.2.3 Les déchets plastiques : .................................................................................... 34
Chapitre 6 Matériels et méthodes de fabrication .................................................................... 36
6.1 Matériels utilisés .................................................................................................. 36
6.2 Prétraitement des déchets et mises en œuvre ....................................................... 37
Chapitre 7 Résultats et discussions ......................................................................................... 40
7.1 Le comportement des essais effectués ................................................................. 40
7.2 Diagramme de la conduite de la cuisson .............................................................. 40
7.3 Durée de refroidissement ..................................................................................... 41
7.4 Résistance à la compression ................................................................................. 41
7.5 Détermination de la porosité du produit ............................................................... 44
CONCLUSION GENERALE ................................................................................................ 46
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXES
RESUME
ABSTRACT
Mémoire de fin d’études Ingénierie Pétrolière/ Pétrochimie
Nom et prénoms : HENITSOAFIDY Rémy Onésime
Nombre de page : 46
Nombre de figure : 24
Nombre de photos : 06
Nombre de tableau : 13
Rapporteur : Professeur RANDRIANA Nambinina Richard Fortuné Chef de la Mention Génie
des Procédés Chimiques et Industriels
Contacts : lot 1178/ 67Ha Nord Ouest Antananarivo
E-mail: [email protected]
N° téléphone : 0349657294
Titre du mémoire : « CONTRIBUTION A LA VALORISATION DES DECHETS
PLASTIQUES POUR LA PRODUCTION DES MATERIAUX COMPOSITES »
RESUME
Les plastiques font partie de notre vie quotidienne, mais leur décharge dans la nature
devient un sérieux problème pour l’environnement. Il est donc nécessaire de gérer les
déchets engendrés par ces matériaux, avec lesquels des multiples solutions adaptées aux
différents flux de déchets ont été progressivement adoptées grâce à la sensibilisation des
pouvoirs public.
L’objet de cet ouvrage est de contribuer à la diminution de cette pollution en valorisant
les matériaux plastiques en vue d’obtenir des matériaux composites utilisables pour les
travaux de construction. Après diverses expériences, nous avons obtenu des matériaux de
bonne qualité, suivant les normes sur les propriétés des matériaux de construction avec : une résistance à la compression de : 20,85 MPa et une porosité de : 0, 37%
Mots clés : déchets, thermoplastiques, matériaux composites, polymères, recyclage
ABSTRACT
Plastics are part of our daily life but their discharge in nature becomes a serious
problem for the environment. It is therefore necessary to manage the plastic wastes, with
which multiple solutions adapted to different types of wastes flows where progressively
adopted, thanks to the public authorities’ awareness.
The present work aims to contribute to reduce pollution and at the same time to
valorize the plastic wastes by including them into composite elements used for building
construction works. After diverse experiences, we could obtain good quality materials, with
which their properties are in accordance with the norms of construction materials: a
compressive strength of: 20,85 MPa and porosity of: 0,37%
Key words: wastes, thermoplastics, composite, polymers, recycling
Promotion 2016