Effet de la polymérisation en phase solide sur le développement de la structure des fibres lors de l’extrusion par fusion du PET recyclé mécaniquement

Transformer les déchets de bouteilles en nouvelles fibres résistantes

Les bouteilles en plastique sont omniprésentes, et la plupart sont en PET, un matériau polyvalent mais tenace qui ne se décompose pas dans la nature. Une grande partie de ce plastique finit en décharge ou dans l’environnement. Cette étude examine si des bouteilles en PET usagées, après un recyclage mécanique simple, peuvent être revalorisées en fibres industrielles solides et fiables — comme celles utilisées pour les ceintures de sécurité, les géotextiles et les tissus industriels — afin que la bouteille d’hier puisse devenir en toute sécurité le fil robuste de demain.

Pourquoi le PET recyclé manque généralement de performance

Lors du recyclage mécanique des bouteilles PET, elles sont collectées, nettoyées, broyées en flocons puis refondues en granulés. Ce procédé est moins coûteux et plus simple que le recyclage chimique, mais la chaleur et l’humidité impliquées endommagent discrètement les longues chaînes de PET, les coupant en fragments plus courts. Ce dommage réduit une mesure clé appelée viscosité intrinsèque, utilisée comme indicateur du poids moléculaire et, en fin de compte, de la résistance. Par conséquent, le PET recyclé mécaniquement (mr‑PET) est généralement suffisant pour des usages de moindre valeur, mais peine à satisfaire les exigences de résistance et de durabilité requises pour les fibres industrielles.

Renforcer les chaînes polymères par une chaleur douce

Pour réparer ces chaînes raccourcies, les chercheurs ont recours à un procédé appelé polymérisation en phase solide (SSP). Au lieu de fondre le plastique, ils chauffent les granulés de PET à des températures supérieures à leur température de transition vitreuse mais inférieures à leur température de fusion, et les maintiennent ainsi pendant plusieurs heures dans un réacteur rotatif sous vide. Dans ces conditions, les extrémités des chaînes polymères se reconnectent lentement, augmentant la longueur des chaînes sans la dégradation sévère qui peut survenir en traitement en fusion complète. L’équipe a testé une plage de températures (220, 230 et 240 °C) et de durées (6, 12 et 18 heures) pour le PET vierge (v‑PET) et le mr‑PET. Ils ont ensuite mesuré la facilité d’écoulement à l’état fondu, la viscosité de leurs solutions et l’évolution du poids moléculaire, afin de suivre la reconstruction des chaînes.

Identifier le compromis optimal pour le recyclage

Les analyses ont montré que la longueur des chaînes et la cristallinité — l’ordre structurel du polymère — augmentaient avec la température et la durée du SSP. Cependant, des traitements plus longs et plus chauds impliquent aussi une consommation d’énergie plus élevée et une production plus lente. Les chercheurs ont identifié 230 °C pendant 6 heures comme un compromis pratique : dans ces conditions, le mr‑PET atteignait une viscosité intrinsèque d’environ 1,1 dL/g, niveau souvent visé pour les fibres industrielles à haute résistance, tout en maintenant un temps de process raisonnable. À ce réglage, le poids moléculaire moyen du PET recyclé correspondait étroitement à celui du PET vierge traité de la même manière, même si le matériau recyclé contenait encore des traces d’impuretés issues de sa vie précédente en tant que bouteilles.

Filage rapide pour construire la structure

Ensuite, l’équipe a fondu les granulés traités et non traités et les a extrudés à travers de minuscules orifices pour former des filaments, qui étaient entraînés à grande vitesse — une méthode connue sous le nom d’extrusion par fusion (melt spinning). En faisant varier la vitesse d’enlèvement de 1000 à 4000 mètres par minute, ils ont pu contrôler l’étirement des fils fondus pendant leur refroidissement. Par analyse thermique et diffraction des rayons X, ils ont constaté que des vitesses de filage plus élevées favorisaient l’alignement des chaînes de PET et leur cristallisation le long de l’axe de la fibre, ce qui augmentait à son tour le point de fusion et l’ordre interne des fibres. Fait notable, les fibres issues du PET traité par SSP montraient une structure cristalline nette à des vitesses plus faibles que le PET non traité, ce qui signifie que les chaînes réparées et allongées étaient plus aptes à s’organiser en régions ordonnées et résistantes pendant le filage.

Une résistance comparable au plastique vierge

Les essais mécaniques des filaments obtenus ont confirmé ce que suggéraient les mesures structurelles. À mesure que la vitesse de filage augmentait, toutes les fibres devenaient plus résistantes (tenacité plus élevée) mais s’allongeaient moins avant rupture, caractéristique d’un matériau plus orienté et cristallin. Après SSP, le PET vierge et le PET recyclé présentaient globalement de meilleures performances. Plus notable encore, lorsque le mr‑PET traité à 230 °C pendant 6 heures a été filé à 3000 m/min, sa tenacité était essentiellement identique à celle du PET vierge traité et filé de la même façon, autour de 4,4 grammes par denier. Autrement dit, malgré son histoire d’usage, de collecte et de retraitement, le matériau recyclé pouvait être conçu pour égaler la résistance du PET « neuf » dans les fils de qualité industrielle.

Ce que cela signifie pour les produits quotidiens

Pour le grand public, la conclusion est simple : avec un traitement thermique et des conditions de filage finement ajustés, les bouteilles en plastique peuvent être transformées en fibres haute performance adaptées à des usages industriels exigeants, et pas seulement en produits bas de gamme. En utilisant la SSP pour reconstruire les chaînes polymères et en optimisant la vitesse de filage pour les aligner, cette étude montre que le PET recyclé mécaniquement peut surmonter ses faiblesses habituelles et rivaliser avec le matériau vierge. Cela ouvre la voie à une utilisation plus circulaire du PET, où des textiles techniques robustes — voitures, matériaux de construction et cordages lourds — peuvent être fabriqués à partir des mêmes bouteilles que nous jetons aujourd’hui dans la poubelle de recyclage.

Citation: Kim, H., Bae, J.H., Hahm, WG. et al. Effect of solid-state polymerization on fiber structure development in melt spinning of mechanical recycled PET. Sci Rep 16, 6752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36850-2

Mots-clés: fibres en PET recyclé, polymérisation en phase solide, extrusion par fusion, recyclage de bouteilles en plastique, fil polyester industriel