Une entrevue avec le Dr Ben Chouchaoui du Laboratoire de développement industriel de Windsor.

Les pneus usagés représentent un danger. Ils mettent des centaines d’années à se décomposer naturellement, accumulent l’eau de pluie et servent souvent de sites de reproduction pour les moustiques. De plus, ils sont difficiles à éteindre s’ils prennent feu et sont fabriqués à partir de ressources limitées comme les hydrocarbures. Le caoutchouc naturel (utilisé dans la fabrication des pneus) est concentré en Extrême-Orient et présente des problèmes logistiques majeurs, dont plusieurs ont été ressentis pendant la récente pandémie de COVID-19 et les conflits en Ukraine et au Moyen-Orient.

Les solutions actuelles pour traiter les pneus en fin de vie ne s’avèrent pas efficaces dans la plupart des cas, et les organismes gouvernementaux recherchent des solutions plus avancées. EcoCa (une entreprise dérivée du Laboratoire de développement industriel de Windsor ou LDIW) propose la dévulcanisation des caoutchoucs thermodurcissables. Cela permettra de transformer le caoutchouc infiniment recyclable en matériaux utiles (comme des granules de caoutchouc dévulcanisé pour le revêtement des routes) ou en produits (l’idée étant de développer des produits de grande taille en raison de l’ampleur du problème des pneus usagés).

Dans une entrevue exclusive avec Autosphère, le Dr Ben Chouchaoui, spécialiste en développement de produits en caoutchouc du LDIW, discute de certaines des tendances récentes en matière d’élimination et de recyclage des pneus usagés, ainsi que des opportunités concernant les nouvelles pratiques envisagées par l’industrie.

Autosphère : Pouvez-vous nous parler de l’état actuel du recyclage des pneus usagés au Canada ?

Dr Ben Chouchaoui : Un rapport récent du Laboratoire de la technologie des matériaux d’Ottawa (CanMet), soutenu par le Secteur des minéraux et des métaux de Ressources naturelles Canada, a recueilli des données de toutes les provinces canadiennes et de l’Association canadienne des agences de recyclage des pneus (ACARP). L’objectif était de développer une image plus complète de la récupération et du recyclage des pneus au Canada et des impacts environnementaux connexes, y compris les émissions de gaz à effet de serre (GES), des pratiques actuelles et futures.

L’étude « Le recyclage des pneus hors d’usage au Canada » montre un grand potentiel de marché pour la transformation des pneus en fin de vie en nouvelles applications et produits à valeur ajoutée. Grâce aux programmes de pneus bien gérés dans les provinces canadiennes, les pneus usagés à travers le pays sont maintenant traités selon plusieurs techniques.

La plus grande utilisation des pneus usagés au Canada au cours des deux dernières décennies a été le caoutchouc broyé, représentant plus de 40 % en poids du total des pneus usagés, dépassant 0,5 million de tonnes métriques. 20 % supplémentaires ont été utilisés comme combustible dérivé des pneus (CDP) pour les fours à ciment et les papetières ; 18 % ont été directement recyclés en produits géométriquement simples comme des tapis, des briques ou des tuiles autobloquantes, etc., en collant le caoutchouc broyé avec de l’époxy ou du polyuréthane (PU), et 13 % ont été transformés en déchiquetats ; le reste a été mis en balles ou entreposé. Environ 75 % de tous les pneus usagés ont nécessité un traitement dans des usines de recyclage à température ambiante et cryogénique. Seuls les fours à ciment peuvent accepter des pneus entiers, tandis que les applications de génie civil comme les récifs artificiels ne nécessitent pas de broyage des pneus usagés. Le rapport a indiqué qu’aucune solution unique pour le Canada n’était viable, recommandant différentes méthodes de traitement pour faire face aux énormes flux de déchets de pneus usagés.

AS : Pouvez-vous nous parler des options actuellement disponibles en matière de traitement des pneus usagés ?

BC : Le recyclage des pneus n’est pas très différent du traitement d’autres déchets, particulièrement du point de vue de la protection de l’environnement. Il existe quatre choix fondamentaux pour traiter les déchets, communément appelés les quatre R (4R) : Réduire, Réutiliser, Recycler et Récupérer.

Premier dans la hiérarchie est Réduire, ce qui signifie réduire la génération de déchets. C’est la meilleure méthode pour réduire les gaz à effet de serre, et cela permet également d’économiser les ressources naturelles et d’éviter la génération en amont de déchets solides.

Quant à la réutilisation des pneus (bien que limitée pour des raisons de sécurité), il existe toujours un marché solide pour le rechapage des pneus usés. Le rechapage des pneus de camion est l’un des meilleurs exemples de prolongation de l’utilisation d’un pneu. En fait, la plupart des carcasses de pneus de camions commerciaux et d’avions sont rechapées plusieurs fois avant d’être mises au rebut. Les pneus de camions et d’avions sont spécialement conçus en tenant compte du rechapage. Les pneus de voitures particulières, cependant, sont très différents et offrent peu de possibilités de rechapage sauf dans des marchés de niche restreints.

Les fabricants de pneus, grâce à des technologies en constante évolution, ont prolongé la durée de vie des pneus d’automobiles et de camions (le besoin de nouveaux pneus est toutefois réduit lorsque les constructeurs automobiles vendent plus de nouvelles voitures). Le public aussi peut apporter des contributions utiles : On estime que la durée de vie des pneus peut être prolongée jusqu’à 30 % simplement en maintenant une pression appropriée, en effectuant la rotation des pneus selon les recommandations, en gardant les roues bien alignées et en adoptant de bonnes habitudes de conduite.

Le recyclage du caoutchouc et d’autres matériaux provenant de pneus usagés endommagés au-delà de toute réparation représente le plus grand marché. La plupart des technologies décrites dans le rapport se concentrent sur la récupération des matériaux et la génération de nouveaux produits à partir de ceux-ci. Cependant, les produits vus jusqu’à présent sur le marché consistent à coller du caoutchouc broyé avec de l’époxy ou du PU pour une utilisation dans les terrains de jeux et les terrains de sport (qui ne sont pas des solutions durables) ou en produits tridimensionnels simples comme des tapis ou des pavés. Un changement de paradigme consiste à dévulcaniser le caoutchouc (briser les ponts entre les longues chaînes moléculaires), avec lequel on peut fabriquer de nouveaux produits (mélangés selon des ratios donnés avec du caoutchouc non recyclé, une opération connue sous le nom de mélangeage dans l’industrie, selon les exigences des applications visées).

AS : Comment cela se traduit-il pour la durabilité du caoutchouc et l’économie circulaire des produits en caoutchouc ?

BC : Le caoutchouc vulcanisé ne peut pas être refondu (comme les thermoplastiques) et réutilisé. Aujourd’hui, les principales solutions pour les pneus en fin de vie (ELT) [et pour d’autres produits en caoutchouc] sont l’enfouissement, l’incinération (c’est-à-dire utilisés par les cimenteries ou dans les programmes de valorisation énergétique des déchets) et le broyage en granulés fins. Cette dernière génère d’énormes quantités de poudre et représente un manque de recyclage durable du caoutchouc précieux.

De plus, les pneus sont devenus des produits de haute technologie, où l’amélioration simultanée de l’adhérence sur sol mouillé, de la résistance au roulement et de la résistance à l’abrasion est difficile à réaliser. Un total de 26,3 millions de véhicules automobiles étaient immatriculés pour usage routier au Canada en 2022, ce qui équivaut à environ 330 000 tonnes métriques de pneus usagés chaque année. S’ajoutent à cela les pneus usagés des véhicules hors route (VHR), des camions, des autobus, des tracteurs, des machines agricoles et de construction, etc. En dévulcanisant les pneus en fin de vie, il est possible de produire de nouvelles matières premières avec de bonnes propriétés mécaniques et une empreinte environnementale supérieure aux nouveaux matériaux. La dévulcanisation ou la rupture des liaisons soufre par des moyens mécaniques, chimiques, thermophysiques ou biologiques est prometteuse pour la durabilité du caoutchouc et l’économie circulaire des produits en caoutchouc.

Dans la vulcanisation, le soufre peut former des liaisons entre les chaînes polymères insaturées trouvées dans le latex pour produire du caoutchouc naturel ; le processus est également utilisé pour les caoutchoucs synthétiques. Des accélérateurs peuvent être ajoutés dans le processus, à des températures élevées. Les vulcanisations au soufre accélérées sont classées en vulcanisation conventionnelle (CV), semi-efficiente (semi-EV) et efficiente (EV), selon les ratios accélérateur/soufre (A/S) entre 0,1 et 12.

La vulcanisation donne les propriétés aux caoutchoucs naturels ou synthétiques. La dévulcanisation vise à cliver sélectivement les liaisons C-S tout en laissant les liaisons C-C intactes. La dévulcanisation du caoutchouc usagé applique de l’énergie au matériau afin de briser, totalement ou partiellement, le réseau tridimensionnel formé pendant la vulcanisation. Le processus est difficile à réaliser, puisque les énergies nécessaires pour briser les liaisons S-S et C-S (227 et 273 kJ/mol, respectivement) sont inférieures mais proches de l’énergie requise pour briser les liaisons C-C (348 kJ/mol).

Plus la sélectivité du processus de dévulcanisation est élevée, meilleures sont les propriétés mécaniques du matériau. Les scientifiques ont développé un outil pour étudier le mécanisme de rupture du réseau dans un réseau de caoutchouc vulcanisé. En conséquence, le taux d’augmentation de la fraction soluble (sol) du caoutchouc en fonction de la densité de réticulation mesurée de la fraction insoluble restante (gel) est différent pour le clivage des liaisons carbone-soufre et carbone-carbone. Ainsi, les mesures de la fraction sol et de la densité de réticulation des échantillons de caoutchouc dévulcanisé donnent une indication du mécanisme dominant de rupture du réseau.

En ce qui concerne la durée de vie utile, il existe deux types de pneus : 1. Les pneus réutilisables et 2. Les pneus non réutilisables. Les pneus qui ne peuvent pas être rechapés en raison de dommages avancés, de déformation structurelle ou de dégradation importante sont les matières premières pour le recyclage des pneus en fin de vie.

Pour la dévulcanisation, les pneus en caoutchouc usagés sont généralement transformés en caoutchouc de pneu broyé (GTR) qui peut être incorporé dans l’asphalte caoutchouté, le bitume, le ciment, le béton, les tuiles, les isolations thermiques et acoustiques, etc. Cependant, le simple mélange de GTR non traité dans une matrice (élastomère) diminue grandement ses propriétés mécaniques, car les particules de caoutchouc réticulé montrent une mauvaise adhésion interfaciale et dispersion. Une extrudeuse bi-vis pour la dévulcanisation thermomécanique est considérée comme la méthode la plus pratique, car ce type de machine est couramment utilisé dans l’industrie des polymères. De plus, l’extensibilité aux volumes industriels est considérée comme la meilleure solution en ce qui concerne les extrudeuses. Pour l’extrusion thermochimique, l’utilisation du CO2 supercritique (scCO₂) a montré des avantages. Chimiquement non toxique, inactif, ininflammable et peu coûteux, le point critique du CO₂ peut être atteint facilement (à 31,1 °C et 7,38 MPa), et le scCO₂ résiduel du caoutchouc dévulcanisé s’élimine facilement dans l’environnement.

AS : Quelles sont vos réflexions sur la mise en œuvre de véritables mécanismes de recyclage des pneus usagés dans l’industrie, y compris la dévulcanisation ?

BC : Avec une population mondiale croissante, la consommation de polymères tels que les thermoplastiques, les thermodurcissables et les élastomères a connu une croissance significative depuis les années 1950, les thermoplastiques représentant de loin le groupe le plus important. La production mondiale de plastiques a atteint le chiffre impressionnant de 400,3 millions de tonnes métriques en 2022. Cela marque une augmentation d’environ 1,6 % par rapport à l’année précédente, même en tenant compte d’une pandémie mondiale, ainsi que d’une instabilité politique et économique. La production de plastiques a explosé depuis les années 1950 avec une croissance continue de la production et des parts de marché. Cependant, on s’attend à ce qu’un tel taux de croissance annuel historique stable s’aplanisse dans les années à venir en raison des pressions vers le recyclage des produits plastiques (comme les bouteilles d’eau).

Le recyclage des matières premières peut être considéré comme l’objectif ultime pour les polymères en ce sens que les monomères d’origine sont récupérés. Cela semble faisable pour certains polymères purs, mais pour les mélanges de produits complexes comme les caoutchoucs [dont la majeure partie est transformée en pneus], le recyclage des matières premières en isoprène et autres constituants n’est pas réalisable aujourd’hui. Cependant, un processus pour inverser la vulcanisation (connu sous le nom de dévulcanisation) rend le matériau élastomère à nouveau fusible et transformable, offrant une voie pour recycler les pneus en fin de vie en matériaux et produits à haute valeur ajoutée. Grâce à la dévulcanisation, les caoutchoucs naturels et synthétiques peuvent être partiellement remplacés et économisés, conduisant à de multiples avantages économiques et environnementaux.

AS : Pouvez-vous nous expliquer comment fonctionne généralement le processus de recyclage des pneus ?

BC : Les pneus sont utilisés sur toutes sortes de véhicules. Après plusieurs années, ils doivent être remplacés, car leurs profils s’usent et/ou ils deviennent cassants et se fissurent sous les contraintes répétées et les éléments. Le rechapage est effectué pour les pneus de camions, tandis que les pneus de voitures particulières sont principalement des articles à usage unique. Les pneus en fin de vie peuvent être principalement récupérés par deux voies : 1. La récupération de matériaux ou 2. La récupération d’énergie. La valeur calorifique des pneus en fin de vie est proche de celle du charbon, et ils sont souvent utilisés dans les papetières et les fours à ciment. Par pyrolyse, des huiles peuvent être produites, bien que cela tende à entraîner des émissions substantielles. Une autre débouchée possible est l’assainissement des déversements de pétrole. La récupération des matériaux nécessite la granulation des pneus en fin de vie. Le broyage comprend des processus à température ambiante, humide et cryogénique. La plupart des technologies de recyclage des pneus impliquent la séparation des matériaux métalliques et textiles (cordes) et un processus de broyage conduisant à une réduction significative des dimensions du pneu. Pendant le broyage, qui produit généralement des granulats de quelques millimètres ou moins, la température peut être inférieure à la température de transition vitreuse (c’est-à-dire le broyage cryogénique) des polymères dans les pneus à température ambiante. La poudre résultante peut être utilisée comme charge, par exemple dans de nouveaux composés de pneus, mais seulement en petites quantités. Pour améliorer la compatibilité entre le nouveau composé de caoutchouc et la poudre de pneus en fin de vie, cette dernière doit être dévulcanisée en brisant le réseau de réticulation tridimensionnel, ou au moins en modifiant la surface des granules.

L’extrusion bi-vis pour la dévulcanisation mécanique est la façon la plus pratique de traiter les pneus usagés, pour la commonalité dans l’industrie des polymères. Le processus n’utilise pas de produits chimiques ni de chaleur et peut être mis à l’échelle pour des volumes industriels. L’utilisation du CO2 supercritique (scCO₂) aide à gonfler le caoutchouc et à étirer les réticulations entre les longues chaînes moléculaires ; le CO2 est chimiquement non toxique, inactif, ininflammable, peu coûteux et compatible avec l’environnement. Du bon caoutchouc est obtenu, et les extrudeuses peuvent traiter entre 0,5 et 3 tonnes métriques de pneus usagés par heure, ce qui sur trois quarts de travail peut traiter 18 000 tonnes métriques ou environ 1,5 million de pneus usagés par année. Le caoutchouc dévulcanisé peut être transformé en granules pour mélanger avec l’asphalte pour caoutchouter les routes, ou comme mélange maître pour les polymères, dans des moules ou extruder des produits.

AS : Parlez-nous un peu des résultats de recherche de votre laboratoire ?

BC : EcoCa, une filiale du Laboratoire de développement industriel de Windsor (LDIW), a développé des technologies pour 1. Récupérer le caoutchouc des produits contenant du caoutchouc comme les pneus, 2. Dévulcaniser le caoutchouc récupéré, 3. Mélanger le caoutchouc dévulcanisé, et 4. Fabriquer avec du caoutchouc recyclé (dévulcanisé et mélangé) des matériaux et des produits. Actuellement, EcoCa propose deux lignes de produits :

1. Caoutchouc recyclé : Il peut s’agir de granules de SBR (caoutchouc styrène-butadiène) recyclé pour remplacer le polymère SBS (styrène-butadiène-styrène) dans l’asphalte pour caoutchouter les routes, les stationnements, les entrées, etc. EcoCa propose également du caoutchouc dévulcanisé qui peut être utilisé dans le mélange, pour réduire le coût des nouveaux composés.
2. Produits en caoutchouc recyclé : EcoCa moule sous contrat un petit galet plein pour l’industrie minière pour un fabricant de machinerie lourde dans la région du Grand Toronto (RGT). EcoCa lance également un premier produit sous sa propre marque, à savoir un butoir de stationnement avant pour véhicules particuliers.

EcoCa offre également des services en termes de réception et de traitement des déchets polymériques post-industriels impliquant des caoutchoucs. Une telle application concerne les joints d’étanchéité temporaires autour des portes de véhicules de General Motors à l’usine GM de Warren, Michigan. Des pourparlers sont en cours avec divers autres constructeurs automobiles d’origine (OEM) et différents fournisseurs de pneus également.

De nombreux produits sont en développement sous la marque EcoCa et incluent divers marchés et secteurs industriels couvrant l’automobile, le pétrole et le gaz, les loisirs, etc. Certaines des applications dans lesquelles nous sommes présents sont :

• Butoirs avant pour camions
• Butoirs avant pour autobus
• Séparateurs de voies (entre vélos et véhicules)
• Joints de poteaux de barrière le long des autoroutes
• Couvercles de manchons pour bornes
• Tapis d’entrée et anti-fatigue
• Défenses pour bateaux
• Défenses pour quais

De plus, EcoCa est ouvert aux applications d’ingénierie pour les clients. Le développement de produits techniques (fonctionnels) à partir de caoutchouc récupéré des pneus usagés implique trois principaux ingrédients techniques : 1. La chimie du caoutchouc (en particulier, la dévulcanisation du caoutchouc vulcanisé), 2. La conception et l’ingénierie des produits en caoutchouc (basées sur la conception assistée par ordinateur et les simulations), et 3. La fabrication du caoutchouc avec la rhéologie et la conception d’outillage et le traitement machine (fabrication), pour optimiser sur ordinateur puis fabriquer. L’équipe EcoCa et l’équipe élargie sont composées de vétérans de l’industrie du caoutchouc et chaque membre offre des diplômes universitaires avancés et des décennies d’expériences industrielles dans le développement et la caractérisation des matériaux, la chimie du caoutchouc, la conception et l’optimisation des produits, le traitement et la mise au point de la fabrication, l’outillage, le prototypage et les tests.

AS : Si nous examinons certains des produits qu’EcoCa développe, quels sont certains des avantages qu’ils offrent par rapport aux solutions existantes ?

BC : Les butoirs de stationnement en caoutchouc recyclé EcoCa offrent :

Résistance aux intempéries — Les butoirs de stationnement en ciment se fissurent, se brisent, changent de couleur avec les éléments et développent de la moisissure. Ils sont lourds à déplacer et endommagent les pavages en dessous. Les butoirs en caoutchouc éliminent ces problèmes et évitent de rayer le dessous des pare-chocs des véhicules lors du stationnement près d’un butoir.

Plus grande longévité — Les butoirs en caoutchouc résistent aux intempéries par rapport aux butoirs en ciment. L’eau dans les fissures peut geler pour briser les butoirs en ciment.

Économies améliorées — Les butoirs en ciment sont renforcés d’acier et nécessitent de nombreux moules car le durcissement prend environ 24 heures. À l’inverse, un seul moule fabrique plusieurs butoirs en caoutchouc par heure.

Sécurité accrue — Les marquages ressortent sur les butoirs en caoutchouc, facilitant le stationnement la nuit et dans des conditions météorologiques défavorables. Le caoutchouc absorbe les chocs, amortit les glissades et les chutes, et n’endommage pas les véhicules. Il est également facile à installer et à retirer, et est léger à apporter et à emporter des chantiers.

Responsabilité environnementale — L’utilisation de pneus usagés pour fabriquer des pièces réutilise des masses de caoutchouc qui seraient autrement gaspillées chaque année. Les butoirs en caoutchouc recyclé éliminent 200 pneus usagés dans un stationnement de 60 places. Il ne faut pas un grand projet pour faire une entaille importante dans notre énorme problème de déchets de pneus en fin de vie. L’Ontario seul jette environ 0,17 million de tonnes métriques de pneus usagés chaque année. Les trois quarts de ceux-ci peuvent être détournés de l’incinération et des sites d’enfouissement, vers des initiatives similaires de développement de produits.

AS : Le cas échéant, pouvez-vous nous parler des développements futurs ?

BC : Les stratégies pour traiter les pneus en fin de vie en Amérique du Nord incluent principalement l’incinération, la génération de caoutchouc broyé et l’enfouissement, qui présentent tous de nombreux inconvénients, en plus d’un bon nombre de dépôts illégaux. EcoCa propose aux technologies actuelles trois pas en avant (à travers les étapes successives de 1. Dévulcanisation du caoutchouc récupéré, 2. Mélangeage du caoutchouc dévulcanisé, et 3. Fabrication de caoutchouc dévulcanisé mélangé en matériaux et produits techniques). Les avantages sont nombreux et incluent les économies de ressources naturelles, les réductions des émissions de gaz à effet de serre, les baisses de consommation d’énergie, la durabilité du caoutchouc et la seule voie actuellement plausible vers une véritable économie circulaire des produits en caoutchouc.

La gamme de produits d’EcoCa vise à répondre aux défis croissants en matière de santé et d’environnement que posent les pneus usagés, grâce à la dévulcanisation et au mélangeage du caoutchouc broyé, puis à sa transformation en matériaux techniques (granules pour revêtements) et en produits (à commencer par les butoirs de stationnement pour véhicules particuliers et camions), fabriqués localement et générés à partir de pneus usagés d’origine locale.